Тепловое аккумулиров ание энергии
Тепловые насосы
6.1.2. Общие соображения
Управление работой большинства современных тепловых насосов осуществляется операциями включения и выключения, т. е. такими же способами, как и в случае отопительных котельных агрегатов (разд. 6.2). При этом потери в тепловых насосах меньше, чем у отопительных котлов, так как температура на выходе из насоса ниже и только часть системы находится при выходной температуре; отсутствуют также потери с уходящими газами. Однако, для того чтобы тепловой насос вышел на расчетный режим, требуется некоторое время, в течение которого коэффициент использования тепла только медленно приближается к номинальной величине. Таким образом, потери при пуске и остановке тепловых насосов могут быть даже больше, чем для топок водогрейных котлов.
6.1.3. Буферное аккумулирование
Системы теплоснабжения часто обеспечиваются временными реле для снижения частоты включений. Тем не менее применение буферного аккумулирования в линии теплоснабжения целесообразно почти во всех случаях использования
|
Рис. 6.8. Буферный аккумулятор для теплового насоса [6.12]. / — воздушно-водяной тепловой насос; 2 — вспомогательный котел; 3 — буферный аккумулятор; 4 — аккумулятор горячей бытовой воды. |
тепловых насосов для жилых помещений с водой в качестве теплоносителя [6.11].
Для воздухо-воздушных тепловых насосов низкая частота включения может быть достигнута только при сравнительно большой разности между входной и выходной температурами или путем регулирования производительности.
Обычно применяются буферные аккумуляторы вытеснительного типа (рис. 6.8) с целью уменьшения эксергетических потерь на смешение, которые ухудшают коэффициент использования тепла увеличением выходной температуры теплового насоса при заданной температуре теплоснабжения. В случае перерывов в электроснабжении теплового насоса с электроприводом буферный аккумулятор перекроет во время пиковой нагрузки этот провал так же, как это делается в случае электрических котлов.
Регулирование скорости тепловых насосов с электроприводом сейчас обходится довольно дорого, но для тепловых насосов с дизельным или газовым двигателем оно значительно дешевле [6.13]. С другой стороны, регулирование скорости возможно только в определенном интервале, а потери при пусках и остановах тепловых насосов с приводом от двигателя внутреннего сгорания даже выше, чем в случае электропривода, вследствие значительных потерь в двигателе помимо потерь в системе самого теплового насоса. Таким образом, буферное аккумулирование может быть даже полезно для тепловых насосов с регулируемыми рабочими характеристиками.
Буферное аккумулирование применяется в системах производства горячей бытовой воды с помощью тепловых насосов не только для снижения частоты включений, но и для
|
а 6 Рис. 6.9. Воздушно-водяной тепловой насос для производства горячей бытовой воды [6.14]. а — блочная установка; 6 — тепловой насоо о раздельными агрегатами / — вентилятор; 2 — компрессор; 3 — испаритель; 4 — дроссель; 5 — конденсатор; в — аккумулятор горячей воды; 7 — линия подачи горячей бытовой воды; < — подача холодной воды. |
снижения проектной мощности теплового насоса, который в противном случае должен быть рассчитан на высокое пиковое потребление [6.13].
Теплопередача от рабочей среды к аккумулятору может быть прямой или косвенной (рис. 6.9,а, б).
6.1.4. Низкотемпературное аккумулирование
с использованием теплоты фазового перехода
При работе тепловых насосов систем ТАЭ, в которых используется солнечный подогрев или подвод тепла от окружающего воздуха, может возникнуть необходимость в дополнительном кратковременном аккумуляторе на низкотемпературной (источник тепла) стороне [6.15].
Аккумулирование с использованием тепла фазового перехода (замораживание воды при О °С) является очень эффективным методом низкотемпературного аккумулирования. Были разработаны различные системы аккумулирования с замораживанием воды, и сейчас они применяются во многих странах [6.12]. Однако аккумулирование энергии посредством льда особенно выгодно в климатических зонах, где нагрузки на охлаждение в летнее время сравнимы с нагрузками на обогрев в зимнее, что допускает годовое циклирова-
|
Рис. 6.10. Упрощенная схема энергетического аккумулятора с годовым циклом [6.16]. / — коллектор; 2 — охладитель; 3 — кондиционирование; 4 — компрессор; 5 — конденсатор; 6 — испаритель; 7 — внутренний змеевик; 8 — горячая вода; 9 — резервуар для льда; /0 —холодная вода; //—бак горячей воды. |
ние, т. е. эффективное двойное использование системы теплового аккумулирования.
На рис. 6.10 показана разработанная в США энергетическая система с годовым циклом |6.16). Тепловой. насос снабжает теплом дом от водяного резервуара емкостью 70 м3. Зимой вода замерзает и аккумулирует холод, служащий для целей охлаждения летом. После того как весь лед растает, тепловой насос работает в ночное время, отводя тепло через наружный теплообменник (змеевик), и намораживает лед для потребностей следующего дня. В этом режиме аккумулятор работает как кратковременный аккумулятор холода. В местностях с холодным климатом, где потребности в тепле превышают потребности в охлаждении, для системы ТАЭ необходим дополнительный источник тепла, например в виде простых солнечных панелей, работающих при низкой температуре.
Горячая вода для домашних нужд производится в охладителе пара, выходящего из компрессора системы. С помощью такого устройства можно обеспечить температуру воды, превышающую температуру конденсации охладителя. Эксперименты показали, что годовая экономия электроэнергии при использовании описываемой системы достигает 50 % по сравнению с системой обогрева электрическим током зимой и электрического кондиционирования летом.
Рис. 6.11. Вертикальный грунтовой теплообменник для аккумулирования энергии в подпочвенном слое с тепловой подзарядкой от воздушного теплообменника [6.17].
|
|
І — радиатор; 2 — воздушный теплообменник; 3 — тепловой насос.
6.1.5. Низкотемпературное подпочвенное аккумулирование
Другим средством низкотемпературного теплового аккумулирования могут служить подпочвенные теплообменники. Неглубоко закопанные в землю горизонтальные трубы являются простейшими аккумуляторами такого типа, но для них характерны значительные тепловые потери.
Вертикальные теплообменники (рис. 6.11) обеспечивают еще большее аккумулирование при значительно меньшей занимаемой площади и с меньшими перемещениями грунта (что важно в условиях плотной городской застройки). Однако небольшой прямой теплообмен с окружающей средой и окружающим подпочвенным слоем все же существует, и поэтому есть необходимость подзарядки такого аккумулятора в летнее время солнечной энергией или тепловой энергией из окружающего воздуха, если нет грунтовых вод для подзарядки [1.32].
6.1.6. Аккумулирование энергии, основанное на разности концентраций
На рис. 6.12 показана схема использования низкотемпературного подпочвенного термоаккумулятора и пульсирующего полузакрытого теплового насоса с сухой абсорбцией и с тепловым аккумулированием, основанным на разности концентраций, а не на разности температур (т. е. осуществляемым при комнатной температуре). Вода используется в качестве рабочего тела, Na2S — в качестве абсорбента (7000 кг
|
Рис. 6.12. Низкотемпературный аккумулятор с абсобционным тепловым на* сосом (энергоаккумулирующая система «Тепидус», Швеция) для дома на одну семью [6.18]. -я 1 — солнечный коллектор; 2 — резервный источник тепла; 8 — бытовая вода; 1 — радиатор; 5 — насос; о —тепловой аккумулятор (NiiS); Т — редуктор давления; 8 — контрольно-измерительное устройство; 9 — грунтовой теплообменник; 10 — водяной бак о конденсатором н испарителем. |
Na2S аккумулируют примерно 7000 кВт-ч). Солнечная энергия от коллекторов площадью 40 м2 используется в качестве высокотемпературного (45—100 °С) источника тепла, а почва— в качестве низкотемпературного источника тепла. Температура подаваемого теплоносителя 50—60 °С, мощность зарядки 20 кВт, мощность разрядки 10 кВт.
В качестве альтернативного варианта. системы, заряжаемой при помощи солнечной энергии, были предложены передвижные аккумулирующие агрегаты описанного типа для передачи тепла к источнику отработанного промышленного тепла или от него [6.18].
