ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭНЕРГОАУДИТА

ГЕЛИОУСТАНОВКИ С ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ ДЛЯ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Гелиоустановки предназначены для получения горячей воды или на­гретого воздуха и включают в себя коллектор солнечной энергии (КСЭ), теплообменники, бак-аккумулятор, тепловые насосы и трубопроводы. Ра­бочим телом (теплоносителем) в КСЭ могут быть вода, воздух, органиче­ские низкокипящие жидкости. Важным условием применения рассматри­ваемых схем является обеспечение бесперебойной работы систем отопле­ния и горячего водоснабжения независимо от временных и погодных усло­вий путем введения в схему емкостей, аккумулирующих тепловую энергию в солнечное время суток и отдающих накопленную теплоту во время от­ключения КСЭ.

Наиболее эффективная схема системы теплоснабжения с использова­нием КСЭ приведена на рис. 7.1 и имеет несколько контуров.

Рис. 7.1. Принципиальная схема гелиоустановки и системы теплоснабжения с тепловым насосом:

1 - энергия Солнца; 2 - насос; 3 - коллектор солнечной энергии;

4 - теплообменник; 5 - бак-аккумулятор; 6 - тепловая изоляция;

7 - насос системы отопления; 8,15 - теплоприемники; 9 - радиаторы; 10 - воздухосборник; 11, 17 - промежуточный бак; 12,18 - тепловой насос;

13 - вентили; 14 - насос горячего водоснабжения; 16 - кран горячей воды Охлажденная вода первого контура насосом 2 подается в коллектор солнечной энергии 3, где нагревается и направляется в теплообменник 4 водяного бака-аккумулятора 5, в котором охлаждается и вновь возвращает­ся в КСЭ.

Работа системы отопления. Охлажденная вода после радиаторов циркуляционным насосом 7 прокачивается через теплоприемник 8, уста­новленный в баке-аккумуляторе, где нагревается, и затем идет в радиаторы 9 системы отопления. При недостатке солнечной энергии (пасмурные дни, ночное время) вода после радиаторов циркуляционным насосом 7 прокачи­вается через промежуточный бак 11, где нагревается, и возвращается в ра­диаторы 9 системы отопления.

Переключение движения воды производится закрытием или открыти­ем вентилей 13. Нагрев воды в промежуточном баке 11 осуществляется в этом случае с помощью теплового насоса 12, который использует воду бака аккумулятора как низкопотенциальную энергию.

Работа системы горячего водоснабжения. Вода из водопровода или насосом 14 подается в теплоприемник 15, где нагревается, и идет в кран 16 на горячее водоснабжение. В случае недостатка солнечной энергии вклю­чается тепловой насос 18, который нагревает воду в теплообменнике 17 за счет энергии воды бака-аккумулятора. В этом случае вода из водопровода проходит через теплообменник 17, нагревается и идет в кран 16 горячей воды.

Для поддержания расчетных тепловых условий системы отопления и горячего водоснабжения возможно размещение электрических тепловых насосов 12 и 18, включаемых в сеть при понижении температуры в баке- аккумуляторе 5 ниже предельной и использующих бак-аккумулятор как низкопотенциальный источник тепловой энергии.

В периоды наибольшего похолодания или прекращения поступления солнечной энергии для нагрева воды систем отопления и горячего водо­снабжения в схему трубопроводов включают дополнительный газовый или электрический источник энергии, который подогревает воду до заданной температуры потребителя.

При воздушном солнечном отоплении здания или сооружения холод­ный воздух забирается из окружающей среды и вентилятором подается в КСЭ, где он нагревается и через блок управления вводится либо в помеще­ние здания, либо в тепловой аккумулятор, расположенный, как правило, под зданием. Когда КСЭ не работает, предусмотрена возможность рецир­куляции охлажденного комнатного воздуха через тепловой аккумулятор.

Аккумуляторы тепловой энергии гелиосистем. Аккумулирование теплоты вызвано периодичностью поступления солнечной энергии в тече­ние суток и года, а также несовпадением графиков выработки теплоты в гелиосистемах и ее потреблением в системах теплоснабжения. Максимум солнечной радиации приходится на полдень, a минимум на вечер и ночь, потребность же в теплоносителе для отопления и горячего водоснабжения сохраняется в течение суток. Аналогично и сезонное несоответствие выра­ботки и использования солнечной энергии. Поэтому при превышении вы­работки энергии над потреблением ее избыток накапливают в аккумулято­рах теплоты.

Аккумуляторы теплоты гелиосистем относятся к регенеративным теп­лообменникам, для которых характерен циклический характер работы, включающий в себя два периода: зарядки аккумулятора тепловой энергией и его разрядки. В зависимости от длительности цикла различают часовые, суточные и сезонные аккумуляторы теплоты, а по температурному диапа­зону: для систем воздушного отопления - рабочая температура аккумуля­тора составляет 30 °С, горячего водоснабжения - 45...60 °С, водяного ото­пления - до 90 °С.

Для гелиосистем применяют тепловые аккумуляторы емкостные, имеющие резервуар (бак, емкость), заполненный теплоаккумулирующим материалом (ТАМ). В качестве ТАМ используют воду, водные растворы солей, воздух, природный камень, гальку. Основными характеристиками аккумулятора являются энергоемкость и продолжительность нагрева или охлаждения теплоаккумулирующего материала. Энергоемкость аккумуля­тора - это количество теплоты Дж, которое поглощает ТАМ массой Мак, кг, теплоемкостью сак, Дж/(кг • К), при его нагреве от Т1ак до Т2ак, °С:

Бак -^^ак сак (Т1ак Т2ак).

Отношение энергоемкости аккумулятора 2ак к объему ТАМ ¥ак, м3, называется удельной энергоемкостью: qv = 2ак / ¥ак, Дж/м3.

Продолжительность зарядки тзар, с, зависит от конструкции аккумуля­тора, вида и массы ТАМ, а также тепловой производительности Q солнеч­ного коллектора:

Ба:

Єт П ксэ П ак "Л тр

Где пксэ, "Лак, Птр - КПД, характеризующие тепловые потери соответственно в КСЭ, аккумуляторе и соединяющих их трубопроводах.

Тепловым аккумулятором воздушного отопления может служить лю­бой твердый наполнитель с высокой удельной теплоемкостью (каменная галька, керамические сосуды, металлические листы).

По конструкции и принципу действия аккумуляторы тепловой энергии для гелиосистем могут быть с твердой насадкой, с жидкостным ТАМ и лег­коплавким ТАМ. Движение теплоносителей осуществляется принудитель­но (с использованием насосов) или за счет естественной циркуляции (тер­мосифон). Аккумуляторы бывают:

• рекуперативные - накопление теплоты происходит путем теплопе­редачи через разделительную (металлическую) стенку и нагрева жидкого ТАМ без изменения его агрегатного состояния (рис. 7.1);

• регенеративные - накопление теплоты и разрядка ТАМ происходят путем попеременного нагрева и охлаждения твердого теплоаккумулирую - щего материала;

• подводимая теплота расходуется на плавление (осуществление фа­зового перехода) твердого теплоаккумулирующего материала.

При использовании твердого теплоаккумулирующего материала про­должительность нагрева или охлаждения рассчитывается по формулам не­стационарной теплопроводности [13], учитывающим размеры и форму элементов насадки, их теплофизические свойства и взаимодействия с пото­ком воздуха.

В аккумуляторах с твердым ТАМ пористая насадка выполнена из дробленого камня, гальки, керамических шариков или сосудов, а теплоно­сителем в них является воздух. В процессе зарядки аккумулятора через на­садку продувается воздух, прошедший предварительно через КСЭ и вос­принявший там энергию солнечного излучения. После нагрева насадки до температуры, близкой к температуре горячего воздуха, его подача в акку­мулятор прекращается, зарядка на этом заканчивается, а теплота, отданная воздухом, хранится в насадке. Для передачи аккумулированной теплоты потребителю через насадку пропускается холодный воздух из системы воз­душного отопления, подводимый к аккумулятору по воздуховоду. Воздух нагревается, а насадка охлаждается, после чего требуется новая зарядка (восстановление аккумулятора).

В аккумуляторах с легкоплавким ТАМ основное количество теплоты поглощается веществом при его плавлении. Перед зарядкой аккумулятора ТАМ находится в твердом виде. При подводе теплоты в аккумулятор вна­чале легкоплавкий ТАМ, массой Мак, нагревается от начальной температу­ры Т1ак до температуры плавления Тпл, затем плавится, а после, уже в жид­ком виде, нагревается до конечной температуры Т2ак > Тпл. Энергоемкость такого аккумулятора равна

Бак = Мак [ств (Тпл - Т1ак) + r + сж (Т1ак - TuOL

Где ств, сж - теплоемкость вещества в твердом и жидком состояниях, Дж/(кг-К); r - теплота фазового перехода (плавления) ТАМ, Дж/кг.

В качестве ТАМ используют парафин (Тпл = 47 °C, r = 209 кДж/кг), глауберову соль (Тпл = 32 °C, r = 251 кДж/кг) и другие вещества.

При разрядке аккумулятора теплота от теплоаккумулирующего мате­риала отводится теплоносителем (водой), циркулирующей по змеевику, установленному в аккумуляторе и связанному соответствующими трубо­проводами с потребителями тепловой энергии - системой отопления, вен­тиляции или горячего водоснабжения.

В аккумуляторах с легкоплавким ТАМ возможно применение одного теплообменника путем поочередного его присоединения к КСЭ или двух теплообменников, из которых один предназначен только для зарядки акку­мулятора, а другой только его разрядки. Аккумулятор с легкоплавким ТАМ, при одном и том же объеме, поглощает в 5 - 10 раз теплоты больше, чем аккумулятор с неплавящимся веществом.