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. Тип отопления Степень использования первичной энергии Электрическое отопление Сп=л. л„ = 0,28×1,0=0,28 Котлоагрегат с нагревом городским газом С„=Лг, 0,4×0,76=0,35 Котлоагрегат с угольной топкой Ти= С„=0.56 Модернизированный котлоагрегат с угольной топкой Ч„„= С„=0,65 Тепловой насос с питанием электрической энергией С=ЮП„ = 3×0,3=0,9

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