Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние использования солнечной энергии в здании 17
1.1. Солнечный дом - здание с эффективным использованием энергии 17
1.2. Классификация, элементы и принципиальные схемы гелиосистем 23
1.2.1. Солнечные абсорберы: конструкции и принцип действия 39
1.2.2. Тепловые насосы 46
1.2.3 Аккумуляторы теплоты 73
1.3. Анализ разработок гелиотеплонасосных установок для отопления и горячего водоснабжения зданий 75
1.4. Общая постановка задачи исследования. Цель и задачи исследования 81
Глава 2. Разработка схемы гелиосистемы с солнечными абсорберами и тепловым насосом 87
2.1. Солнечный абсорбер типа «лист-труба» 87
2.2. Принципиальная схема гелиосистемы с СА и ТН с двумя баками-аккумуляторами 91
Глава 3. Моделирование гелиосистем с солнечными абсорберами и тепловым насосом 96
3.1. Физико-математическая модель потребителя тепловой энергии (здания) 96
3.2. Физико-математическая модель солнечного абсорбера 102
.3.3. Физико-математическая модель бака-аккумулятора 114
3.4. Физико-математическая модель теплового насоса 116
3.5. Физико-математическая модель гелиотеплонасосной системы 125
3.6. Теплофизические свойства тепло-холодоносителей и фреонов 141
Глава 4. Экспериментальные исследования абсорбера, теплового насоса и гелиосистемы здания 145
4.1. Схема экспериментальной установки 145
4.2. Методика проведения экспериментальных исследований 157
4.3. Оценка точности измерений. Математическая обработка результатов экспериментальных исследований 160
4.4. Анализ результатов экспериментальных исследований 163
Глава 5. Эффективность, экономичность и область применения гелиосистем с солнечными абсорберами и тепловым насосом 181
5.1. Методика оценки экономичности гелиосистем с СА и ТН 181
5.2. Методика оценки эффективности гелиосистем с СА и ТН 190
5.3. Примеры применения гелиосистем в здании 192
5.3.1. Гелиотеплонасосная установка с солнечными абсорберами горячего водоснабжения детского сада 192
5.3.2. Автономная гелиотеплонасосная установка кондиционирования микроклимата сельскохозяйственного здания 195
5.3.3. Применение нетрадиционных источников энергии для кондиционирования микроклимата экспериментального индивидуального дома усадебного типа 210
5.3.4. Принципиальная схема и режимы работы гелиотеплонасосной установки с солнечными абсорберами для приготовления горячей воды плавательного бассейна 214
Основные выводы 217
Литература 218
- Тепловые насосы
- Теплофизические свойства тепло-холодоносителей и фреонов
- Схема экспериментальной установки
- Автономная гелиотеплонасосная установка кондиционирования микроклимата сельскохозяйственного здания
Введение к работе
Актуальность темы. Исчерпаемость запасов и возрастающая стоимость добычи и транспортировки традиционных видов топлива, а также обострение экологических проблем приводят к необходимости экономного их расходования и постепенной замены их нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии (НВИЭ). Использование НВИЭ продолжает постоянно расширяться. Предполагается, что доля НВИЭ в энергетике мира возрастет и достигнет к 2020 г. около 4 %.
Для преобразования солнечной энергии в тепловую с целью отопления и горячего водоснабжения (ГВ) зданий наибольшее распространение нашли плоские гелиоприемники - солнечные коллекторы. Однако выпускаемые в настоящее время солнечные коллекторы обладают относительно низкой суточной и годовой эффективностью. Одним из путей повышения эффективности солнечных коллекторов является их комбинированное использование с тепловыми насосами. Особое значение в этой связи приобретает применение простых по конструкции неостекленных гелиоприемников - солнечных абсорберов с тепловым насосом (ТН), позволяющих эффективно использовать солнечную энергию и теплоту окружающей среды не только в южных, но и в северных широтах, при любых" погодных условиях и времени суток. Применение гелиосистем с солнечными абсорберами и тепловым насосом (ГСА и ТН) в странах СН1' сдерживается отсутствием исследований конструктивных элементов, методики и рекомендаций их расчёта и проектирования.
Настоящая работа выполнена в соответствии с Межгосударственной научно-технической программой "Экологически чистая энергетика" по основному научному направлению "Нетрадиционная энергетика" и республиканской программой "Применение нетрадиционных источников энергии в республике Молдова на период до 2005 г.".
Автор выражает благодарность к. т. н., доценту С. Г. Булкину и к. т. н., профессору Технического университета Молдовы (ГУМ) П. М. Вырлану за помощь в процессе выполнения исследований.
Целью диссертационной работы является разработка методики расчёта и проектирования гелиосистемы отопления и горячего водоснабжения с солнечными абсорберами и тепловым насосом.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести анализ состояния вопроса исследования, проектирования и эксплуатации гелиотеплонасосных установок (ГТНУ) отопления и ГВ;
разработать, исследовать и определить теплотехнические характеристики солнечных абсорберов (СА);
разработать математическую модель СА и математические модели других элементов ГСА и ТН;
составить алгоритмы и программы расчёта на ЭВМ элементов ГСА и ТН;
разработать математическую модель и общий алгоритм расчёта на ЭВМ ГСА и ТН с двумя баками-аккумуляторами^
і РОС. НАЦИЄНАЛЬНаЇГ1
1 БИБЛИОТЕКА і
провести экспериментальные исследования режимов работы ГСА и ТН и сравнить их результаты с данными теоретических расчётов;
разработать методику оценки экономичности ГСА и ТЫ;
- дать рекомендации по расчету, монтажу и эксплуатации ГСА и ТН.
Научная новизна работы заключается:
в разработке математических моделей солнечного абсорбера с учетом процессов тепломассообмена (конденсации и инееобразования) на его поверхности, теплового насоса и гелиосистемы с абсорберами и тепловым насосом, позволяющие рассчитать их параметры в квазистационарных режимах при комплексном рассмотрении здания и гелиосистемы, как единой энергоаэродинамической системы;
в разработке методики оценки экономичности гелиосистем с солнечными абсорберами и тепловым насосом, позволяющей определить оптимальное значение коэффициента замещения тепловой нагрузки системы теплоснабжения, а также площадь солнечных абсорберов, объем баков-аккумуляторов, мощность гелиотеплонасосной системы и пикового источника.
Практическую ценность работы определяют:
разработанные алгоритмы и программы расчета на ЭВМ элементов гелиосистемы, позволяющие определять параметры системы в квазистационарных режимах;
разработанная конструкция СА типа "лист-труба" с трубами прямоугольного сечения, обладающая высокой тепловой эффективностью, простотой в изготовлении и низкой стоимостью;
экспериментально полученные теплотехнические характеристики СА типа "труба в листе" и "лист-труба" с трубами прямоугольного сечения, а также основные параметры, влияющие на характеристики ГСА и ТН;
полученные эмпирические зависимости для расчета общего коэффициента теплопередачи и КПД для изолированных и неизолированных СА и коэффициента преобразования теплового насоса.
Реализация результатов работы. Результаты исследований и предложенные технические решения использованы при разработке экспериментальных гелиосистем с солнечными абсорберами и тепловым насосом пионерского лагеря на 170 мест в с. Зымбряны для отопления и ГВ медпункта и для ГВ санитарных блоков, а также в рабочих проектах ГСА и ТН следующих объектов: детского сада на 320 мест в п. г. т. Страшены; станций для приготовления растворов (пункта химизации) в колхозе "Молдова" с. Бужор Хынчештского района иве. Ленкауцы Окницкого района; экспериментального дома с использованием нетрадиционных источников энергии в г. Кишиневе. Результаты работы использовались в дипломных проектах студентов МГСУ и ТУМ, а начиная с 2000 г., в учебном процессе кафедры теплогазоснабжения и вентиляции ТУМ при преподавании дисциплины "Нетрадиционные источники тепловой энергии".
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции (НТК) "Вклад ученых в научно-технический прогресс в строительстве" (Кара-
ганда, 1985 г.), на республиканской НТК молодых ученых и специалистов, посвященной 60-летию образования Таджикистана (Душанбе, 1985 г.), на НТК ТУМ (бывший КПИ им. С. Лазо, Кишинев, 1986-87, 1989, 1994, 1996, 1999, 2003, 2004 гг.), на республиканской научно-практической конференции (НІЖ) "Использование возобновляемых источников энергии в народном хозяйстве республики" (Фрунзе, 1988 г.), на республиканской НТК "Проблемы и перспективы использования нетрадиционных источников энергии" (Кишинев, 1989 г.), на всесоюзном научно-техническом семинаре "Повышение эффективности установок солнечного тегаюхолодоснабжения" (Киев, 1991 г.), на первом и третьем съездах АВОК (Ленинград, 1991 г., Москва, 1993 г.), на международном симпозиуме "tiin{a moderna i energia" (Румыния, Клуж-Напока, 1992 г.), на XXVII конференции "Echipamente ?i sisteme de instala{ii-93" (Румыния, Синая, 1993 г.), на международном научно-техническом симпозиуме "Instala^iile pentru construct i economia de energie" (Румыния, Ясы, 1994 г.), на международной НІЖ "Utilizarea surselor renovabile de energie i instalafiile energeticii netradi^ionale" (Кишинев, 1995 г.), на НІЖ "Проблемы строительной теплофизики и энергосбережения в зданиях" (Москва, 1997 г.), на 29-ой конференции ассоциации по солнечной энергии Канады (Waterloo, Ontario, Canada. 2004 г.).
Публикации. По результатам работы опубликовано двадцать печатных работ, в том числе монография, обзорная информация и две брошюры.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений, содержащих 288 с. текста, 69 рис., 19 табл. и Списка литературы, содержащего 189 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Приложения содержат 54 с. текста, 8 рис. и 6 табл.
На защиту выносятся: физико-математические модели солнечного абсорбера, теплового насоса и ГСА и ТН, зависимости для расчета основных параметров ГСА и ТН, разработанные алгоритмы и программы расчета на ЭВМ термодинамических режимов работы элементов ГСА и ТН, результаты экспериментальных исследований солнечных абсорберов типа "лист-труба" и "труба в листе", а также режимов работы теплонасосной установки и ГСА и ТН, методика расчета экономичности ГСА и ТН.
Тепловые насосы
Тепловой насос представляет собой устройство, работающее по обратному термодинамическому циклу Карно, в котором низкопотенциальная теплота окружающей среды преобразовывается в высокопотенциальную теплоту. Такое преобразование (повышение потенциала теплоты), не может происходить самопроизвольно. Для повышения потенциала теплоты необходима затрата внешней энергии - электрической, механической, химической и др. В связи с этим, вместе с теплотой, отнятой от источника низкопотенциальной теплоты (ИНПТ), нагреваемой в ТН среде передается и теплота, эквивалентная подведенной в компрессоре внешней энергии.
Работают тепловые насосы по тому же принципу, что и холодильные машины. Тепловые насосы отличаются от холодильных машин лишь назначением (нагревать объект, а не охлаждать) и температурным уровнем. Холодильные машины энергию затрачивают на то, чтобы перенести теплоту из холодильной камеры в окружающую среду, а тепловые насосы из окружающей среды к потребителю теплоты с температурой больше температуры окружающей среды. ТН в сравнении с холодильными машинами работают в диапазоне более высокой рабочей температуры. Если в цикле холодильной машины температура окружающей среды является верхним температурным уровнем (температурой теплоприемника), то в цикле теплового насоса -нижним (температурой теплоотдатчика).
Тепловые насосы по принципу работы и термодинамическим процессам, протекающим в них, подразделяются на три вида: компрессионные, сорбционные и термоэлектрические.
Работа компрессионных ТН основана на последовательном осуществлении процессов сжатия и расширения рабочего агента. В свою очередь, этот вид тепловых насосов подразделяется на воздушно-компрессионные и парокомпрессионные. По виду теплоносителей, которые обмениваются теплотой с рабочим агентом в испарителе и конденсаторе, тепловые насосы подразделяются на следующие типы: воздух-воздух, воздух-вода, вода-воздух, вода-вода.
Сорбционные ТН работают по принципу последовательного осуществления термохимических процессов поглощения (сорбции) рабочего агента соответствующим сорбентом, а затем выделения (десорбции) рабочего агента из сорбента. Этот вид тепловых насосов делят на абсорбционные и адсорбционные. В абсорбционных ТН сорбция осуществляется всем объемом сорбента на границе жидкой и паровой фаз, а в адсорбционных - на поверхности сорбента, находящегося, как правило, в твердой фазе. Для осуществления процесса сорбции используется тепловая энергия.
В термоэлектрических ТН используется эффект Пельтье, заключающийся в том, что если через разнородные соединенные друг с другом проводники пропустить постоянный ток, то в месте контакта (спая) при направлении тока от проводника с электронной проводимостью к проводнику с дырочной проводимостью происходит выделение теплоты, а при обратном направлении -теплопоглощение. Термоэлектрические ТН не нашли широкого распространения, так как значительно уступают компрессионным ТН по затратам энергии [112, 160].
Экспертные оценки развития теплонасосной техники, выполненные техническим международным комитетом по ТН, показывают, что основным видом тепловых насосов, намечаемых к широкому внедрению в промышленном масштабе, являются парокомпрессионные.
К преимуществам компрессионных ТН по сравнению с абсорбционными следует отнести наибольшее приближение процесса к обратному циклу Карно, малые удельные расходы рабочего тела и высокие коэффициенты теплообмена при испарении и конденсации, что обеспечивает компактность оборудования, возможность замены расширительной машины (детандера) дроссельным (терморегулирующим) вентилем.
На рис. 1.13. приведена принципиальная схема теплового насоса и его цикл в T-S-диаграмме. Парокомпрессионные тепловые насосы (рис. 1.13) состоят из испарителя, компрессора, конденсатора и регулирующего вентиля. К испарителю подводится теплоноситель низкой температуры от источника низкопотенциальной теплоты. В испарителе низкотемпературный теплоноситель отдает тепловую энергию рабочему веществу. Рабочее вещество (хладон, аммиак), воспринимая низкопотенциальную теплоту, кипит в испарителе при низкой температуре. Компрессор отсасывает из испарителя образовавшийся пар рабочего агента, сжимает его, в результате чего повышаются его температура и давление. Из компрессора сжатый пар поступает в конденсатор, где конденсируется при постоянной температуре с выделением теплоты конденсации, которая отводится теплоносителю, циркулирующему в контуре потребителя. Затем рабочее вещество поступает в регулирующий вентиль, где дросселируется до давления в испарителе, а после возвращается в испаритель теплового насоса. Далее замкнутый цикл теплового насоса повторяется.
В качестве привода компрессоров ТН могут использоваться электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Наиболее широкое применение получили электродвигатели. Однако в последние годы внимание специалистов привлекают двигатели, работающие на природном газе и биогазе. Возможность утилизации теплоты уходящих газов и охлаждающей двигатель воды позволяет получить более высокую температуру теплоносителя для системы отопления (90-95 С), а также повысить коэффициент использования топлива при выработке энергии на привод компрессора и тепловой энергии на догрев теплоносителя до 80 % [21]. Недостатком поршневых компрессоров с использованием в качестве привода ДВС является высокий уровень шума (до 96 дБ). В связи с этим на стадии проектирования таких установок следует уделять внимание мероприятиям по шумозащите.
В работе В. А. Зысина [63] приведено сравнение термодинамических циклов ТН (с электро-, турбо- и газомоторным приводом, то есть с приводом от ДВС) и ТЭЦ. В идеальном случае при работе ТН с электро - и турбоприводом теплоснабжение от ТНУ является равноэкономичным с теплоснабжением от ТЭЦ, в реальных же условиях вариант с ТН менее экономичен. Расчёты В. А. Зысина показали, что при небольшом удалении потребителя от ТЭЦ названные варианты теплоснабжения равноэкономичны, но для этого необходимо, чтобы температура теплоносителя после конденсатора ТН составляла 35-45 С, что приводит к дополнительным капиталовложениям в систему отопления или требует применение низкотемпературной системы отопления [75].
Результаты проведенного технико-экономического сопоставления систем теплоснабжения с традиционными источниками и ТН с газовым двигателем [109, 110] доказали перспективность последних. Однако трудности решения проблемы борьбы с загрязнением окружающей среды продуктами сгорания топлива сдерживает широкое внедрение ТН с газовым двигателем в практику.
Для энергообеспечения привода компрессора ТН в районах, лишенных централизованного энергоснабжения и удаленных от линий электропередач, нефте- и газопроводов, большой интерес представляет применение ветроагрегата. Наиболее целесообразным является применение для теплохладоснабжения автономных потребителей комбинированных гелиоветротеплонасосных установок [123, 124].
Теплофизические свойства тепло-холодоносителей и фреонов
При расчёте режимов работы гелиотеплонасосной установки физические параметры тепло - хладоносителей и фреонов считаются зависящими от температуры. Поэтому вопрос о форме задания этих зависимостей имеет большое значение. В технической литературе зависимость физических параметров от температуры приводятся в табличной форме. Там же приводятся формулы, по которым они вычисляются. И первый и второй способы громоздки и вызывают некоторые трудности при программировании. Изучив зависимость коэффициента теплопроводности, удельной теплоемкости и плотности от температуры, в диапазоне температур работы ГТНУ, по приведенным в [15] таблицам для жидких фаз фреонов R-12, R-22, R-114, R-142, водного раствора этиленгликоля, водного раствора хлористого кальция и воды пришли к выводу, что эти параметры могут быть аппроксимированы линейной зависимостью, т.е.: y = at + b (3.86)
Коэффициенты а и b определялись по методу наименьших квадратов. При этом отклонения значений полученных по формуле (3.86) от табличных данных не превышает 1 %.
Зависимость коэффициентов кинематической вязкости от температуры апроксимируется квадратной параболой вида: V = (at2+bt + c)106 (3.87)
Результаты аппроксимации, т.е. коэффициенты а,b,с для указанных выше жидкостей, вычисленные по методу наименьших квадратов даны в таблице 3.1.
Для паров фреонов на линии насыщения потребовались также физические параметры, как давление, скрытая теплота парообразования, энтальпия и удельный объем.
Для аппроксимации зависимостей скрытой теплоты парообразования и энтальпии от температуры, хорошо подходит квадратная парабола вида: y = at2+bt + c (3.88)
Для аппроксимации давления насыщения и удельного объема наиболее подходящей оказалась кривая вида: у = а + Ь(—)п (3.89) з v100 v J где T - абсолютная температура паров фреона на линии насыщения.
Значения коэффициентов а, Ь, с и аппроксимации указанных выше параметров, вычисленные по методу наименьших квадратов, для диапазонов температур -40 С, +80 С для некоторых типов фреонов приведены в таблице 3.2.
Схема экспериментальной установки
Основные теплотехнические характеристики солнечного абсорбера, вытекающие из балансового уравнения (3.6), - это общий коэффициент теплопередачи и коэффициент поглощения. Поскольку оба эти параметра являются неизвестными, то исследования для их определения следует проводить раздельно, исключая влияние одного из них.
Для нахождения коэффициента теплопередачи проводились эксперименты, при которых было устранено влияние лучистой составляющей теплового потока Qcp на процессы теплообмена на теплопоглощающей поверхности панели солнечного абсорбера. Эта зависимость была исследована на экспериментальном стенде, принципиальная схема которого представлена на рис. 4.1. Солнечный абсорбер помещается в аэродинамической трубе под необходимым углом наклона а. При помощи циркуляционного насоса теплоноситель из термостата через ротаметр по изолированному трубопроводу подается в солнечный абсорбер. Проходя через абсорбер, теплоноситель забирает или отдаёт тепло воздуху и затем по обратному трубопроводу возвращается в термостат. Охлаждение жидкости в термостате осуществляется холодильным агрегатом, а нагрев электронагревателем. С помощью контактного термометра устанавливается и поддерживается на определенном уровне температура теплоносителя в термостате. При ее понижении ниже заданного значения включается электронагреватель и доводит температуру теплоносителя до заданной.
Исследования по определению коэффициента поглощения поверхности солнечного абсорбера в виде штампованного радиатора РВС 5-1-6 и его коэффициента теплопередачи при учете лучистого потока солнечной радиации проведены на экспериментальной установке, схема которой приведена на рис. 4.2 и фотографии рис.4.3.
Солнечный абсорбер устанавливается на южной стороне крыши здания на специально оборудованной подставке. С помощью циркуляционного насоса теплоноситель из термостата по изолированному трубопроводу подается в абсорбер. Проходя через него, теплоноситель забирает тепло от теплопоглощающей панели абсорбера и затем по обратному трубопроводу возвращается в термостат, который служит для нагревания жидкости до нужной температуры, являясь прототипом бака-аккумулятора в общей схеме установки. Термостат оборудован циркуляционным насосом и контактным термометром. В термостате помещен испаритель холодильного агрегата ФАК-0, 7Е холодопроизводительностью 1120 Вт. Холодильный агрегат, являясь моделью теплового насоса, предназначается для охлаждения теплоносителя в термостате до заданного значения. Конденсатор, охлаждаемый потоком воздуха от осевого вентилятора, подает теплоту в помещение.
Экспериментальные исследования проводились при ясной и пасмурной погоде, различной окраске поверхности абсорбера, наличии и отсутствии тепловой изоляции с его обратной стороны, температуре теплоносителя на входе в абсорбер, которая была как ниже температуры наружного воздуха (абсорбер поглощает тепло солнечной радиации и окружающей среды), так и выше (абсорбер поглощает тепло за счет теплообмена вследствие разности температур его поверхности и окружающей среды). Таким образом, исследовались всевозможные режимы работы солнечных абсорберов, имеющиеся при их эксплуатации.
Исходя из этого выражения для нахождения коэффициента поглощения р измеряются следующие параметры: температура теплоносителя на входе в абсорбер t и на выходе из него Хжм температура наружного воздуха text, расход прошедшего через абсорбер теплоносителя G, интенсивность прямой Sn и диффузной D солнечной радиации, подающей на поверхность абсорбера, скорость ветра vext. Для измерения температур їжн, їжк и text применяются хромель-копелевые термопары. Регистрация этих температур осуществляется с помощью самопишущего потенциометров типа "Эндим-621.02" с точностью ± 0,5 С. Расход теплоносителя измеряется ротаметром типа КЛП.
Интенсивность прямой и диффузной радиации измеряется альбедометрами. Солнечная радиация регистрируется с помощью самопишущих ленточных одноточечных потенциометров "Эндим-621.02". Скорость ветра vext на поверхности абсорбера измеряется анеморумбомером М-47, а регистрация ее производится также самопишущим потенциометром "Эндим-621.02".
Для нахождения общего коэффициента теплопередачи используются значения коэффициента поглощения, полученные в результате эксперимента.
Исследования по определению теплотехнических характеристик солнечного абсорбера типа лист-труба с трубами прямоугольного сечения и оптимальными режимами их совместной с тепловым насосом работы, а также экспериментальная проверка адекватности математической модели ГСА и ТН проведены на полупромышленной установке, принципиальная схема которой дана на рис. 4.4. и фотографии рис.4.5 [28, 98].
Солнечные абсорберы типа лист-труба общей площадью 21 м установлены на крыше камерального помещения с южной стороны под углом 4 к горизонту и являются ее конструктивным элементом. При выборе угла наклона исходили из конструктивных особенностей крыши. Абсорберы расположены в два параллельных ряда (один ряд изолированный Г, другой - не изолированный 1) на несущей строительной конструкции и крепятся к ней болтами М6х15. Для обеспечения герметичности соединения отдельных абсорберов между собой по продольному и поперечному краям листов накатываются полукруглые канавки (на накладываемом листе с внутренней стороны, а на нижележащем - с наружной), в которые укладывается герметизирующий резиновый шнур. Листы стягиваются между собой болтами и крепятся к строительной конструкции.
На продольное соединение абсорберов помещается накладка с накатанными на ней с внутренней стороны полукруглыми канавками, в которые также укладывается резиновый герметизирующий шнур. Накладка притягивается к листам болтами и крепится к строительной конструкции.
Солнечные абсорберы после монтажа и крепления к строительной несущей конструкции присоединяются к сборным коллекторам и обвязочным трубопроводам, которые присоединяются с помощью муфт к низкотемпературному баку-аккумулятору. Трубопроводы, проложенные в помещении, изолированы минераловатными плитами.
В качестве теплоносителя летом используется вода, а зимой во избежание замерзания - 40 %-й водный раствор глицерина или этиленгликоля.
Низко и высокотемпературные баки-аккумуляторы емкостью 0,8 м3 устанавливаются на специальные деревянные опоры (брусья). С наружной стороны баки-аккумуляторы изолированы минераловатными плитами толщиной 100 мм, которые сверху оклеиваются тканью. Низкотемпературный бак-аккумулятор заполнен незамерзающей жидкостью - раствором хлористого кальция. Наполнителем в высокотемпературном баке-аккумуляторе служит вода. Тепловой насос МКТ-40 монтируется на специально изготовленном бетонном фундаменте, к которому крепится четырьмя анкерными болтами.
Тепловой насос с помощью трубопроводов присоединяется к бакам-аккумуляторам: испаритель - к низкотемпературному, а конденсатор - к высокотемпературному фотография рис.4.6. В контуре испарителя в качестве теплоносителя используется 30 %-й водный раствор хлористого кальция с температурой замерзания t3aM = -55 С, а в контуре конденсатора - вода. В контуре калорифера циркулирует вода.
Циркуляция теплоносителя в контурах и калорифере осуществляется с помощью водяных бесшумных циркуляционных насосов типа ЦВЦ-6,3-2,5, а в контурах испарителя и конденсатора теплового насоса — циркуляционными центробежными насосами типа К-8-18. До и после каждого циркуляционного насоса установлена запорно-регулирующая арматура.
Автономная гелиотеплонасосная установка кондиционирования микроклимата сельскохозяйственного здания
Актуальным и перспективным является применение возобновляемых источников энергии для отопления и горячего водоснабжения объектов сельского хозяйства. Эти потребители теплоты сооружаются как обычно далеко от централизованных источников теплоты и обеспечиваются теплом от собственных мелких котельных, работающих на твердом топливе с низким КПД, и выбрасывающие в окружающую среду большое количество вредных веществ.
В связи с этим разработана комбинированная гелиотеплонасосная установка отопления и горячего водоснабжения пункта приготовления растворов колхоза "Молдова" с. Бужор Котовского района Республики Молдова.
Гелиотеплонасосная установка (ГТНУ) предназначена обеспечить потребность теплоты блока вспомогательных помещений на дежурное отопление в зимний период, отопление и вентиляции в переходный период, а также горячее водоснабжение на технологические нужды растворного узла и мойки спецавтотранспорта с применением солнечной энергии и низкопотенциальной теплоты фунта.
Проект отопления, вентиляции и горячего водоснабжения разработан на основании СНиП 2.04.05-86, СНиП 2.01.01-82, СНиП-И-3-79хх.
Проект разработан для расчетной температуры наружного воздуха -16 С (отопительный период) и 0 С (переходный период), сейсмичностью 7 баллов.
При разработке рабочего проекта гелиотеплонасосной установки использованы архитектурно-строительные чертежи типового проекта повторного применения №876-4-20, разработанного Молдгипрониисельстроем (г. Тирасполь).
Суточный расход горячей воды на технологические нужды растворного узла и мойки автотранспорта составляет 2,505 м /сут., расчетный расход - 0,79 м /ч. Температура горячей воды на технологические нужды составляет 65 С. Суточный расход горячей воды на хозяйственно-бытовые нужды составляет 1,06 м/сут, расчетный расход - 0,45 м/ч. Температура горячей воды на хозяйственно-бытовые нужды составляет 55 С.
Водоснабжение системы осуществляется от водопроводной сети хозяйственно-питьевой водой.
В качестве варианта для технико-экономического сравнения принята система отопления и горячего водоснабжения объекта от местной котельной на твердом топливе.
Схема системы отопления принята однотрубная горизонтальная. В качестве отопительных приборов приняты настенные конвекторы с кожухом типа "Универсал". Для регулирования теплоотдачи отопительных приборов применяются воздушные клапаны. Воздух из системы отопления удаляется через вентили установленные в верхних точках. За счёт применения пассивных методов защиты здания тепловая нагрузка на систему отопления уменьшена на 30 %.
Система вентиляции запроектирована приточно-вытяжная с механическим и естественным побуждением. Нагрев приточного воздуха осуществляется в калорифере теплоносителем, поступающим от ГТНУ.
Трубопроводы теплоснабжения калориферов, все трубопроводы в помещение теплонасосной станции, водоподогреватели, трубопроводы обвязки солнечных коллекторов на кровле, расширительные баки и воздухосборник изолируются.
Гелиотеплонасосная установка (рис. 5.7) многоконтурная и состоит из следующих контуров циркуляции: солнечных абсорберов, грунтового теплообменника, теплового насоса и потребителя (системы отопления и горячего водоснабжения).
В состав гелиоконтура входят: солнечные абсорберы общей площадью 31,2 м , бак-аккумулятор емкостью 2,5 м , теплообменник в баке-аккумуляторе поверхностью нагрева 3,7 м2, и циркуляционный насос типа ЦВЦ. В качестве солнечных абсорберов используются стальные штампованные радиаторы, серийно выпускаемые Братским заводом отопительного оборудования. Монтируются солнечные абсорберы на кровле блока вспомогательных помещений на специально изготовленной раме под углом наклона к горизонту 45 и ориентированы на юг.
Грунтовый теплообменник ГТ1 вертикальный и выполняется из полиэтиленовых труб высокой плотности диаметром 200 мм, длиной Юме шагом не менее 2 м. Среднегодовая тепловая мощность грунтового теплообменника составляет 5,76 кВт. Полиэтиленовые трубы помещаются в предварительно пробуренные скважины глубиной 12 м. Перед бурением скважин необходимо произвести выемку грунта 1,0 м на площади не менее 112 м2. Засыпку котлована осуществить после монтажа свай трубопроводов и проведения гидравлических испытаний при давлении 0,4 МПа.
В качестве теплового насоса используется холодильная машина ХМ 1-9 с водяным испарителем и дополнительным регенеративным теплообменником, работающая на хладоне R-12.
Теплоносителем в гелиоконтуре, в контуре грунтового теплообменника и испарителя теплового насоса служит 40 % - и водный раствор этиленгликоля (или 15 % водный раствор хлористого кальция), или может быть использована низкотемпературная охлаждающая жидкость НОЖ-2, выпускаемая ПО "Пигмент" (г. Тамбов) ТУ 6-14-08-02-85.
Источниками низкопотенциальной теплоты для теплового насоса являются солнечная энергия, поглощаемая и преобразованная в тепловую с помощью солнечных абсорберов и тепло грунта и грунтовых вод отбираемое с помощью грунтового теплообменника ГТ1.
Источниками низкопотенциальной теплоты для теплового насоса являются солнечная энергия, поглощаемая и преобразованная в тепловую с помощью солнечных абсорберов и тепло грунта и грунтовых вод отбираемое с помощью грунтового теплообменника ГТ1.
Роль бака-аккумулятора выполняет емкий водонагреватель 3077 (№2, 5) с измененной поверхностью теплообмена трубчатого теплообменника, которая составляет 3,7 м2. Циркуляция теплоносителя во всех контурах осуществляется с помощью малошумных без фундаментных насосов типа ЦВЦ по два в каждом контуре, один из которых резервный. Работает ГТНУ следующим образом. Холодный теплоноситель с помощью циркуляционного насоса II по распределительными трубопроводами Т21 подводится в нижнюю часть абсорберов. Солнечные абсорберы 1 поглощают и преобразовывают солнечную энергию в тепловую. Теплоноситель, циркулируя через абсорберы, воспринимает эту энергию и нагревается. Нагретый теплоноситель по трубопроводам ТІ отводится в бак-аккумулятор где, проходя по трубчатому теплообменнику, передаёт теплоту воде, находящейся в баке, нагревая её.
Далее, теплоноситель проходит через испаритель 4 теплового насоса 3, где тепловая энергия от него передается рабочему телу теплового насоса низкокипящей жидкости (хладон-12), прошедшей через дроссельный вентиль, регулирующий температуру испарения, за счёт чего происходит его испарение.
Пары хладона поступают в компрессор теплового насоса, где происходит их сжатие за счёт подвода энергии от электрического двигателя и в результате чего повышается их давление и температура. Затем пары хладона поступают в конденсатор, где конденсируются, отдавая при этом теплоту теплоносителя, циркулирующему в контуре потребителя (систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения). Расход теплоносителя через солнечные коллекторы должен поддерживаться в пределах 0,013. 0,017 кг/(м с).
В работе гелиоустановке различаются два периода: летний и отопительный. В летний период (апрель-октябрь) нагрузка на горячее водоснабжение обеспечивается за счёт солнечной энергии солнечными абсорберами. Дополнительным источником тепла в этот период служит тепловой насос. А в качестве резервного источника теплоты догревателя предусмотрен электроводонагреватель типа САОС, работающий ночью в период провала графика потребления электрической энергии. В отопительный период (октябрь-апрель) гелиотеплонасосная установка предназначена для обеспечения дежурного отопления блока вспомогательных помещений. При этом используется совместная работа теплового насоса с солнечными абсорберами и грунтовым теплообменником. В переходный период (апрель или октябрь) нагрузка на гелиотеплонасосную установку максимальная и складывается из нагрузок на отопление, вентиляций и горячее водоснабжение.
