Продвижение прогрессивных систем энергосбережения в Украине в сегменте (ТН) тепловых насосов (стр. 3 из 17)
Основным достоинством данной системы является полная автономность и практически троекратная надежность, т.е. даже при выходе из строя любого из узлов, система компенсирует потери за счет перераспределения нагрузок в других узлах.
Совместная работа основных узлов позволяет более полно использовать возможности каждого из них и практически полностью исключить влияние неблагоприятных погодных условий и пиковых режимов (день - ночь и т.п.).
Основные элементы системы отопления включают в себя:
- аккумулятор тепла;
- отопительные приборы ("теплые полы");
- управляемый трехходовой вентиль;
- теплообменный аппарат;
- циркуляционный насос;
- датчик температуры теплоносителя.
Работа системы отопления определяется условиями эксплуатации и зависит от времени года. Можно выделить два основных режима: летний и зимний.
Летний период (отопление отключено).
В данном режиме работы отключаются отопительные приборы ("теплые полы") и система входит в режим накопления тепловой энергии, который в свою очередь определяется целым рядом дополнительных параметров. В дневное время суток основным источником энергии для нагрева аккумулятора тепла служит солнечный коллектор, а при работающем ветрогенера-торе дополнительным источником становится тепловой насос. Если температура в аккумуля-торе ниже 60?С, включается насос, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя аккумулятора через теплообменный аппарат в котором расположена часть конденсатора теплового насоса, что и обеспечивает нагрев. При отсутствии солнца или в ночное время этот режим становится ос-новным. Все процессы в системе отопления регулируются автоматической системой управле-ния.
Отопительный сезон.
Переход системы отопления в основной режим заключается в подключении отопитель-ных приборов и циркуляции теплоносителя между аккумулятором и отопительными прибора-ми. Температура на входе отопительных приборов устанавливается в определенной зависи-мости от температуры наружного воздуха и контролируется датчиком температуры. Регули-ровку и поддержание необходимой температуры обеспечивает трехходовой регулирующий вентиль, управляемый АСУ , путем подмешивания теплоносителя из обратного коллектора на вход системы. При работающем тепловом насосе поступление теплоносителя из аккумулятора полностью прекращается, что позволяет сэкономить значительное количество энергии запасен-ной в аккумуляторе.
Тепловой насос:
- Тепловой насос является основным компонентом данной автономной системы энерго-снабжения и задействован практически во всех режимах. Его высокая эффективность позволяет наиболее рационально использовать излишки вырабатываемой ветрогенератором энергии и в сочетании с дешевой солнечной энергией обеспечивает полную автономность энергообеспече-ния здания.
Одним из основных режимов работы теплового насоса - приготовление горячей воды. Днем, при включении источником тепла становится солнечный коллектор, что существенно по-вышает эффективность процесса приготовления горячей воды.
Так как основное потребление горячей воды связано, как правило, с приемом ванны или душа, то в системе предусмотрен утилизатор тепла сточных вод ванной комнаты, который яв-ляется еще одним источником тепла при производстве горячей воды. До сброса в канализацию сточная вода попадает в утилизатор, где происходит отбор и возврат тепла, что позволяет зна-чительно снизить затраты на приготовления горячей воды.
В системе также предусмотрена принудительная система вентиляции с рекуперацией тепла.
При работающем ветрогенераторе основной нагрузкой теплового насоса является сис-тема отопления:
- летом производится нагрев теплового аккумулятора при условии, что температура теп-лоносителя в нем ниже 60oС;
- в отопительный период тепловой насос работает непосредственно на отопительные приборы, что позволяет существенно экономить запасы тепла аккумулятора.
Гелиосистема представляет собой замкнутый контур, в который помимо солнечного коллектора входит теплообменник, размещенный в тепловом аккумуляторе, циркуляционный насос и расширительный бак.
Основным источником электроэнергии является ветрогенераторная установка соответ-ствующей мощности, подключенная к сетевому регулятору, который обеспечивает всю систему необходимой энергией и осуществляет постоянный контроль состояния аккумуляторных бата-рей. Регулятор контролирует степень разряда аккумуляторных батарей и в случае необходимос-ти направляет часть энергии на подзарядку батареи. В случае, когда вырабатываемой энергии недостаточно (например, недостаточная сила ветра), регулятор направляет в систему недоста-ющую энергию от аккумуляторной батареи через инвертор, который преобразует постоянное напряжение батареи в переменное с промышленной частотой и тем самым обеспечивает посто-янство потребляемой мощности.
Управление системой энергоснабжения здания полностью автоматизировано. Автомати-ческая система управления выполнена на базе компьютера с соответствующими интерфейсами и программным обеспечением и питается от отдельной аккумуляторной батареи, что сущест-венно повышает ее надежность. На вход АСУ в реальном масштабе времени поступают сигналы всех датчиков системы; полученная информация обрабатывается специальным программ-мным обеспечением, что и определяет дальнейшее поведения всех элементов системы.
Принцип работы теплового насоса вытекает из работ и описания цикла Карно, опухликованного в его диссертации в 1824 г. Практическую теплонасосную систему предложил Виль-ям Томсон (лорд Кельвин) в 1852 г. под названием "умножитель тепла". Она показывала, как холодильную машину эффективно использовать для отопления. Подобная машина была построена в Швейцарии. Томсон заявил, что его ТН способен давать необходимое тепло при ис-пользовании только 3% энергии, затрачиваемой на отопление [22].
Дальнейшее развитие теплонасосные установки получили только в 20-30-х годах двадца-того века, когда в Англии была создана первая установка для отопления и горячего водоснабже-ния с использованием тепла окружающего воздуха. Затем несколько демонстрационных устано-вок создали в США. Первую крупную теплонасосную установку в Европе ввели в действие в Цюрихе в 1938-1939 гг. В ней использовались тепло речной воды, ротационный компрессор и хладогент. Она обеспечивала отопление ратуши водой с температурой 60° С при мощности 175 кВт. Имелась система аккумулирования тепла с электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. Летом установка работала на охлаждение. С 1939 по 1945 гг. было создано ещё 9 подобных установок, чтобы сократить потребление угля, некоторые из них успешно проработа-ли более 30 лет [22].
Итак, в 1824 г. Карно впервые использовал термодинамический цикл для описания про-цесса, и этот цикл остаётся фундаментальной основой для сравнения с ним и оценки эффектив-ности ТН. Теплонасос требует затраты работы для получения тепла при низкой температуре и отдачи его при более высокой.
Тепловой насос — это термотрансформатор, преобразующий низкопотенциальную энер-гию окружающей среды, непригодную для использования в отопительных системах, в высоко-потенциальную, которая служит для отопления помещений и нагрева воды в системе ГВС. Ана-лог теплового насоса — холодильник — сегодня есть в каждом доме. В холодильной камере холодильник забирает тепло от продуктов питания, охлаждая их, и выбрасывает это тепло в окружающую среду через радиаторную решетку на задней стенке. А тепловой насос забирает тепло у окружающей среды и передает его в систему отопления. Британский физик Уильям Томсон,изобретатель теплового насоса, назвал его "умножителем тепла [25].
Рис.1.2. Принцип действия теплового насоса [25]
Схематично тепловой насос можно представить в виде рабочего контура, состоящего из четырех основных элементов, - испарителя, компрессора, конденсатора и сбросного клапана. К рабочему контуру примыкает первичный (внешний) контур, в котором циркулирует рабочее вещество (вода, антифриз или воздух), собирающее тепло окружающей среды, и вторичный – вода в системах отопления и горячего водоснабжения здания (рис.1.2).
Испаритель – пластинчатый теплообменник, где с одной стороны циркулирует холодный жидкий хладагент (вещество с низкой температурой кипения, обычно фреон), а с другой сторо-ны на противотоке циркулирует рабочее вещество первичного контура.
Первичный контур – это контур с низкопотенциальной тепловой энергией (энергия, температуры которой недостаточно для непосредственного нагрева отопительного контура). В качестве источника энергии первичного контура может быть использовано тепло грунта (грунтовые зонды с антифризом), грунтовых вод (две скважины: подающая и поглощающая), наружного воздуха и т.п.
В испарителе хладагент забирает тепло первичного контура, закипает и испаряется. Соответственно понижается температура выхода первичного контура.
Компрессор всасывает газообразный хладагент, сжимает его, резко повышая таким образом его температуру. Горячий газообразный хладагент выталкивается в конденсатор.
Конденсатор - по устройству такой же теплообменник, как и испаритель, где со стороны рабочего контура циркулирует горячий хладагент, а со стороны вторичного контура – вода или антифриз.
Горячий хладагент, вступая в тепловой контакт с теплоносителем системы отопления или водой из системы горячего водоснабжения (ГВС), конденсируется, передавая свое тепло системе отопления или ГВС. При этом жидкий фреон стекает на дно конденсатора, откуда за счет перепада давлений продавливается через сбросной клапан в испаритель. Температура его при этом резко понижается. После этого рабочий цикл начинается сначала.