Применение термотрансформаторов (тепловых насосов) в автономных системах отопления и кондиционирования
Система холодообеспечения автономных систем кондиционирования воздуха характеризуется тем, что теплота конденсации хладагента в холодильных машинах отводится в окружающую среду и, следовательно, безвозвратно теряется. В то же время использование теплоты конденсации хладагента для обогрева полов, воздуха в современных системах кондиционирования воздуха получает все большее распространение
Предназначенное для выработки холода оборудование с полезным использованием теплоты конденсации хладагента по функциональному назначению можно разделить на три самостоятельные группы:
— теплонасосные холодильные установки;
— холодильные установки с аккумуляторами теплоты и холода;
— холодильные машины с устройствами для регенерации теплоты.
Основное назначение оборудования первой группы заключается в обеспечении теплом и холодом различных потребителей. Теплонасосные установки используются для нагрева промежуточных теплоносителей, как правило, воды и воздуха. С использованием нагретых теплоносителей решаются задачи отопления помещений, нагрева воды, использующейся в технологических целях, кондиционирования воздуха и т. д.
Особенность холодильных установок второй группы заключается в аккумулировании тепла (холода) с последующим использованием в целях сглаживания неравномерной по времени нагрузки на холодильные машины, оттаивания покрытых инеем испарителей и т. д.
Оборудование третьей группы содержит в качестве элементов конструкции регенеративные теплообменники. Применение таких теплообменников позволяет повысить коэффициент полезного действия холодильной машины, обеспечивает возможность регулирования холодопроизводительности, а также работоспособность холодильной машины в условиях пониженной температуры окружающей среды путем регулирования давления конденсации.
Холодильные установки комплектуют блоками утилизации тепла и холода с целью повышения экономичности работы На Рис. 26.1 показаны блоки утилизации теплоты и холода.
|
ВРТ |
А) б) в) г) |
То1 Т02 |
Д) у)
Рис. 26.1. Схемы блоков утилизации тепла и холода для систем кондиционирования воздуха
А) — с вращающимся регенеративным теплообменников ВРТ;
Б) — со стационарным рекуперативным теплообменником СРТ;
В) — с поверхностными аппаратами;
Г) — с оросительными аппаратами непосредственного контакта АНК;
Д) — с термосифонами или тепловыми трубами;
Е) с тепловым насосом
Н —■ насос, К — компрессор, РВ — регулирующий вентиль, Т01, Т02 — теплообменник.
В блоке (а) теплоту от удаляемого из системы вентиляции воздуха к поступающему потоку передает теплообменник. Теплообмен между потоками наружного и удаляемого воздуха в блоке (б) осуществляется через стенку, а в блоке (в) — с помощью циркулирующего промежуточного жидкого теплоносителя. Передача теплоты и массы в блоке (г) осуществляется за счет циркуляции рабочего раствора. В блоке (д) теплопередача происходит посредством применения промежуточного теплоносителя, претерпевающего фазовые превращения. В случае работы в цикле теплового насоса холодильная машина, блок (е) переносит тепловую энергию с энергетического уровня окружающей среды на более высокий энергетический уровень отапливаемого помещения.
Исходя из существующих ограничений и конкретных требований выбирают ту или иную схему утилизации тепла и холода.
У блоков, работающих по схемам (а), (б), (д), необходимо близкое расположение каналов притока и вытяжки вентиляционной системы. Схемы (в) и (г) допускают размещение теплообменников на значительном расстоянии. Схема (д) в этом случае имеет ограничения, обусловленные депрессией хладагента в соединительных трубопроводах, обязательной вертикальной ориентацией теплообменников термосифона.
При небольших разностях температур и автономной системе тепло — холодоснабже — ния рационально применение схем (а) и (б). Схема (в) наиболее проста и целесообразна
При необходимости организации децентрализованного тепло — холодоснабжения. Схема (д) становится рентабельной при значительных разностях температур холодного и горячего потоков воздуха.
Известно, что жилые и общегражданские здания и помещения являются потребителями тепловой энергии низкого потенциала, обычно не выше 90°С. По этой причине они являются очень удобными приемниками вторичных энергоресурсов. Как следует из рассмотренных примеров, потребности в теплоте на отопление зданий и технологическую воду, кондиционирование, мойку и стирку и т. п. практически полностью могут быть обеспечены теплотой конденсации эксплуатируемых холодильных машин.
Степень энергетического совершенства цикла холодильной машины характеризуется холодильным коэффициентом. Он представляет собой отношение количества теплоты, отведенной от источника низкой температуры, к затраченной в данном цикле работы:
|
(26.1)
Где:
Е — холодильный коэффициент;
С) — количество теплоты, отведенное от источника низкой температуры, кВт;
Ь — работа, затраченная в данном цикле;
Тк — температура охлаждения, К;
Тс — температура окружающей среды, К.
Энергетическую эффективность парокомпрессионного теплового насоса оценивают с помощью коэффициента преобразования, который представляет собой отношение теплопроизводительности к потребляемой приводной мощности. Теплопроизво — дительность (тепловая мощность) теплового насоса складывается из двух составляющих: теплоты, полученной испарителем от внешнего источника тепла, и приводной мощности, с помощью которой полученная тепловая энергия поднимается на более высокий температурный уровень:
|
(26.2)
Где:
Ф — коэффициент преобразования;
С)т — теплопроизводительность, кВт;
N — приводная мощность, кВт.
Если холодильная установка работает по теплофикационному циклу, то есть служит для выработки холода и тепла одновременно, то для энергетической оценки этот цикл рассматривают как два: цикл теплового насоса и цикл холодильной машины. При этом границей между циклами является температура окружающей среды Тс.
Работа по данному циклу энергетически более выгодна, чем холодильной машины и теплового насоса в отдельности.
При использовании холодильного процесса для одновременного производства тепла и холода обеспечиваются более высокие экономические характеристики оборудования. Применение холодильных установок и тепловых насосов может осуществляться с различным приоритетом в зависимости от основного назначения: преимущественная выработка холода, преимущественная выработка тепла, равноценная выработка холода и тепла. Наиболее интересным вариантом с позиций энергетического анализа является режим одновременно существующей потребности в охлаждении и отоплении. Оба потребителя могут быть соединены друг с другом посредством теплового насоса. На объектах с одновременным потреблением тепла и холода отпадает необходимость в дополнительных затратах на компрессорный агрегат, используемый в системе отопления.
В практике использования теплонасосных установок центральное место занимает вопрос об источниках тепла. Применение тепловых насосов всегда требует не только затрат энергии на привод, но и дополнительных источников тепла. Особый интерес как источник энергии представляет окружающая среда, под которой понимается локальная часть окружающего пространства. Энергетический уровень ее зависит от места и времени, источниками энергии служат почва, воздух, грунтовые и поверхностные воды. Температурное поле окружающей среды весьма неоднородно по причине дифференцированного распределения солнечной радиации по поверхности земли (годовые и суточные колебания облучения, атмосферные условия и т. п.). Тепловые насосы позволяют утилизировать энергию окружающего воздушного пространства, прежде всего на отопление. Однако более высокие значения коэффициента преобразования эффективно обеспечивают источники с относительно высоким температурным уровнем. Ими могут являться, например, грунтовые воды, сам грунт на определенной глубине. Так, в средней полосе грунт на глубине 11 м имеет постоянную температуру +9°С.
Системы, в которых тепло и холод потребляются в разное время, могут обслуживать как одного, так и несколько потребителей. Например, попеременное потребление тепла и холода имеет место при кондиционировании воздуха помещений. В этом варианте холодильная машина летом используется для охлаждения воздуха в помещениях, а в зимнее время — в системе отопления.
Энергетическая оценка теплового насоса возможна только с учетом коэффициента полезного действия устройств, для получения энергии. К первичным энергоносителям относят энергоносители, получаемые в установках, работающих на твердом или ядер — ном топливе, и не подверженные никаким энергетическим преобразованиям.
Под первичной энергией понимается энергия первичных энергоносителей. Коэффициент использования первичной энергии находят как отношение полезной энергии к подведенной первичной энергии. Полезной является энергия, которая поступает в распоряжение потребителя после последнего технического преобразования и используется для отопления.
Коэффициент использования первичной энергии компрессионным тепловым насосом с электрическим приводом определяют следующим образом:
С/> к ~ (26.3)
Коэффициент использования первичной энергии компрессионного теплового насоса 0,9 при холодильном коэффициенте е=3, коэффициенте полезного действия электростанции г|э= 0,3.
В таблице 26.1. приведены значения коэффициентов использования первичной энергии традиционных типов отопления.
Таблица 26.1.
|
Таким образом, система отопления с тепловым насосом лучше всех других видов отопления по расходу первичной энергии при эксплуатации. Необходимо отметить, что централизованное теплоснабжение значительно превосходит по энергетической эффективности тепловые насосы, поэтому применение тепловых насосов целесообразно главным образом в системах с децентрализованным теплоснабжением, коттеджах, индивидуальных бассейнах, спортзалах и т. п. Эксергетическая характеристика теплонасосной установки, увеличивается по сравнению с обычной установкой на 154%, так как большая часть энергии извлекается из окружающего пространства.
К отопительным установкам с тепловыми насосами необходимо подходить по иному, чем к обычным отопительным системам. Тепловые насосы подключаются в потоки энергии как внутри, так и вне здания. Из-за этого количество узлов и агрегатов значительно больше.
В комплекс установки должны входить источники теплоты, например колодезная вода, установки потребляющие холод и теплоту. Потребление холода может включать в себя камеры для хранения пищевых продуктов, камеры для хранения кожаной и меховой одежды, шерсти, кондиционеры. Установки, потребляющие тепло, включают в себя агрегат по транспортировке теплоносителя от горячей стороны теплового насоса к потребителям тепла: обогреватели полов, воздуха, воды. — „ . . ‘ , —
Все эти агрегаты объединяют в единый холодильно-нагревательный комплекс.
Тепловые насосы применяют в виде специально изготовленных комплексных агрегатов или собираются из отдельных узлов, требующих квалифицированного монтажа.
Тепловые насосы малой мощности. К ним относятся небольшие водоподогревате — ли, осушители воздуха, оконные кондиционеры, кондиционеры сплит-систем. Тепловая мощность таких приборов лежит в диапозоне от 1,5 до 5 кВт. Для специальных целей, например обогрева бытовок на стройплощадках, киосков, туристических домиков, такие теплонасосные агрегаты незаменимы с точки зрения безопасности эксплуатации. Обычно их применение ограничено температурой наружного воздуха -12°С.
Для приготовления технической воды служат тепловые насосы, включающие: холодильную машину, аккумулятор горячей воды со встроенным конденсатором холодильной машины, регулировочную и сантехническую арматуру. При температуре окружающей среды 10 — 15°С получают горячую воду с температурой 50°С. Емкость аккумулятора такого водоподогревателя составляет до 300 литров. Осушители воздуха применяются для производства ремонтных работ, осушки воздуха в бассейнах, водолечебницах и т. д. Конструкция осушителя воздуха очень проста. Тепловой насос монтируется на общей раме. Вентилятор прокачивает воздух через испаритель, где происходит его охлаждение и осушение, а затем омывает корпус компрессора и конденсатор, воздух подогревается и его относительная влажность составляет 10— 20%.
Для отопления жилых домов, небольших общественных зданий, торговых помещений, гостиниц, культурных центров, а также с целью обеспечения горячего водоснабжения применяют теплонасосные агрегаты теплопроизводительностью от 5 до 30 кВт. В зависимости от источника теплоты (воздух,- вода, грунт) и теплопотребителей (воздушное или водяное отопление) применяют системы с теплообменниками непосредственного кипения хладагента или системы чиллер-фанкойлы.
В качестве приводов тепловых насосов могут использоваться двигатели внутреннего сгорания. Соответственно двигатели могут использоваться всех типов. Сравнительные испытания тепловых насосов с газовым и дизельным двигателем при различных источниках теплоты (отработанный воздух, отработанная вода, грунтовый аккумулятор и т. п), проведенные на экспериментальном жилом доме на две семьи в Швейцарии, дали коэффициенты преобразования ^рот 2,43 до 1,25.
Использование тепловых насосов ограничено низкотемпературным уровнем тепловой сети. В этом случае рассматривают возможность использования бивалентных (комбинированных) систем отопления. При этом руководствуются следующими соображениями: из 27 5 дней отопительного сезона в году температура теплоносителя, равная 90 °С, требуется лишь в течение нескольких дней, в остальное время достаточно 45 °С.
Путем целесообразного разделения отопительной нагрузки и теплопроизводитель — ности на основную и пиковую расширяется возможность применения тепловых насосов. Определение возможности разделения производительности на пиковую и основную нагрузку является составной частью проектирования объектов, оснащаемых тепловыми насосами.
Posted in Системы вентиляции и кондиционирования