СОЛНЕЧНЫЙ ПОДОГРЕВ
Все источники тепла для тепловых насосов в той или иной мере подвержены влиянию солнечной энергии, но ее можно использовать и непосредственно с помощью солнечных коллекторов с циркуляцией теплоносителя, подогрева воздуха, входящего в испаритель, или с помощью солнечных концентраторов. И в Европе, и в США системы с солнечными коллекторами уже есть в продаже. Солнечные концентраторы, по-видимому, более пригодны для абсорбционных тепловых насосов (см. гл. 2). Они еще мало применяются в домашних условиях, ко служат предметом значительной исследовательской работы. Для подогрева генератора в абсорбционном цикле требуются более высокие температуры, чем достижимые обычными плоскими коллекторами. Однако применение абсорбционного цикла для кондиционирования допускает нагрев от плоских коллекторов, поскольку здесь должна быть температура ниже и потому, что охлаждение воздуха проводится летом, как раз тогда, когда солнечная радиация интенсивна и температура коллектора повышена.
Вместе с другими источниками тепла для тепловых насосов широко применяют плоские коллекторы, размещенные на крышах. Вообще солнечные коллекторы интенсивно изучаются для применения не только с тепловыми насосами, но и самостоятельно, а также в схемах с аккумуляторами тепла. Последние представляют интеpec и для тепловых насосов как источники тепла в облачные дни или ночью.
Давая тепло в испаритель при температуре более высокой, чем окружающий воздух, грунт или вода, солнечные коллекторы повышают КОП теплового насоса.
|
|
Обычно промежуточный теплоноситель — вода передает тепло от коллектора к испарителю. Но может быть и полное совмещение коллектора с испарителем (рис. 5.8), где хладоагент испаряется непосредственно внутри трубок коллектора. Для нереверсивного теплового насоса можно использовать обычный коллектор с минимальной доработкой. Если же он служит и как конденсатор при круглогодичном кондиционировании, следует снять стекло, покрывающее
Рис. 5.8. Солнечный коллектор как испаритель для домашнего теплового насоса.
1 — солнечная радиация; 2 — дополнительный испаритель; 3 — тепловой насос; 4 — воздушный каиал.
Коллектор, и тогда тепло будет эффективно рассеиваться в атмосферу. Такая конструкция рассматривалась в США в 1955 г. [17].
Зачастую тепло от солнечного коллектора подается в жидкостный тепловой аккумулятор, куда погружены трубки испарителя. Схема такой установки показана на рис. 5.9. Здесь температура теплового аккумулятора поддерживается солнечным коллектором. Тепловой насос имеет два испарителя. Один из них — обычный испаритель, обдуваемый окружающим воздухом и включаемый в тех случаях, когда окружающая температура достаточно велика. Его также можно использовать как конденсатор при реверсировании режима. Тепловой аккумулятор, дающий энергию на испарение, когда окружающая температура слишком низка, выполняет и вторую функцию — горячее водоснабжение [18].
В целом схема рис. 5.9 — один из примеров многочисленных предложений о домах с минимальным потреблением энергии, часть из которых реализована и находится на испытаниях. Фактически дом использует три тепловых насоса: один для передачи тепла с повышением температуры от солнечного коллектора к аккумулятору, второй —от аккумулятора к системе отопления и третий — от аккумулятора к системе горячего водоснабжения.
Ограничения в применении обычных плоских солнечных коллекторов накладываются их размерами и стоимостью. Попытка снижения размера коллектора для нагрева жидкости с помощью концентратора, проиллюстрирована на рис. 5.10. В конструкции, применяемой в доме фирмы Philips в Аахене, показан модуль
коллектора, состоящий из вакуумированной стеклянной трубки, половина внутренней поверхности которой имеет отражающее покрытие. Внутри трубки размещены две черные трубки с водой, диаметр каждой из них составляет четверть диаметра стеклянной. В целом коллектор можно назвать плоским с обычными трубками, но транспорт тепла к трубкам происходит путем радиации, а не теплопроводности. Вакуумирование устраняет потери за счет конвекции. Обратное отражение устраняется покрытием слоем олова или окиси
|
Рис. 5.9. Экспериментальный дом с пониженным потреблением энергии и солнечным тепловым насосом. |
|
Рис. 5.10. Модуль солнечного концентратора «Philips» для дома в Аахене. 1 — зеркало; 2 — жидкий теплоноситель; 3 — теплопоглощающне трубки, покрытые черной эмалью. |
|
35 СО- |
|
Рис. 5.11. Зависимость КОП системы от температуры в аккумуляторе тепла. |
|
Индия. В таком коллекторе достигается более высокая температура, исключающая надобность в применении теплового насоса. В доме Филипса, например, солнечный коллектор (20 м2) собирает в год 36—44 ГДж тепла (при среднем КПД 50%), сохраняемого в баке 40 м3 при температуре до 95° С. Тепловой аккумулятор играет существенную роль в любой солнечной теплонасосной системе. На рис. 5.11 показано влияние Температуры аккумулятора на КОП [19]. Подробно конструкция и применение солнечных коллекторов обсуждаются в работе [20]. Солнечные коллекторы рассматривают также в сочетании с грунтовыми. Одна из подобных схем приведена на рис. 5.12, где |
/ — направление на юг; 2 —солнечная крыша; 3 — термостат радиатора; 4—6 — внепиковые тепловые насосы; 5 — тепловой насос; 7— горячая вода; 8 — смеситель; 9 — основной аккумулятор тепла на 35 м3.
|
А 200 Ш F, MZ Рис. 5.13. Зависимость электропотребления компрессора и циркуляционного насоса от площади грунтового F и солнечного 5 коллекторов. |
|
Рис. 5.12. Схема теплового насоса с одновременным использованием теплоты грунта и Солнца. |
|
Солнечный коллектор и грунтовый испаритель дополняют друг друга. На рис. 5.13 показаны результаты расчетов, дающие соотношение между затратой работы и площадью грунтового и солнечного коллекторов при годовой выработке 12 260 кВт-ч. Установлено, что размеры солнечного коллектора должны быть больше 3 м2 на I кВт потерь тепла жилищем. При этом затраты на коллектор окупаются повышением характеристик системы. При солнечном коллекторе площадью 30 м2 с грунтовым испарителем, занимающим только |
1 — солнечный коллектор: 2 — трубки в грунте; 3 — тепловой насос; 4 — бак; 5 — дом.
100 м2, достигается КОП = 3,4. Это высокое значение для домашних тепловых насосов. "Если же использовать только грунтовой испаритель, то требуется поверхность земли 300 м2, и при этом получается
КОП = 2,7.
Тем не менее оказалось, что, несмотря на повышение КОП, в этом случае экономия топлива не окупает стоимости солнечного коллектора. Другие работы по солнечным коллекторам [21] также показывают, что эффективны только коллекторы больших размеров. При тепловой мощности домашнего теплового насоса 6 кВт требуется поверхность 20 м2. Важное значение имеют влияние теплового аккумулятора на общий КОП и стоимость системы, и хотя демонстрационных установок во всем мире уже довольно много, надежных данных по экономике таких систем еще нет.
