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:

Лабораторная модель прогнозирования землетрясений 30.11.2025

Предсказание землетрясений остается одной из самых сложных задач геофизики. Несмотря на развитие сейсмологии, ученые все еще не могут точно определить момент начала разрушительного движения разломов. Недавние эксперименты американских исследователей открывают новые горизонты: впервые удалось наблюдать микроскопические изменения в контактной зоне разломов, которые предшествуют землетрясению. Группа под руководством Сильвена Барбота обнаружила, что "реальная площадь контакта" - участки, где поверхности разлома действительно соприкасаются - изменяется за миллисекунды до высвобождения накопленной энергии. "Мы открыли окно в сердце механики землетрясений", - отмечает Барбот. Эти изменения позволяют фиксировать этапы зарождения сейсмического события еще до появления традиционных сейсмических волн. Для наблюдений ученые использовали прозрачные акриловые материалы, через которые можно было отслеживать световые изменения в зоне контакта. В ходе искусственного моделирования примерно 30% ко ...>>

Музыка как естественный анальгетик 30.11.2025

Ученые все активнее исследуют немедикаментозные способы облегчения боли. Одним из перспективных направлений становится использование музыки, которая способна воздействовать на эмоциональное состояние и когнитивное восприятие боли. Новое исследование международной группы специалистов демонстрирует, что даже кратковременное прослушивание любимых композиций может значительно снижать болевые ощущения у пациентов с острой болью в спине. В эксперименте участвовали пациенты, обратившиеся за помощью в отделение неотложной помощи с выраженной болью в спине. Им предлагалось на протяжении десяти минут слушать свои любимые музыкальные треки. Уже после этой короткой сессии врачи фиксировали заметное уменьшение интенсивности боли как в состоянии покоя, так и при движениях. Авторы исследования подчеркивают, что музыка не устраняет саму причину боли. Тем не менее, она воздействует на эмоциональный фон пациента, снижает уровень тревожности и отвлекает внимание, что в сумме приводит к субъективном ...>>

Алкоголь может привести к слобоумию 29.11.2025

Проблема влияния алкоголя на стареющий мозг давно вызывает интерес как у врачей, так и у исследователей когнитивного старения. В последние годы стало очевидно, что границы "безопасного" употребления спиртного размываются, и новое крупное исследование, проведенное международной группой ученых, вновь указывает на это. Работы Оксфордского университета, выполненные совместно с исследователями из Йельского и Кембриджского университетов, показывают: даже небольшие дозы алкоголя способны ускорять когнитивный спад. Команда проанализировала данные более чем 500 тысяч участников из британского биобанка и американской Программы миллионов ветеранов. Дополнительно был выполнен метаанализ сорока пяти исследований, в общей сложности включавших сведения о 2,4 миллиона человек. Такой масштаб позволил оценить не только прямую связь между употреблением спиртного и развитием деменции, но и влияние генетической предрасположенности. Один из наиболее тревожных результатов касается людей с повышенным ге ...>>

Случайная новость из Архива Мгновенная зарядка аккумуляторов 31.07.2013 Американская автомобильная компания Tesla Motors, специализирующаяся на выпуске электромобилей, знает способ уменьшить время зарядки аккумулятора электромобиля до 5 минут. Об этом изданию Technology Review рассказал главный технический директор Tesla Motors Джей Би Штробель (JB Straubel). В сентябре 2012 г. Tesla Motors представила станции зарядки Tesla Superchargers, предназначенные для зарядки Model S и более новых моделей электромобилей и позволяющие заряжать аккумулятор наполовину за 30 минут. К маю 2013 г. компании удалось сократить это время до 20 минут. Теперь Штробель утверждает, что и это время можно значительно уменьшить. Новый метод никак не связан с процедурой замены разряженного аккумулятора новой заряженной батареей. Такой метод "заправки" компания представила в прошлом месяце, считая, что владельцу электромобиля будет проще поменять аккумулятор, чем ждать, пока он зарядится. Однако проблема заключается не только в ожидании, дело в том, что аккумуляторы, которыми Tesla Motors оснащает свои машины, обладают втрое большей емкостью по сравнению с конкурентами. Для того чтобы освоить метод зарядки за 5 минут, необходимо провести целый комплекс мероприятий. И возможно это будет, прежде всего, благодаря тому, что Tesla Motors самостоятельно занимается разработкой всех необходимых технологий и оборудования для подзарядки электромобилей. Во-первых, необходимо будет увеличить мощность зарядных станций Tesla Motors. Сейчас наиболее распространенным скоростным стандартом подзарядки является японский CHAdeMO. Станция мощностью 50-100 кВт позволяет зарядить аккумулятор электромобиля на 80% за 15-30 минут. В октябре 2012 г. был разработан еще один стандарт - его автором стала организация SAE International. Он подразумевает использование мощности 100 кВт. Мощность же станций Tesla Superchargers составляет 120 кВт, а сокращение времени зарядки аккумуляторов заставит еще более увеличить эту мощность. Помимо этого, необходимо будет изменить конструкцию зарядок. Так, например, сейчас преобразование переменного тока в постоянный для зарядки аккумулятора выполняется выпрямителями, расположенными в машине. При супербыстрой зарядке выпрямители необходимо располагать снаружи, на самой станции. Ускоренная зарядка может привести к перегреву батареи, поэтому необходимо разработать систему мониторинга температуры и напряжения батареи, которая сможет защитить ее от перегрева за счет автоматического регулирования параметров зарядки. "Для того чтобы заряжать батарею настолько быстро, нужно, чтобы все компоненты работали в идеальной гармонии", - прокомментировал Штробель. Наконец, высокая мощность зарядных станций заставит компанию оснастить их дополнительными источниками энергии - солнечными батареями и ветряными генераторами. Первую такую станцию - которая позволит заряжать аккумуляторы электромобилей за 5 минут - Tesla Motors планирует опробовать в ближайшее время в Калифорнии.

Другие интересные новости:

▪ Травяная бумага

▪ DC-DC-преобразователь EL7566

▪ Самые точные оптические часы

▪ Вышивание электронов ионом

▪ Почтовый ящик убивает микробов

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Зарядные устройства, аккумуляторы, батарейки. Подборка статей

▪ статья Человек с ружьем. Крылатое выражение

▪ статья Какие птицы помогают людям искать мед и почему? Подробный ответ

▪ статья Фундук. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Что же зря-то шумите на до мною, березы? Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Эстонские пословицы и поговорки. Большая подборка

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025