Энергетические установки, использующие низкотемпературные источники энергии. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Грунтовые теплообменники в вертикальных скважинах в последние 10-15 лет широко применяются в качестве низкотемпературного источника тепла для систем отопления и горячего водоснабжения с использованием тепловых насосов. Этот экологически чистый источник тепла достаточно часто используется, например, в Швейцарии, где в настоящее время эксплуатируется около четырех тысяч таких установок.

Алтайским региональным центром нетрадиционной энергетики и энергосбережения были проведены исследования вопросов взаимного влияния вертикального грунтового теплообменника и теплового насоса. За основу была взята автоматизированная теплонасосная установка АТНУ-10 (рабочая жидкость - R22), разработанная АК "ИНСОЛАР" в рамках Государственной научно-технической программы России "Экологически чистая энергетика" и выпускаемая предприятием "ЭКОМАШ" (г. Саратов). В систему также включен вертикальный грунтовой теплообменник в скважине глубиной не более 100 м (как показали гидрогеологические исследования, 67% населения Алтайского края проживает на территории где глубина залегания первого водоносного горизонта меньше 30 м). Базовая температура грунта принята равной 280 К, что соответствует средней оценке температур на глубине более 5 м для условий Алтайского края.

Автоматизированная система управления теплового насоса типа АТНУ рассчитана таким образом, чтобы он работал при оптимальных условиях с постоянным значением теплового потока, определяемым тепловым потоком от первичного теплоисточника, входной температурой высокотемпературного контура и массовой скоростью теплоносителя высокотемпературного контура. При снижении требуемой тепловой нагрузки должно происходить отключение теплового насоса до восстановления заданной температуры. Если мощность грунтового теплообменника недостаточна для покрытия теплопотерь в высокотемпературном контуре, должен включаться пиковый доводчик.

Результаты, показали, что извлекаемая из грунта тепловая энергия линейно зависит от логарифма рабочей длины теплообменника. При этих условиях (фильтрационная скорость 10 м/сут) для получения из грунта 5-6 кВт тепловой мощности необходимая глубина теплообменника составит 50-60 м. Конструктивные особенности АТНУ требуют определенных условий для расхода теплоносителя высокотемпературного контура. Минимальный расход теплоносителя в контуре отопления должен составлять 0,3 кг/с (1 м3/ч). При меньших объемах в системе начнется накопление тепла и, как показали испытания на натурной установке, это приведет к повышению температуры и давления хладона, ухудшению работы испарителя и уменьшению съема тепла в грунтовом теплообменнике. И хотя при этом температура теплоносителя высокотемпературного контура повышается, эффективность работы всей схемы, определяемая отопительным коэффициентом, падает.

Большой интерес к использованию грунта в качестве источника тепла проявляется в Европе. Конструкция испарителя предлагается в форме серпантина из трубок диаметром около 25 мм, уложенных на постоянной глубине на площади в несколько сотен квадратных метров. С целью уменьшения капитальных затрат трубки располагаются как можно ближе к поверхности.

Изучение грунта как источника тепла, поведенное в Европе показало, что тепловой поток к испарителю из грунта составляет 20-25 Вт/м, минимальное значение для Европы составляет 10 Вт/м, максимальное 50-60 Вт/м.

Оптимальная глубина и шаг размещения трубок составляют соответственно 1,5 и 2 м. В некоторых случаях из-за взаимного влияния предел 2 м расширяется. Трубки можно размещать на меньшей глубине, но при этом производительность теплового насоса может снижаться на 5% на каждый градус понижения температуры испарителя.

Помимо варианта испарения непосредственно хладоагента можно использовать промежуточный теплоноситель - рассол, циркулирующий по трубкам в грунте и отдающий тепло хладоагенту в специальном теплообменнике. Средняя температура рассола зимой составляет -3°C.

Если содержание воды в почве велико, показатели повышаются благодаря увеличению теплопроводности и хорошему контакту с трубками. Большая концентрация в почве гравия вызывает ухудшение характеристик.

В Дании рассмотрена возможность применения не горизонтальных, а вертикальных трубок, которые можно использовать в режиме не только нагрева, но и охлаждения здания летом, когда применяется реверсивный тепловой насос.

Была обнаружена и такая интересная деталь. Минимум температуры грунта всегда выше, чем воздуха, и достигается двумя месяцами позднее, когда требуемая мощность отопления снижается.

Вертикальные трубки занимают меньше места и позволяют в некотором смысле использовать тепло, аккумулированное в летние месяцы, что дает им экономические преимущества. Исследования вертикальных U-образных трубок показали возможность значительного извлечения тепла. Горизонтальный испаритель с площади 150-200 м позволяет получить 12 кВт тепла. U-образные трубки, размещенные в скважинах диаметром 127 мм и глубиной 8 м, позволили получить 12 кВт только из двух скважин. Отсюда видно, что U-образные трубки снижают требуемую поверхность грунта в 10-20 раз по сравнению с горизонтальными.

Несмотря на сравнительную дешевизну отечественных тепловых насосов по сравнению с зарубежными при современном слабом финансовом положении предприятий, внедрение тепловых насосов встречает определенные трудности. Не последнюю роль играет большая новизна и непривычность этой техники для наших потребителей. Эти проблемы преодолевались за рубежом путем предоставления в течение нескольких лет льгот предприятиям, внедряющим теплонасосные установки. В большинстве стран Западной Европы на прибыль, получаемую от применения тепловых насосов, устанавливался меньший налог, а в некоторых странах делались прямые финансовые дотации. Так, в Австрии фирмам, использующим тепловые насосы, установлена финансовая дотация до 100 тыс. шиллингов, а ФРГ в начале 90-х годов таким фирмам предоставлялось право на налоговую скидку, доходящую до 7,5% капитальных затрат (при условии их капитализации), что равноценно финансовой дотации в размере до 20% затрат на теплонасосные установки. В итоге в Австрии сейчас работает 105 тыс. ТНС, дающих ежегодную экономию 116 тыс. т мазута.

Кроме использования тепла грунта наиболее привлекательным для использования в домашних приложениях теплового насоса является "бесплатный" источник тепла для создания комфортных условий внутри дома - воздух. Он общедоступен и привлек наибольшее внимание в массовом производстве. В тех случаях, когда доступна вода, она имеет несколько преимуществ по сравнению с воздухом. Активно исследуется использование сбросного тепла или солнечных коллекторов, к которым проявляется интерес и в Европе и в Америке.

Наибольшее распространение получили тепловые насосы с воздухом в качестве источника тепла с самого начала их применения в домашних условиях. В основном воздух же является и тепловым стоком. Как источник тепла воздух обладает рядом недостатков, поэтому требуется тщательная оптимизация конструкции в зависимости от места установки, где температура воздуха может быть существенно различной.

Характеристики теплового насоса и в особенности КОП уменьшаются по мере увеличения разности температур испарителя и конденсатора. Это оказывает особенно неблагоприятное влияние нa тепловые насосы с воздушным источником тепла. По мере снижения температуры окружающего воздуха требуемое количество тепла для отопления повышается, но способность теплового насоса поддерживать даже постоянную тепловую мощность существенное снижается. Для преодоления этого недостатка часто применяется дополнительный нагрев.

Для условий Англии и большинства стран Европы стоимость теплового насоса с любым источником тепла заметно выше, чем обычной центральной котельной. Чем большую долю покрывает тепловой насос в домашней тепловой нагрузке, тем выше разница в капиталовложениях, поэтому тепловые насосы, как правило, рассчитываются лишь на часть годовой тепловой нагрузки, а оставшуюся часть дает дополнительный нагреватель, чаше всего электрический (в США) и на органическом топливе (в Европе). Выбор между ними определяется соотношением капитальных и эксплуатационных затрат. Если тепловой насос обеспечивает и воздушное кондиционирование летом, его размеры и мощность могут диктоваться именно этим применением.

Дополнительный нагрев требуется, когда температура окружающего воздуха упадет ниже нуля, при этом тепловые потери здания превосходят тепловую мощность насоса. Для повышения экономической эффективности системы включение дополнительного нагревателя, в данном случае электрического, рекомендуется только тогда, когда тепловой насос не может покрыть полную нагрузку.

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 с помощью солнечных концентраторов. Хотя солнечные концентраторы, по-видимому, более пригодны для абсорбционных тепловых насосов. Они еще мало применяются вдомашних условиях, но 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 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 интерес и для тепловых насосов как источник 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, где хладоагент испаряется непосредственно внутри трубок солнечного коллектора.

Часто тепло от солнечного коллектора подается в жидкостный тепловой аккумулятор, куда погружены трубки испарителя. Тепловой аккумулятор играет существенную роль в любой солнечной теплонасосной системе. В доме фирмы Филлипс, например, солнечный коллектор (20м2) собирает в год 36-44 ГДж тепла (при среднем КПД 50%), сохраняемого в баке 40 м3 при температуре до 95°C.

Была предложена схема дома с минимальным потреблением энергии, использующим 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.

Солнечные коллекторы рассматривают также в сочетании с грунтовыми. Установлено, что размеры солнечного коллектора должны быть больше 3 м2 на 1кВт потерь тепла жилищем. При солнечном коллекторе площадью 30м3 с грунтовым испарителем, занимающим только 100 м, достигается КОП=3,4. Если же использовать только грунтовый испаритель, то требуется поверхность 300 м, и при этом получается КОП=2,7.

Тем не менее, может оказаться, что несмотря на повышение КОП, экономия топлива может не окупить стоимость установки, особенно солнечного коллектора. Другие работы в этой области показывают, что при тепловой мощности ТНУ 6 кВт требуется поверхность 20м2.

Кроме того, ТНУ может использовать тепловые сбросы самого жилья, например, уходящие газы из кухонных печей или вообще из кухни, сбросную воду. В Голландии ТН был применен для домашней сушилки посуды. Тепло выбрасываемого влажного воздуха используется для подогрева сухого, подаваемого в сушилку. Теплый влажный воздух из сушилки проходит в испаритель ТН и охлаждается. При охлаждении из него выпадает влага, и воздух становится пригодным для рециркуляции. В испарителе используется как явная, так и скрытая теплота уходящего воздуха. Рециркулирующий воздух проходит сквозь конденсатор и нагревается теплотой конденсации. Экономия энергии достигает около 48%. Далее приведены некоторые характеристики ТНУ, широко применяющихся за рубежом.

Табл. 2.1.2. Характеристики ТН-установки "Carrier" (США) - простой реверсивный тепловой насос воздух-воздух.

Характеристики ТН фирмы "Lennox", комбинируются с огневой системой отопления, что исключает систему дополнительного нагрева. Табл. 2.1.3.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Хорошо управляемые луга могут компенсировать выбросы от скота 15.02.2026

Животноводство, особенно разведение крупного рогатого скота, часто обвиняют в значительном вкладе в глобальное потепление из-за мощного парникового газа - метана, который выделяется при пищеварении у жвачных животных. Это вызывает острые политические споры и призывы к сокращению потребления мяса. Однако ученые напоминают, что полная картина климатического воздействия отрасли не ограничивается только выбросами от животных: огромную роль играет окружающая экосистема - пастбища, почва и растительность, которые способны активно поглощать углекислый газ из атмосферы. Исследователи из Университета Небраски-Линкольна решили глубже изучить этот баланс. Группа под руководством профессора Галена Эриксона сосредоточилась на том, как правильно организованные пастбища накапливают углерод в растениях и грунте благодаря естественным процессам, стимулируемым выпасом скота. Ученые подчеркивают, что при достаточном уровне осадков и грамотном управлении такие луга превращаются в мощные природные погло ...>>

NASA тестирует инновационную технологию крыла 15.02.2026

Коммерческая авиация ежегодно расходует колоссальные объемы керосина, что сказывается не только на бюджете авиакомпаний, но и на состоянии окружающей среды. В 2024 году глобальные затраты на авиационное топливо достигли 291 миллиарда долларов, и эта сумма продолжает расти. Чтобы справиться с этими вызовами, NASA активно работает над технологиями, способными заметно повысить аэродинамическую эффективность самолетов. Одним из самых перспективных направлений стало создание специальной конструкции крыла, которая максимизирует естественный ламинарный поток воздуха и минимизирует сопротивление. В январе 2026 года специалисты NASA Armstrong Flight Research Center успешно провели важный этап наземных испытаний концепции Crossflow Attenuated Natural Laminar Flow (CATNLF). Для эксперимента под фюзеляж исследовательского самолета F-15B закрепили вертикально ориентированную масштабную модель высотой около 0,9 м (3 фута), напоминающую узкий киль. Такая компоновка позволила подвергнуть прототип р ...>>

Забота о внуках очень полезна для здоровья мозга 14.02.2026

Общение между поколениями приносит радость всей семье, но мало кто задумывается, насколько активно бабушки и дедушки, заботящиеся о внуках, поддерживают свою умственную форму. Регулярное взаимодействие с детьми стимулирует мозг пожилых людей, помогая сохранять память, скорость мышления и общую когнитивную активность. Новые научные данные подтверждают, что такая добровольная помощь не только важна для общества, но и может замедлять возрастные изменения в мозге. Исследователи из Тилбургского университета в Нидерландах провели анализ, чтобы понять, приносит ли уход за внуками реальную пользу здоровью пожилых людей. Ведущий автор работы Флавия Черечес отметила, что многие бабушки и дедушки регулярно присматривают за детьми, и оставался открытым вопрос, насколько это положительно сказывается на их собственном благополучии, особенно в плане когнитивных функций. Ученые поставили цель выяснить, способен ли регулярный уход за внуками замедлить снижение памяти и других умственных способ ...>>

Случайная новость из Архива Ген красных перьев 25.05.2016 Ученые из Медицинской школы Университета Вашингтона в Сент-Луисе (США) открыли ген, который отвечает за красный цвет оперения самцов красных канареек, что привлекает к ним самок. Известно, что у многих птиц красный цвет оперения самцов служит для привлечения самок - чем краснее самец, тем он успешнее. Однако почему именно красный цвет приводит к успешному размножению птиц, никто толком не знает, пояснил пресс-службе вуза соавтор работы Джозеф Корбо (Joseph Corbo), доцент в Вашингтонском университете. В надежде ответить на этот вопрос, Корбо с коллегами из Португалии решил выяснить, как у птиц получается красный цвет оперения. Желтый и красный цвет перьев образуется с помощью органических пигментов - каротиноидов. Желтые каротиноиды птицы получают с питанием. Но вот откуда берется красный пигмент, оставалось неясным. Ученые решили взять для изучения красную канарейку. Этих птиц вывели в начале XX века, скрестив дикую южноамериканскую птицу - красного чижа - и обычную желтую канарейку. Заводчики отбирали наиболее красное потомство и снова скрещивали его с желтыми канарейками. Через несколько поколений получилась канарейка красного цвета. Авторы исследования полагали, что после стольких скрещиваний ДНК желтой канарейкой почти полностью перейдет в ДНК красной канарейки за исключением связанного с окраской участка. Этот участок наследовался бы от красного чижа. А когда ученые сравнили геномы трех птиц - красного чижа, желтой и красной канареек - то нашли различия в двух участках генома. Один участок содержал ген CYP2J19, производящий фермент, который, как считают, превращает желтый каротиноид в красный. Ученые показали, что этот ген работает в коже красной канарейки, а в коже желтой не работает, хотя он там есть. Другой участок содержал ген, вовлеченный в рост перьев и кожи. Как взаимодействуют оба участка ДНК, пока неясно. У красного чижа и желтой канарейки тоже есть ген CYP2J19, но важно, в каком месте тела он срабатывает. У желтой канарейки ген включается только в глазах, там он образует красные молекулы, которые действуют как световой фильтр и помогают птицам увидеть цвет. У красных птиц он включается в коже, перьях и печени в дополнении к глазам. Вообще, ген CYP2J19 распространен у многих птиц, но не у всех срабатывает в коже. Ученые планируют теперь определить те участки ДНК, которые ответственны за включение гена CYP2J19 в коже красных птиц, а не в коже желтых. Для этого им понадобится редкий экземпляр кардинала с желтым оперением.

Другие интересные новости:

▪ Отопление солью

▪ Новые синхронные DC/DC-преобразователи напряжения

▪ Лушее время для крепкого сна

▪ Новый маршрутизатор для сетей связи DS33Z41

▪ У Земли есть еще один спутник

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Часы, таймеры, реле, коммутаторы нагрузки. Подборка статей

▪ статья Я царь или не царь? Крылатое выражение

▪ статья Какой из химических элементов является самым плотным? Подробный ответ

▪ статья Трихозант. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Электроакупунктурный стимулятор для профессионалов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Мощный стабилизированный преобразователь постоянного напряжения для питания сетевой аппаратуры. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026