Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 621-80-48 Секретарь (тел./факс) ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"
(495) 107-91-50

АВОК ассоциированный
член

Гелиосистемы и тепловые насосы в системах
автономного тепло- и холодоснабжения

Введение

Начиная с 1992 года на ряде конференций под эгидой ООН [1, 2] рассматривается вопрос, напрямую связанный с выживанием человечества, а именно — глобальное потепление, обусловленное непрерывным повышением концентрации в атмосфере парниковых (трехатомных) газов.

Основной вклад в накопление парниковых газов вносит сжигание ископаемого топлива как источник выбросов диоксида углерода.

В декабре 1997 году в Киото (Япония) был принят Киотский протокол, ратифицированный 55 странами (в т. ч. Россией и Украиной), на которые приходится не менее 55 % глобальных выбросов диоксида углерода. Страны-участницы обязались снизить выбросы к 2000 году на 6—8 %, и только 4 страны — Россия, Украина, Норвегия и Новая Зеландия — могут удерживать выбросы на уровне 1990 года. Надо отметить, что это гораздо меньше, чем необходимо для замедления темпов накопления парниковых газов в атмосфере.

К сожалению, за последние годы большинству стран пока не удается снизить выбросы. В ближайшее время будет конкретизирован вопрос о санкциях за невыполнение обязательств по контролю и снижению выбросов, и следует думать, что такие санкции будут непрерывно ужесточаться.

К основным мерам по смягчению глобального потепления относятся повышение эффективности выработки и потребления энергии и широкое практическое использование возобновляемых источников энергии.

Проблема глобального потепления становится определяющей в перспективном планировании и развитии традиционной энергетики и, как следствие, во всех без исключения отраслях промышленности и сельского хозяйства, изменяя и определяя всю идеологию жизнеобеспечения человечества.

Перспективные возможности практического использования альтернативных возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, геотермальной, энергии моря, современных технологий газации и др.) для Украины представляют особый и долгосрочный интерес. К сожалению, этому никак не соответствует имеющийся уровень их реального использования.

Для Украины, по нашему мнению, наибольшие перспективы имеет развитие солнечной энергетики. Это, в первую очередь, гелиосистемы с плоскими солнечными коллекторами для обеспечения автономного теплоснабжения (горячего водоснабжения и отопления) жилых и производственных объектов (частных домов, небольших гостиниц, пансионатов, мини-производств, сельскохозяйственных ферм, предприятий перерабатывающей отрасли, хлебопекарен и т. д.).

Рисунок 1. Общий вид солнечного коллектора:

а) Плоский солнечный коллектор (СК-1.1) из алюминиевого сплава, выпускаемый с 1991 года: 1 — трубный регистр; 2, 3 — коллекторные трубы; 4 — корпус солнечного коллектора; 5 — крепежный уголок; 6 — стекло; 7 — крепежный элемент; 8 — теплоизоляция;

б) Новый тип разрабатываемого солнечного коллектора — полимерный солнечный коллектор (СК-П) на основе многослойной панели из поликарбоната: 1 — верхний слой панели — прозрачная изоляция; 2 — средний слой — абсорбер СК; 3 — нижний слой — теплоизоляция; 4 — каналы абсорбера; 5, 6 — распределительные коллекторы солнечного коллектора; 7, 8 — корпус солнечного коллектора; 9, 10 — патрубки для теплоносителя

Солнечные и комбинированные системы автономного тепло- и холодоснабжения

На рис. 1а представлен общий вид солнечного коллектора (СК), разработанного НПФ «Новые Технологии». Тепловоспринимающая панель коллектора выполнена в виде регистра труб с плавниковыми ребрами, изготовленными из антикоррозионного алюминиевого сплава.

Солнечный коллектор включает гидравлические коллекторы (2, 3), корпус из профилированного алюминия, высокоэффективную теплоизоляцию. Благодаря особой конструкции крепежной части обеспечивается простой и надежный способ установки стекла 6.

Выпускаются две модификации солнечных коллекторов с площадью теплоприемника 1,1 и 2,0 м2. Один коллектор модификации СК-1.1 обеспечивает нагрев 80 л воды до 55–60 °С в условиях июля в Одессе.

В баке-аккумуляторе предусмотрен дополнительный греющий источник, компенсирующий естественные колебания солнечной активности.

Опыт, приобретенный НПФ «Новые технологии» по выпуску и эксплуатации гелиосистем с солнечными коллекторами в 1993—2004 годах на различных объектах южного региона Украины и Крыма (всего свыше 100 гелиосистем различной мощности и конфигурации, причем срок непрерывной эксплуатации первых по времени введения в строй составляет 10 лет), показал большой перспективный интерес к ним как в промышленности, так и в частном секторе.

На рис. 4–6 представлены гелиосистемы, установленные в разные годы на различных объектах.

Гелиосистема в Феодосийском морском торговом порту успешно работает с 1998 года [3]. Там смонтированы три системы суммарной площадью солнечных коллекторов 60 м2, обеспечивающие получение 5 м3 горячей воды в сутки (с температурой до 60 °С в июле) для бытовых помещений порта (душевые кабины) и столовой. Эта система позволила значительно снизить нагрузку на портовую котельную.

Сдерживающим фактором расширения объемов практического использования гелиосистем на Украине является высокая стоимость солнечных коллекторов, изготовляемых в настоящее время из дорогостоящего алюминиевого сплава.

В новом типе разрабатываемого солнечного коллектора (рис. 1б) используется полимер на основе поликарбоната. Полимерный многослойный коллектор СК-П имеет, при сохранении приемлемых эксплуатационных характеристик, достаточно низкую стоимость (менее 100 долл. США/м2 по сравнению с 200—300 долл. США для выпускаемых на Украине традиционных конструкций и с 600 долл. США/м2 — для зарубежных) и малую массу (3—6 кг/м2 по сравнению с 20—30 кг/м2 для металлических конструкций). Между каждыми двумя слоями такого материала образуются каналы с различным технологическим назначением. Нижний ряд каналов может выполнять роль теплоизолятора, а верхний — роль традиционного для солнечного коллектора воздушного зазора между абсорбером и остеклением (прозрачной изоляции).

Поликарбонатная панель обладает высокой стойкостью к ударным воздействиям (в 5—6 раз превышает стойкость стекла) и характеризуется постоянством механических и оптических свойств солнечного коллектора в течение многих лет эксплуатации.

Полимерный солнечный коллектор с длительной «жизнью» на солнце рассчитан на частного массового потребителя. Опыт многолетней эксплуатации гелиосистем и анализ рынка, проведенный в странах СНГ и Украине, подтверждают перспективность такого дешевого, легкого и надежного в эксплуатации солнечного коллектора как на внутреннем рынке, так и за рубежом (страны СНГ, особенно среднеазиатские страны).

В 2005 году планируется создание пилотных гелиоустановок различной единичной мощности и конфигурации на основе полимерного коллектора для проверки рабочих характеристик и достижения максимального рекламного эффекта.

Проблемы традиционной парокомпрессионной холодильной техники, связанные с необходимостью разработки озононеразрушающих рабочих тел, вызвали значительный интерес к возможностям открытых абсорбционных систем.

Открытый цикл [4, 5] может лежать в основе нового поколения солнечных холодильных систем и систем кондиционирования воздуха. Он работоспособен на малых перепадах температур, экологически чист и характеризуется малым потреблением энергии. В качестве греющего источника используется гелиосистема с плоскими солнечными коллекторами, т. е. самым дешевым и надежным типом, одна из модификаций которого представлена на рис. 1а.

Рисунок 2 (подробнее)

Вариант схемы, реализующей цикл альтернативной системы кондиционирования воздуха с гелиосистемой (солнечной энергией):
1, 2 — непрямой и прямой испарительные охладители;
3, 4 — абсорбер (АБР) и десорбер (ДБР);
5 — градирня (ГРД); 6 — гелиосистема (ГС);
7 — солнечный коллектор (СК); 8 — бак-аккумулятор;
9 — дополнительный греющий источник;
10–12 — регенеративные теплообменники;
13 — наружный воздух;
14 — выброс воздушного потока в атмосферу;
15 — подпитка системы водой;
16 — подача воздуха в помещение

На рис. 2 приведен вариант схемы, реализующей цикл альтернативной системы кондиционирования воздуха. Схема включает две части: предварительного осушения воздуха и испарительного охлаждения. В осушительной части солнечная энергия, необходимая для регенерации абсорбента, обеспечивается гелиосистемой, а охлаждение абсорбера — градирней.

Альтернативная система кондиционирования воздуха состоит из абсорбера 3 (осушитель воздуха), десорбера 4 (солнечная регенерация абсорбента), комбинированного испарительного охладителя 1–2 и регенеративных теплообменников. Воздушный поток 13 (свежий наружный воздух) при осушении в абсорбере снижает свое влагосодержание хg и, соответственно, температуру точки росы tdp (естественный предел испарительного охлаждения), что обеспечивает значительный потенциал охлаждения. В качестве испарителя используется разработанный аппарат непрямого испарительного охлаждения (НИО) [6], решенный по совмещенной схеме в виде многоканальной насадки с чередующимися «влажными» каналами (взаимодействуют вспомогательный воздушный поток и водяная пленка, рециркулирующая через аппарат) и «сухими» каналами (основной воздушный поток, охлаждаемый при неизменном влагосодержании). Испарительное охлаждение воды во «влажных» каналах обеспечивает бесконтактное охлаждение основного воздушного потока в «сухих» каналах НИО через тонкую теплопроводную разделяющую стенку. В схеме показан комбинированный охладитель в составе НИО (первая ступень охлаждения — непрямой испарительный охладитель) и прямой испарительный охладитель (ПИО) в качестве второй ступени.

Особый интерес представляет регенеративная схема, обеспечивающая высокую эффективность процесса. На рис. 2 она представляет собой совместную работу НИО 1 и теплообменника Т/О 12. Если учесть, что регенеративная схема потенциально может обеспечить охлаждение поступающего в испарительный охладитель воздуха до температуры точки росы, то, с учетом предварительного осушения его в абсорбере, уровень охлаждения может быть весьма существенным.

Разработанная альтернативная система кондиционирования воздуха обеспечивает получение комфортных параметров воздуха испарительными методами его термовлажностной обработки без использования холодильных агентов и при любых исходных климатических параметрах. Сравнительно с парокомпрессионным кондиционером она снижает расход энергии до 50 % и является экологически чистой. Планируется изготовление и испытания полномасштабной солнечной холодильной либо кондиционерной установки в 2005 году.

Тепловые насосы как дублирующая нагревательная система

Для обеспечения автономности гелиосистем любого назначения при значительных колебаниях интенсивности солнечной радиации, связанных как с погодными, так и с сезонными условиями, особенно в режиме круглогодичной эксплуатации, используются дублирующие источники нагрева: электрические, газовые бойлеры и др.

Наиболее часто встречающийся тип дублера — электронагреватель, обладающий такими очевидными достоинствами, как надежность, низкая стоимость, простота поддержания требуемого температурного режима. Его недостаток — высокое энергопотребление самого ценного вида энергии.

В последнее время в качестве дублирующей нагревательной системы все чаще используются тепловые насосы, обладающие высокой энергетической эффективностью.

При круглогодичной эксплуатации тепловой насос на 1 кВт выработанной тепловой энергии расходует около 300 Вт электрической. Следует, однако, отметить, что наиболее широкое распространение тепловые насосы получили все же как самостоятельные устройства для нагрева жидких либо газообразных теплоносителей в системах горячего водоснабжения и отопления [7].

В тепловом насосе реализуется цикл обычной холодильной машины, но при этом подвод тепла к испарителю осуществляется при температуре окружающей среды (либо при температуре располагаемого низкопотенциального источника тепла), а отвод тепла в конденсаторе — при возможно более высокой температуре.

По характеру источников (подвод тепла к испарителю) и стоков (отвод тепла от конденсатора) тепловые насосы подразделяются на следующие типы: *воздух–воздух, *воздух–вода, *вода–воздух, *вода–вода.

Наиболее часто встречающийся тип — *воздух–вода, в котором необходимое количество теплоты отбирается у воздуха и передается воде как теплоносителю. Если в качестве источника теплоты используется воздух горячих помещений (кухня, ресторан, кафе, прачечная, хлебопекарня и др.), то такой тепловой насос кроме подогрева воды обеспечивает охлаждение воздуха в помещении.

Наиболее экономичны и компактны тепловые насосы типа *вода–вода, но даже при наличии воды ее использование в качестве теплоносителя требует конкретных технических решений для каждого случая.

Известны тепловые насосы, использующие теплоту земли, для чего испаритель заглубляется в грунт; глубина заглубления зависит от климатических условий и существенно влияет на общую стоимость работ.

Большинство выпускаемых в мире тепловых насосов представляют собой моноблочную конструкцию, работающую по схеме одноступенчатой парокомпрессионной холодильной машины. В качестве рабочего тела используются различные фреоны, не запрещенные к применению Монреальским протоколом (R-22, R-134a, R-142b и др.) и обеспечивающие нагрев теплоносителя до 50—65 °С [3].

Диапазон теплопроизводительности тепловых насосов очень широк: от долей до сотен кВт, что позволяет, к примеру, обеспечить отопление помещений площадью от десятков до нескольких тысяч квадратных метров.

Рисунок 3 (подробнее)

Принципиальная схема одной из самых распространенных модификаций теплового насоса типа *воздух — вода на примере модели НКВ-60-2-8:
КМ1, КМ2 — компрессоры; ФО — фильтр-осушитель; РТО1, PTO2 — регенеративные теплообменники; ТР1, ТР2 — терморегулирующие вентили; Т-Р — терморегулятор; 1–6 — узловые точки цикла

На рис. 3, на примере модели НКВ-60-2-8, представлена принципиальная схема одной из самых распространенных модификаций тепловых насосов *воздух–вода. Необходимая температура теплоносителя — воды (50 °С) — поддерживается датчиком — реле температуры. Источник теплоты — окружающий воздух с температурой не ниже –5 °С.

В зависимости от температурных условий подвода и отвода тепла теплопроизводительность Qк, потребляемая мощность Nel и тепловой коэффициент j (j = Qк/Nel) теплонасосной установки меняются в достаточно широких пределах. Для определения характера зависимости Qк, Nel и j от температуры кипения То и конденсации Тк была разработана методика и проведены расчеты основных характеристик тепловых насосов при их работе на различных рабочих телах.

Ниже приведены некоторые результаты расчетов, проведенных для теплового насоса НКВ-60-2-8 с паспортной производительностью 60 кВт (при То = 0 °С и Тк = 50 °С), что обеспечивает нагрев 10 м2 воды в час. Следует отметить, что изменение номинальной (паспортной) производительности теплового насоса практически не сказывается на характере таких зависимостей.

Расчеты показывают, что наибольшей энергетической эффективностью обладают тепловые насосы с R-22 в качестве рабочего тела, наивысшую температуру (до 65 °С) обеспечивают насосы с R-142b.

Наибольшее влияние на теплопроизводительность теплового насоса оказывает температура кипения То рабочего тела при подводе тепла. Так, при Тк = 50 °С повышение То от 0 до 20 °С приводит к увеличению теплопроизводительности теплового насоса вдвое, при этом потребляемая мощность несколько снижается, а тепловой коэффициент (коэффициент преобразования) возрастает до 8, т. е. на каждый киловатт выработанной тепловой энергии расходуется 125 ватт электрической (!). В таких режимах тепловой насос не имеет себе равных по энергетической эффективности, и задача расширения областей применения тепловых насосов состоит в поиске и использовании источников теплоты с такими температурными параметрами (природные ресурсы, низкопотенциальные технологические потоки и др.). Уменьшение То до –10 °С и ниже приводит к значительному ухудшению эффективности теплового насоса и делает его эксплуатацию экономически нецелесообразной.

Одним из возможных и достаточно распространенных источников теплоты для теплового насоса является вода систем оборотного водоснабжения, обычно поступающая для охлаждения на градирню. Предлагается вместо градирни использовать для охлаждения воды тепловой насос с одновременным получением горячей воды для технологических и бытовых нужд либо для отопления. Для оценки целесообразности такой замены был выполнен расчет ее экономической эффективности. В качестве базового образца принят тепловой насос НКВ-60-2-8; в качестве источника тепла используется вода системы оборотного водоснабжения компрессорного цеха. При этом температура кипения теплового насоса может поддерживаться на уровне То = 20—25 °С, что приводит (согласно проведенным расчетам) к увеличению теплопроизводительности насоса до 120 кВт и теплового коэффициента j до 8; а потребляемая насосом мощность составит ~5 кВт.

Стоимость теплового насоса — 15 000 долл. США. При сроке службы 10 лет распределенная годовая стоимость составляет 1 500 долл. США. Примем, что годовая стоимость ремонтных работ и эксплуатации составляет 2 000 долл. США и что тепловой насос 6 месяцев работает в режиме отопления и 6 месяцев в режиме горячего водоснабжения. В режиме отопления подогрев воды в конденсаторе теплового насоса составит 5 °С, а расход горячей воды В режиме горячего водоснабжения требуемый подогрев воды составит   при расходе горячей воды G = 1,0 кг/с = = 3,4 м3/ч.

Расход электроэнергии за 1 год эксплуатации теплового насоса (8 000 ч) равен 120 000 кВт/ч, что составит 3 900 долл. США.

Количество подогретой за сезон воды для системы отопления (4 000 часов) равно 82 000 м3, и для системы горячего водоснабжения — 14 000 м3. Тогда стоимость 1 м3 горячей воды в системе отопления составит 0,042 долл. США. Стоимость 1 м3 горячей воды в системе горячего водоснабжения равна 0,25 долл. США. Стоимость 1 Гкал теплоты, выработанной тепловым насосом (вне зависимости от цели: отопление либо горячее водоснабжение), составляет около 10 долл. США. В расчете не учтены: стоимость собственно градирни; водяных насосов; расход электроэнергии на привод водяных насосов; экономия подпиточной (испаряющейся) воды при отказе от градирни; экономия электроэнергии за счет отказа от вентилятора градирни. Следует также отметить, что переход на более крупные тепловые насосы снизит удельную стоимость выработки 1 м3 горячей воды. Переход на более высокие температуры конденсации (65 °С) несколько изменит стоимостные показатели, но все основные преимущества тепловых насосов сохранятся.

Использование тепловых насосов в системе отопления, из-за сравнительно невысокой температуры теплоносителя (50–65 °С), требует некоторого увеличения поверхности отопительных приборов, а следовательно, и стоимости системы. Этого недостатка лишены парокомпрессионные водоаммиачные тепловые насосы, которые могут работать при температуре конденсации до 100—120 °С.

Кроме традиционных областей применения (отопление, горячее водоснабжение), такие тепловые насосы могут использоваться для сушки древесины, концентрации соков, выпаривания растворов и др.

Следует предположить, что по мере увеличения количества теоретических и экспериментальных работ по таким тепловым насосам будут расширяться и возможные области их применения.

Рисунок 4.

Система солнечного горячего водоснабжения для локомотивного депо «Застава-1» Одесской железной дороги, пущена в эксплуатацию в 2003 году

Рисунок 5.

Система солнечного горячего водоснабжения жилого корпуса пансионата Феодосийского морского торгового порта (база отдыха в Коктебеле). Установлена гелиосистема суммарной площадью солнечных коллекторов 50 м2 и суточной производительностью по горячей воде 5,0 м3. На фото виден один из трех баков-аккумуляторов системы солнечного горячего водоснабжения

Рисунок 6.

Система солнечного горячего водоснабжения столовой пансионата Феодосийского морского торгового порта (база отдыха в Коктебеле). Установлена гелиосистема суммарной площадью солнечного коллектора 20 м2 и суточной производительностью по горячей воде 2 м3

Заключение

- Значительное обострение взаимосвязанных энергетических и экологических проблем (дефицит энергоносителей, проблема глобального потепления и изменение идеологии развития энергетики) обусловило принципиально новое значение альтернативной энергетики, выводя ее из ряда перспективных эксклюзивных направлений в ряд первоочередных жизненно важных задач.

- В ряду возобновляемых источников энергии именно солнечная представляет особый интерес для энергохозяйства Украины (солнечное теплоснабжение; солнечные холодильные, кондиционирующие и теплонасосные системы). Создание надежного и дешевого, массового солнечного коллектора обусловит развитие практического использования солнечной энергии в ближайшие годы.

- Комбинированные системы, интегрирующие возможности альтернативных и традиционных источников энергии, в частности, низкопотенциальных источников, могут включать гелиосистемы, тепловые насосы, сезонные теплоаккумулирующие емкости и др., взаимно дополняя друг друга, особенно в условиях круглогодичной эксплуатации и решения комплексных задач жизнеобеспечения — тепло-, холодоснабжения и кондиционирования воздуха.

Литература

1. United Nations on Climate Change. General Convention Kyoto, 1997.

2. Грицевич И. Протокол конференции по глобальному климату в Киото: новые правила игры на следующее десятилетие // Экономическая эффективность. Ежеквартальный бюллетень Центра по эффективному использованию энергии (ЦЭНЭФ). М., 1998. № 18 (январь-март).

3. Дорошенко А. В., Омельченко Ю. М. Комплексные системы отопления и горячего водоснабжения // Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. 1998. № 1; Альтернативная энергетика: опыт использования и реальные перспективы // Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. 1999. № 2.

4. Doroshenko A. New developments of air-conditioning // Conference of Application for Natural Refrigerants 96. Aarus (Denmark), IIF/IIR. 1996.

5. Дорошенко А. В., Кириллов В. Х., Холпанов Л. П., Квурт Ю. П. Солнечные системы охлаждения и кондиционирования воздуха // Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий. Сб-к научн. труд. РОАН. М., 1998. № 2.

6. Дорошенко А. В., Ярмолович Ю. Р. Косвенно-испарительные охладители // Холодильная техника. 1997. № 12.

7. Рей Д. Макмаки. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1975.

8. Morosuk T. V., Morosuk L. I., Dissana B. Schemes and cycles of the water-ammonia compressor heat pump // Proc. 5th International energy agency conference heat pumping technologies. Montreal (Canada), 1996.

9. Qin Zhou, Reinhard Radermacher. Development of a vapor compression cycle with a solution circuit and desorber/absorber heat exchange // International Journal of Refrigeration. 1987. № 2. vol. 20.

 

Тел./факс: (0482) 23-23-93, 22-92-09

E-mail: aldor@paco.net

Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №7'2004

распечатать статью распечатать статью


Статьи по теме

Реклама
Реклама на нашем сайте
Rambler's Top100 Rambler's Top100 Яндекс цитирования



Кондиционирование, отопление, вентиляция

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте