Гелиосистемы и тепловые помпы
Возможности использования восстанавливающихся источников энергии (солнечной, ветровой, геотермальной, энергии моря, технологий газификаций и т.д.) для Украины сегодня очень актуальны. Самым перспективным направление эксперты считают солнечную энергетику. Прежде всего это гелиосистемы с плоскими солнечными коллекторами для горячего водоснабжения и обогрева жилых, гражданских и производственных объектов.
Солнечные и комбинированные системы климатизации
|
НВФ «Новые технологии» выпускает солнечные коллекторы (СК) двух модификаций с площадью теплопоглотителя 1,1 и 2,0 метров квадратных. Коллектор модификации СК-1,1 обеспечивает нагревание 80 литров воды в день до 55-60 градусов Цельсия в июле на широте Одессы. В баку-аккумуляторе предусмотрен дополнительный источник нагреву для компенсации природных колебаний солнечной активности.
В Феодосийском морском торговом порту с 1998 года успешно работают три системы общей площадью СК 60 метров квадратных, которые обеспечивают 5 метров кубических горячей воды в сутки (до 60 градусов в июле) для бытовых помещений и столовой. Эти системы существенно снизили нагрузку на портовую котельную.
Полимерный (на основе поликарбоната) многослойный коллектор СКкП отмечается незначительным весом (3-6 килограмм на метр квадратный в сравнении с 20-30 для металлических конструкций) при сохранении всех эксплуатационных характеристик. Поликарбонатная панель — ударостойкая (в пять-шесть раз крепче стекла), хорошо сохраняет механические и оптические свойства СК на протяжении многих лет.
Вариант схемы альтернативной системы кондиционирования состоит из двух частей: предварительного осушения воздуха и испарительного охлаждения. В осушительной части солнечная энергия, необходимая для регенерации абсорбента, обеспечивается гелиосистемой, а охлаждение абсорбера — градирнею.
Содержание влаги в потоке внешнего воздуха снижается после осушения в абсорбере; соответственно снижается и температура точки росы (естественный предел выпарного охлаждения), что обеспечивает значительный потенциал охлаждения. На схеме отображен комбинированный охладитель в составе НВ0 (первая ступень охлаждения — непрямой испарительный охладитель, вторая степень — прямой испарительный охладитель).
Регенератная схема обеспечивает высокую эффективность процесса. Если учесть, что регенератная схема потенциально может обеспечить охлаждение воздуха, который поступает в испарительный охладитель, к температуре точки росы, то с учетом предыдущего осушения его в абсорбере, уровень охлаждения может быть достаточно существенным.
|
Схема солнечного коллектора
а) Плоский солнечный коллектор (СК-1.1) из алюминиевого сплава (выпускается из 1991 г.):
1 - трубный регистр; 2,3 - коллекторные трубы; 4 - корпус СК; 5 - крепежный уголок; 6 - стекло; 7 - крепежный элемент; 8 - теплоизоляция;
б) Солнечный коллектор нового типа - полимерный (СК-П) на основе многослойной панели из поликарбоната:
1 - верхний слой панели - прозрачная изоляция; 2 - средний слой - абсорбер; 3 - нижний слой - теплоизоляция; 4 - каналы абсорбера; 5, 6 - распределительные коллекторы; 7,8- корпуса СК; 9, 10 - патрубки для теплоносителя.
|
Выше описанная альтернативная система кондиционирования обеспечивает комфортные параметры воздуха испарительными методами термовлажной обработки воздуха без холодоагентов и при любых исходных климатических параметрах. В сравнении с парокомпрессийным кондиционером она снижает расходы энергии до 50% и экологически безопасная.
Тепловые помпы как дублирующая нагревательная система
Чтобы обеспечить автономность гелиосистем при значительных сезонных и суточных колебаниях интенсивности солнечной радиации на протяжении года, используются дублирующие источники тепла: электрические, газовые бойлера и тому подобное. В последнее время как дублирующую нагревательную систему все чаще используют тепловые помпы с высокой энергоэффективностью. При круглогодичной эксплуатации тепловая помпа на 1 квт выработанной тепловой энергии тратит около 300 Вт электрической.
За характером источников (подведение тепла к испарителю) и стоковых вод (отвод тепла от конденсатора) тепловые помпы разделяются на типы:
-
воздух - воздух,
-
воздух - вода,
-
вода - воздух,
-
вода - вода.
Чаще всего применяются помпы типа воздуха - вода, в которых необходимое количество тепла отбирается из воздуха и передается воде как теплоносителю. Если источником тепла является воздух "горячих" помещений (кухня, ресторан, кафе, прачечная, хлебопекарня, и тому подобное), тепловая помпа способна обеспечивать, кроме подогрева воды еще и кондиционирование.
Существуют тепловые помпы, что используют тепло земли, для чего испаритель углубляется в почву, что существенно влияет на общую стоимость работ. Глубина углубления зависит от климатических условий. Как рабочее тело в них используют разные фреоны, не запрещенные к запрещенные к использованию Монреальским протоколом (R-22, R-134a, R-142b и т.д.), что обеспечивают нагревание теплоносителя до температуры 50-65 градусов Цельсия.
Диапазон теплопродуктивности тепловых помп очень широкий: от частиц до сотен квт, что дает возможность обеспечить отопление помещений площадью от десятков до нескольких тысяч квадратных метров.
Принципиальную схема одной из распространенных модификаций тепловых помп — воздух-вода, можно посмотреть на рисунке. Необходимая температура теплоносителя (50 градусов) поддерживается датчиком — реле температуры. Источник тепла — окружающего воздуха с температурой не ниже -5 градусов Цельсия.
|
|
|
|
|
Схема альтернативной системы кондеционирования воздуха с использованием гелиосистемы
1, 2 – непрямой и прямой испарительные охладители; 3, 4 – абсорбент (АБР) и десорбент (ДБР); 5 – градирня (ГРД); 6 – гелиосистема (ГС); 7 – солнечный коллектор (СК); 8 – бак-аккумулятор; 9 – дополнительный источник тепла; 10-12 – регенеративные теплообменники; 13 – внешний воздух; 14 – выброс воздушного потока в атмосферу; 15 – подпитка системы водой; 16 – подача воздуха в помещение.
|
|
Схема одной из распространенных модификаций тепловой помпы типа воздух-вода на примере модели НКВ-60-2-8
КМ1, КМ2 – компрессоры; ФО – фильтр осушитель; РТО1, РТО2 – регенеративные теплообменники; ТРВ1, ТРВ2 – терморегуляторные вентили; Т-Р – терморегулятор; 1-6 – узловые точки цикла
|
В зависимости от температурных условий подводу тепла, теплопродуктивность, потребляемая мощность и тепловой коэффициент тепло-помповой установки изменяются в достаточно широких пределах. Для определения характера зависимости от температуры кипения и конденсации разработана методика и рассчитаны основные характеристики тепловых помп для работы с разными рабочими телами.
Ниже приведены некоторые результаты расчетов для тепловой помпы НКВ-60-2-8 с паспортной производительностью 60 квт, что обеспечивает нагревание 10 метров кубических воды за 1 час. Следует отметить, что изменение номинальной (паспортной) производительности тепловой помпы практически не отражается на характере таких зависимостей.
Расчеты показывают, что самой большой энергоэффективностью характеризуются помпы с хладагентом R-22; самую высокую температуру (до 65 градусов) обеспечивают помпы с R-142b.
Теплопродуктивность тепловой помпы больше всего зависит от температуры кипения рабочего тела при подведении тепла. Таким образом, повышение температуры от 0 к 20 градусов предопределяет рост теплопродуктивности помпы вдвое, при этом потребленная мощность несколько снижается а тепловой коэффициент (коэффициент преобразования) растет до 8, то есть на каждый квт выработанной тепловой энергии расходуется 125 Вт электрической
(!)
. В таких режимах тепловая помпа не имеет себе ровных за энергетической эффективностью. Снижение температуры до -10 градусов и ниже приводит к значительному уменьшению эффективности помпы.
Одним из достаточно распространенных источников тепла для тепловой помпы есть вода систем оборотного водоснабжения, что обычно поступает для охлаждения на градирню. Предлагается вместо градирни применять тепловую помпу с одновременным получением горячей воды для технологических и бытовых потребностей или для отопления. Целесообразность такой замены определяется из расчета ее экономической эффективности. За базовый образец принято брать тепловую помпу НКВ-60-2-8; как источник тепла — вода системы оборотного водоснабжения компрессорного цеха. При этом температура кипения в тепловой помпе может поддерживаться на уровне 20-25 градусов что повышает теплопродуктивность помпы до 120 квт и теплового коэффициента до 8. Потребляемая помпой мощность составит приблизительно 5 квт.
Стоимость тепловой помпы — 15000 долларов США. За 10-летней эксплуатации распределенная годовая стоимость будет равняться 1500 долларов США. Примем: годовая стоимость ремонтных работ и эксплуатации составляет 2000 долларов США; тепловая помпа работает 6 месяцев в режиме отопления и 6 месяцев — в режиме горячего водоснабжения. Вода в конденсаторе в режиме отопление подогреется на 5 градусов, а потеря горячей воды составит около 20,5 кубометров в год.
В режиме горячего водоснабжения необходим подогрев воды составит: 30 градусов при потерях воды 3,4 кубометров в год.
Потери электроэнергии за год эксплуатации тепловой помпы (8000 час) – 120 000 кВт, что будет стоить около 3900 долларов США.
Объем подогретой за сезон воды для системы отопления (4000 час) — 82000 кубометров, для системы горячего водоснабжения — 14000 м3. Следовательно, 1 кубометр горячей воды в системе отопление составит 0,042 долларов США, а 1 кубометр горячей воды в системе горячего водоснабжения — 0,25 долларов США. Стоимость 1 Гкал теплоты выработанной тепловой помпой — около 10 долларов США. В вычислениях не учтено: стоимость градирни и водяных помп; затрату электроэнергии на привод водяных помп; экономию подпитывающей (испаряемой) воды за отказы от градирни; экономию электроэнергии за счет отказа от вентилятора градирни. Следует отметить, что переход на большие тепловые помпы снизит удельную стоимость выработки 1 кубометра горячей воды. Переход на высшие температуры конденсации (65 градусов) кое-что изменит стоимостном показателе, но основные преимущества тепловых помп сохранятся.
Использование тепловых помп в системе отопление требует, через сравнительно невысокую температуру теплоносителя (50-б5 градусов), увеличения поверхности отопляемых приборов, а следовательно, вырастет стоимость системы. Этого недостатка лишены парокомпрессионные водоаммиачные тепловые помпы какие могут работать при температуре конденсации 100-120 градусов.
Кроме традиционных сфер использования (отопление, горячее водоснабжение), такие тепловые помпы можно использовать для осушки древесины, выжигания растворов и т.д.
|
|
|
|
|
Система солнечного горячего водоснабжения жилого корпуса пансионату Феодосийского морского торгового порта (база отдыха в Коктебель). Гелиосистема сумарной площадью солнечных коллекторов 50 квадратных метров и суточной продуктивностью горячего водоснабжения 5,0 кубометров воды. На фото один из трех баков-аккумуляторов системы солнечного горячего водоснабжения
|
|
Система солнечного горячего водоснабжения локомотивного депо Одеской железной дороги, запущена в эксплуатацию в 2003 году
|
Заострения энергетических и экологических проблем (дефицит энергоносителей, проблема глобального потепления и смена идеологии развития энергетики) обусловило принципиально новое отношение к альтернативной энергетике выводя ее из ряда перспективных эксклюзивных направлений в ряд первоочередных жизненно важных заданий.
Среди восстанавливаемых источников энергии именно солнечная составляет особенный интерес для энергохозяйства Украины (солнечное теплоснабжение; солнечные охладительные, кондиционированные и тепло-помповые системы). Создание надежного и дешевого солнечного коллектора обусловило расширения сфер использования солнечной энергии.
|
