, (2.1)

де  - теплота, передана в конденсаторі;

 - робота стискування в компресорі від тиску  до ;

 - коефіцієнт корисної дії теплового потоку, який враховує втрати енергії і робочого агента в трубопроводах і обладнанні ТПУ;

 - електромеханічний коефіцієнт корисної дії двигуна і компресора;

 - коефіцієнт корисної дії джерела, яке виробляє додаткову електроенергію;

 - коефіцієнт корисної дії електричних ліній передач.

Для теплових насосів [17], що споживають електричну енергію, основною величиною, яка характеризує їх енергетичну ефективність є коефіцієнт перетворення  - відношення отриманого для обігріву тепла  до затраченої роботи :

. (2.2)

В більшості випадків теплові помпи використовують для опалення приміщення із значенням  в межах від 2 до 3. Це означає, що на кожну кілокалорію затраченої роботи з допомогою теплового насосу отримують 2 – 3 кілокалорії тепла при температурі необхідній для опалення. Коли тепловий насос повинен незначно підняти температуру теплоносія (наприклад, випарні установки), коефіцієнт перетворення збільшується до 10 і вище.

Теплові помпи – це складні технічні установки. Строк окупності теплового насосу незначний, він коливається від 2 до 3 років у залежності від конкретних умов. Треба також зазначити, що СПТ вимагають точного підрахунку низькотемпературного джерела енергії, визначення кількості тепла для корисного споживання і механічної енергії для роботи помпи. Низькотемпературним джерелом звично застосовують ґрунт прилеглої ділянки, а також зовнішнє повітря [6].

Помпи тепла на сучасному етапі є найдешевшим джерелом тепла для обігрівання приміщень і гарячого водопостачання, тепловий насос постачає у 3 – 5 разів більше енергії, ніж витрачає[6].

2.9.2 Область використання теплових насосів

В якості природного джерела тепла для зимового опалення ґрунт використовують все частіше ніж повітря та воду, хоча загальне число таких теплових насосів ще порівняно невелике.

Дослідження показали, що умови теплопередачі в ґрунті залежать головним чином від його вологості [10].

Дуже важливим є велика ємкість джерела тепла низького потенціалу. При малій ємності приходиться знижувати температуру кипіння речовини для отримання достатньої кількості тепла від теплоносія. При цьому температура теплоносія помітно змінюється в процесі теплообміну, в той час як температура кипіння лишається постійною низькою.

2.9.3 Конструктивна схема компресійного теплового насоса

Практика зарубіжних країн, а також наших регіонів показує, що найбільш ефективними є на сьогодні є компресійні теплові насоси [17].

Компресійний тепловий насос складається з послідовно розташованих постачального насоса, контуру теплоносія, випарника, компресора та конденсатора, приєднаного через дросель з випарником. Постачальний насос качає теплоносій із оточуючого середовища в випарник, в якому міститься холодоагент, холодоагент відбирає від теплоносія тепло та надходить до компресора, в якому за рахунок стиснення його температура підвищується до температури вище температури конденсації. З компресора холодоагент надходить до конденсатора, в якому за рахунок конденсації холодоагент, надходить через дросель, у якому він розширюється та охолоджується нижче температури оточуючого середовища, в випарник.

Компресійний тепловий насос включає в себе постачальний насос, контур теплоносія, випарник, компресор та конденсатор; виконаний у вигляді 2n секцій , де n- 1, 2, 3 ,..., кожна з котрих складається з поєднаних між собою камер випарника, компресора та конденсатора, в поршні компресора розташовані ( n) клапанів, причому камери випарника та конденсатора поєднані через введення між ними гідроагрегату. Так як камера випарника безпосередньо об'єднана з тим об'ємом камер компресора, в якому відбувається розширення, то робота по тиску насиченого пару в камері компресора менше ніж у компресорі прототипу, а це приводить до збільшення ексергійного ККД теплового насоса. Крім того, оскільки дно камери конденсатора розташовано вище дна камери випарника насичений пар холодоагенту конденсуючись в конденсаторі здобуває додатково гравітаційну потенціальну енергію, яка в гідроагрегаті перетворюється у електроенергію, яка використовується для роботи компресора за рахунок чого, збільшується ексергійний ККД теплового насоса.

2.9.4 Робоче тіло теплових насосів

В якості робочого тіла теплового насоса можуть бути виконані речовини (суміші), які мають основні властивості [14]:

низьку нормальну (при атмосферному тиску) температуру випаровування з тим, щоб процес випаровування при підводі низько потенціальної теплоти (в області значень температур навколишнього середовища) проходив при тиску дещо перевищуючим атмосферний, для виключення можливості підсосу повітря в контур робочого тіла;

невисокий тиск конденсації при необхідній температурі нагріву з метою знизити вимоги до конструкції компресора, яка визначається степеню стиску; гнучкі вимоги до компресора, конденсатора, охолодника конденсатора і з'єднувальних провідників, зменшення втрати енергії, яка залежить від наближення параметрів конденсації до критичних параметрів;

високу теплоту пароутворення в робочому інтервалі температур, що обумовлює високі значення тепло виробництва і коефіцієнт перетворення;

не токсичність, незапалюваність, вибухонебезпечність;

високу хімічну стабільність, хімічну інертність по відношенню до конструктивних матеріалів і змащувальних матеріалів.

За робоче тіло приймаємо аміак, оскільки цю речовину цілеспрямовано використовувати тільки в тих випадках, коли необхідне тепло невисокого потенціалу, так як вже при 60˚С тиск конденсації рівний 26.92 amм. При більш високих температурах конденсації температура кінця стиску може перевищити температуру спалаху масла.

Для використання аміаку в системах для виробництва тепла спеціально підвищують тиск конденсації чи пристроюють додаткову, так звану тепло насосну, ступінь стиску речовини.

2.9.5 Грунт як джерело низько потенційної теплової енергії

Як джерело низько потенційної теплової енергії можуть використовуватися підземні води з порівняно низькою температурою або ґрунт поверхневих (завглибшки до 400 м) шарів землі. Тепломісткість ґрунтового масиву в загальному випадку вища. Тепловий режим ґрунту поверхневих шарів землі формується під дією двох основних чинників – падаючої на поверхню сонячній радіації і потоком радіогенного тепла із земних надр. Сезонні і добові зміни інтенсивності сонячної радіації і температури зовнішнього повітря викликають коливання температури верхніх шарів ґрунту. Глибина проникнення добових коливань температури зовнішнього повітря і інтенсивності падаючої сонячної радіації залежно від конкретних ґрунтово-кліматичних умов коливається в межах від декількох десятків сантиметрів до півтора метра. Глибина проникнення сезонних коливань температури зовнішнього повітря і інтенсивності падаючої сонячної радіації не перевищує, як правило, 15–20 м.

Мал. 2.9.5.1 Графік зміни температури ґрунту залежно від глибини

Температурний режим шарів ґрунту, розташованих нижче за цю глибину («нейтральної зони»), формується під впливом теплової енергії, що поступає з надр землі, і практично не залежить від сезонних, а тим більше добових змін параметрів зовнішнього клімату (мал. 2.10.5.1). Із збільшенням глибини температура ґрунту зростає відповідно до геотермічного градієнта (приблизно 3 °C на кожних 100 м). Величина потоку радіогенного тепла, що поступає із земних надр, для різних місцевостей розрізняється. Для Центральної Європи ця величина складає 0,05–0,12 Вт/м2 .

2.9.6 Чинники, під впливом яких формується температурний режим ґрунту

У експлуатаційний період масив ґрунту, що знаходиться в межах зони теплового впливу регістра труб ґрунтового теплообмінника системи збору низько потенційного тепла ґрунту (системи теплозбору), внаслідок сезонної зміни параметрів зовнішнього клімату, а також під впливом експлуатаційних навантажень на систему теплозбору, як правило, піддається багатократному заморожуванню і розтаванню. При цьому, природно, відбувається зміна агрегатного стану вологи, ув'язненої в порах ґрунту і що знаходиться в загальному випадку як в рідкій, так і в твердій і газоподібній фазах одночасно. Інакше кажучи, ґрунтовий масив системи теплозбору, незалежно від того, в якому стані він знаходиться (у мерзлому або талому), є складною трифазною полідисперсною гетерогенною системою, «скелет» якої утворений величезною кількістю твердих частинок різноманітної форми і величини і може бути як жорстким, так і рухомим, залежно від того, чи міцно зв'язані між собою частинки або ж вини відокремлені один від одного речовиною в рухомій фазі. Проміжки між твердими частинками можуть бути заповнені мінералізованою вологою, газом, парою і мерзлою водою або тим і іншим одночасно. Моделювання процесів тепломасоперенесення, що формують тепловий режим такої багатокомпонентної системи, є надзвичайно складним завданням, оскільки вимагає обліку і математичного опису різноманітних механізмів їх здійснення: теплопровідності в окремій частинці, теплопередачі від однієї частинки до іншої при їх контакті, молекулярній теплопровідності в середовищі, що заповнює проміжки між частинками, конвекції пари і вологи, що містяться в поровом просторі, і багато інших.

Особливо слід зупинитися на впливі вологості ґрунтового масиву і міграції вологи в його паровому просторі на теплові процеси, що визначають характеристики ґрунту як джерела низько потенційної теплової енергії.

У капілярно-пористих системах, яким є ґрунтовий масив системи теплозбору, наявність вологи в паровому просторі надає помітний вплив на процес розповсюдження тепла. Коректний облік цього впливу на сьогоднішній день зв'язаний із значними труднощами, які перш за все пов'язані з відсутністю чітких уявлень про характер розподілу твердої, рідкої і газоподібної фаз вологи в тій або іншій структурі системи. До цих пір не з'ясовані природа сил зв'язку вологи з частинками скелета, залежність форм зв'язку вологи з матеріалом на різних стадіях зволоження, механізм переміщення вологи в паровому просторі.

За наявності в товщі ґрунтового масиву температурного градієнта молекули пари переміщаються до місць, що мають знижений температурний потенціал, але в той же час під дією гравітаційних сил виникає протилежно направлений потік вологи в рідкій фазі. Окрім цього, на температурний режим верхніх шарів ґрунту робить вплив волога атмосферних опадів, а також ґрунтові води.

2.9.7 Види теплообмінників

Ґрунтові теплообмінники пов'язують теплонасосне устаткування з ґрунтовим масивом. Окрім «витягання» тепла землі, ґрунтові теплообмінники можуть використовуватися і для накопичення тепла (або холоду) в ґрунтовому масиві. У загальному випадку можна виділити два види систем використання нізкопотенциальной теплової енергії землі:

- відкриті системи: як джерело низько потенційної теплової енергії використовуються ґрунтові води, що підводяться безпосередньо до теплових насосів;

- замкнуті системи: теплообмінники розташовані в ґрунтовому масиві; при циркуляції по ним теплоносія із зниженою щодо ґрунту температурою відбувається «відбір» теплової енергії від ґрунту і перенесення її до випарника теплового насоса (або, при використанні теплоносія з підвищеною щодо ґрунту температурою, його охолоджування).

Основна частина відкритих систем – свердловини, що дозволяють витягувати ґрунтові води з водоносних шарів ґрунту і повертати воду назад в ті ж водоносні шари. Зазвичай для цього влаштовуються парні свердловини. Достоїнством відкритих систем є можливість отримання великої кількості теплової енергії при низьких витратах. Проте свердловини вимагають обслуговування. Окрім цього, використання таких систем можливе не у всіх місцевостях. Головні вимоги до ґрунту і ґрунтових вод такі:

- достатня водопроникність ґрунту, що дозволяє поповнюватися запасам води;

- хороший хімічний склад ґрунтових вод (наприклад, низький вміст заліза), що дозволяє уникнути проблем, пов'язаних з утворенням відкладень на стінках труб і корозією. Схема такої системи приведена на малюнку .

Мал. 2.9.7.1 Схема відкритої системи використання низько потенційної енергії ґрунтових вод.

Замкнуті системи, у свою чергу, діляться на горизонтальні і вертикальні.

Горизонтальний ґрунтовий теплообмінник (у англомовній літературі використовуються також терміни «Ground heat collector» і «horizontal loop») влаштовується, як правило, поряд з будинком на невеликій глибині (але нижче за рівень промерзання ґрунту в зимовий час). Використання горизонтальних ґрунтових теплообмінників обмежене розмірами наявного майданчика.

У країнах Західної і Центральної Європи горизонтальні ґрунтові теплообмінники зазвичай є окремими трубами, покладеними відносно щільно і сполучені між собою послідовно або паралельно (мал. 4а, б). Для економії площі ділянки були розроблені вдосконалені типи теплообмінників, наприклад, теплообмінники у формі спіралі, розташованої горизонтально або вертикально (мал. 4д, 4е). Така форма теплообмінників поширена в США.

Якщо система з горизонтальними теплообмінниками використовується тільки для отримання тепла, її нормальне функціонування можливе тільки за умови достатнього приходу тепла з поверхні землі за рахунок сонячної радіації. З цієї причини поверхня вище за теплообмінники повинна бути направлена до дії сонячних променів.

Мал. 2.9.7.2 Види гориознтальних ґрунтових теплообмінників

Види горизонтальних ґрунтових теплообмінників:

а) – теплообмінник з послідовно сполучених труб; б) – теплообмінник з паралельно сполучених труб; в) – горизонтальний колектор, укладений в траншеї; г – теплообмінник у формі петлі; д – теплообмінник у формі спіралі, розташованої горизонтально (так званий «slinky» колектор); е – теплообмінник у формі спіралі, розташованої вертикально.

Вертикальні ґрунтові теплообмінник дозволяють використовувати низькопотенційну теплову енергію ґрунтового масиву, лежачого нижче за «нейтральну зону» (10–20 м від рівня землі). Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками не вимагають ділянок великої площі і не залежать від інтенсивності сонячної радіації, падаючої на поверхню. Вертикальні ґрунтові теплообмінники ефективно працюють практично у всіх видах геологічних середовищ, за винятком фрунтів з низькою теплопровідністю, наприклад, сухого піску або сухого гравію. Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками набули дуже широкого поширення.

Мал.2.9.7.3

Схема опалення і гарячого водопостачання житлового будинку за допомогою ТНУ з вертикальним ґрунтовим теплообмінником

Теплоносій циркулює по трубах (найчастіше поліетиленових або поліпропіленових), укладених у вертикальних свердловинах завглибшки від 50 до 200 м. Зазвичай використовується два типи вертикальних ґрунтових теплообмінників:

- U-подібний теплообмінник, що є двома паралельною трубою, сполученою в нижній частині. У одній свердловині розташовуються одна або дві (рідше три) пари таких труб. Перевагою такої схеми є відносно низька вартість виготовлення. Подвійні U-подібні теплообмінники – найбільш широко використовуваний в Європі тип вертикальних ґрунтових теплообмінників.

- Коаксиальний (концентричний) теплообмінник. Простим коаксиальним теплообмінником є дві труби різного діаметру. Труба меншого діаметру розташовується усередині іншої труби. Коаксиальні теплообмінники можуть бути і складніших конфігурацій.

Для збільшення ефективності теплообмінників простір між стінками свердловини і трубами заповнюється спеціальними теплопровідними матеріалами.

Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками можуть використовуватися для тепло- і холодопостачання будівель різних розмірів. Для невеликої будівлі достатньо одного теплообмінника; для великих будівель може бути потрібно ціла група свердловин з вертикальними теплообмінниками.. Вертикальні ґрунтові теплообмінники коледжу «Richard Stockton College» в США розташовуються в 400 свердловинах завглибшки 130 м. У Європі найбільше число свердловин (154 свердловини завглибшки 70 м) використовуються в системі тепло- і холодопостачання центрального офісу Німецької служби управління повітряним рухом («Deutsche Flug-sicherung»).

Окремим випадком вертикальних замкнутих систем є використання як ґрунтових теплообмінників будівельних конструкцій, наприклад фундаментних паль із замоноліченними трубопроводами. Переріз такої палі з трьома контурами ґрунтового теплообмінника приведений на малюнку 2.9.7.4.

При експлуатації ґрунтового теплообмінника може виникнути ситуація, коли за час опалювального сезону температура ґрунту поблизу ґрунтового теплообмінника знижується, а в літній період ґрунт не встигає прогрітися до початкової температури – відбувається пониження його температурного потенціалу. Споживання енергії протягом наступного опалювального сезону викликає ще більше пониження температури ґрунту, і його температурний потенціал ще більше знижується. Це примушує при проектуванні систем використання низько потенційного тепла землі розглядати проблему «стійкості» (sustainability) таких систем.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5