CC BY
69
УДК 697.3:621.577.001
А. Ю. Финиченко, А. П. Полозкова
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
КОМБИНИРОВАННЫЙ МЕТОД ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА И ТЕПЛОВОГО НАСОСА В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Аннотация. В статье рассмотрены вопросы совместного использования низкотемпературного солнечного коллектора и теплового насоса в системе солнечного теплоснабжения, комбинация которых позволяет обеспечить высокую энергоэффективность и устойчивую работу системы за весь период года. Изучение и развитие инновационных технологий в альтернативной энергетике является актуальным вопросом сегодняшнего дня. На основе фактических статистических климатических данных г. Омска произведен тепловой расчет солнечного коллектора и воздушного теплового насоса в системе теплоснабжения здания. Приведены значения солнечной инсоляции и угла наклона для города Омска по месяцам, определенные в зависимости от широты, построена зависимость изменения солнечной инсоляции города Омска от периода года. Представлена схема работы комбинированной системы солнечного коллектора и воздушного теплового насоса в системе отопления здания. Предложенная схема позволяет создать высокую энергоэффективность и устойчивую работу системы в период летних и переходных месяцев года. Приведена методика расчета выработки тепловой энергии с использованием комбинированной системы. Вычислено необходимое количество трубок солнечного вакуумного трубчатого коллектора СВК- 20А. Предложена работа воздушного теплового насоса и солнечного коллектора по бивалентной схеме, а также рассмотрен график тепловой нагрузки системы отопления. Изучены теплофи-зические свойства рабочего вещества солнечной системы и воздушного теплового насоса при изменении температуры окружающей среды, исследована зависимость температуры замерзания водных растворов эти-ленгликоля и пропиленгликоля от массовой концентрации гликоля. Произведен технический расчет коэффициента преобразования теплового насоса (СОР) для одного из учебных корпусов ОмГУПСа. Предложен эффективный вариант использования данной системы это системы отопления «теплый пол», «теплые стены» или «теплый потолок».
Ключевые слова: тепловой насос, солнечный коллектор, альтернативные источники энергии, система «низкопотенциальное тепло», энергосбережение, коэффициент преобразования.
Aleksandra Y. Finichenko, Anastasia P. Polozkova
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
COMBINED METHOD OF APPLICATION OF SOLAR COLLECTOR AND HEAT PUMP UNDER LOW TEMPERATURE CONDITIONS
Abstract. The article deals with the issues ofjoint use of a low-temperature solar collector and a heat pump in a solar heating system, the combination of which allows for high energy efficiency and stable operation of the system for the entire period of the year. The study and development of innovative technologies in alternative energy is a topical issue of today. Based on the actual statistical climatic data of the city of Omsk, a thermal calculation of the solar collector and the air heat pump in the heat supply system of the building was made. The values of solar insolation and the angle of inclination for the city of Omsk by months determined depending on latitude are given, the dependence of the change in solar insolation of the city of Omsk on the period of the year is plotted. The proposed scheme allows creating high energy efficiency and stable operation of the system during the summer and transitional months of the year. A method for calculating the generation of thermal energy using a combined system is given. The required number of tubes of solar vacuum tubular collector SVK-20A has been calculated. The work of an air heat pump and a solar collector according to a bivalent scheme is proposed, and a graph of the heat load of the heating system is also considered. The thermophysical properties of the working substance of a solar collector and an air heat pump are studied with a change in ambient temperature, the dependence of the freezing point of aqueous solutions of ethylene glycol and propylene glycol on the mass concentration of glycol is studied. A technical calculation of the COP coefficient for one of the educational buildings of OSTU was made. An effective option for using this system is proposed - heating systems «warm floor», «warm walls» or «warm ceiling».
Keywords: heat pump, solar collector, alternative energy sources, low-grade heat system, energy saving, conversion factor.
Климатические особенности Сибирского региона характеризуются высокими затратами на энергоресурсы и большими термодинамическими потерями. Расходы, которые рассчитаны на эксплуатацию тепловых сетей и котельных, с каждым годом увеличиваются. Названные объекты довольно часто являются причиной аварий, а это, в свою очередь, требует как экономического решения проблем, так и технического. В настоящее время актуальны разработка и внедрение технологий использования возобновляемой энергетики. Один из экономичных и экологичных альтернативных источников энергии - это теплонаносная установка (ТНУ), использование которой сокращает выбросы углекислого газа и уменьшает парниковый эффект планеты. Данная установка характеризуется нулевым выбросом вредных веществ в атмосферу, а средний КПД ТНУ составляет 67 %.
На сегодняшний день актуальны комбинированные системы на базе альтернативных источников тепловой энергии, которые состоят из нескольких источников тепловой энергии. Интеграция работы тепловых насосов и солнечных коллекторов является эффективным и экономически обоснованным решением.
Комбинированная тепловая система солнечного коллектора и воздушного теплового насоса, включенная в систему отопления, представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Принципиальная схема комбинированной системы солнечного коллектора и воздушного теплового насоса в системе отопления
Комбинированная система совместной работы солнечного коллектора и воздушного теплового насоса представлена в корпусе № 2 ОмГУПСа. Наименование и характеристики оборудования данной схемы: К-1 - бак-аккумулятор, К-2 - внешний модуль теплового насоса, К-3 - вакуумный коллектор, К-4 - насосная станция, К-5 - емкость буферная, К-6 - насос циркуляционный, К-7 - фанкойл, 1.1, 1.2 - бак мембранный расширительный, 2 - трубка прямая петлевая, 3 - предохранительный клапан, 4 - кран шаровый, 5 - насос ручной, 6 - кран шаровый, 7 - клапан обратный, 8 - клапан термической разгрузки, 9 - воздухо-отводчик автоматизированный, 10 - манометр показывающий, 11 - термометр показывающий, 12 - клапан смесительный трехходовой с электроприводом.
В вакуумном солнечном коллекторе - К-3 за счет солнечного излучения производится нагрев рабочего вещества, которое за счет насосной станции - К-4 поступает в бак-аккумулятор - К-1, где в свою очередь отдает потенциальную тепловую энергию холодной воде. Параллельно внешний модуль (испаритель) воздушного теплового насоса передает энергию окружающей среды конденсатору, который находится в системе К-1 - бака-аккумулятора. Затем нагретая вода при помощи насоса прокачивается в накопительный бак К-5, где происходит разбор горячей воды и за счет циркуляционного насоса подается на систему отопления К-7 и потребителю горячего водоснабжения (ГВС). Для регулирования температуры воды в накопительном баке предусмотрен клапан термической разгрузки 8.
Применение рассмотренной схемы гелиосистемы позволяет решить следующие задачи проектирования: обеспечение максимального КПД по использованию солнечной энергии, так как гелиосистема является первой ступенью нагрева холодной (сетевой) воды; независимый от существующей системы управления системы отопления и ГВС контур автоматического регулирования; возможность использования гелиосистемы в зимний (отопительный) период в качестве предварительного нагрева холодной воды, что приведет к дополнительной экономии на нагреве от тепловой сети.
Для обеспечения теплоснабжения и системы горячего водоснабжения в корпусе ОмГУПСа рассмотрен солнечный вакуумный трубчатый коллектор СВК-20 А.
Для определения поглощающей площади одной стеклянной трубки вакуумного коллектора СВК-20 А, который состоит из 20 трубок, необходимо площадь всего коллектора разделить на количество трубок: 1,66 / 20 = 0,083 м2.
Определение необходимого количества трубок зависит от величины солнечной энергии из расчета на 1 квадратный метр. Тогда 1 м2 / 0,083 м2 = 12,05. Другими словами, один квадратный метр площади поглощения равен 12 вакуумным трубкам коллектора СВК-20 А.
Для определения количества трубок солнечного коллектора для выработки тепловой мощности рассчитывается величина тепловой мощности одной трубки.
Мощность одной трубки (холодный период) рассчитывается из произведения площади поглощения одной трубки на инсоляцию одного квадратного метра для данного региона (холодный период) с учетом КПД солнечного коллектора.
Для расчета максимального КПД солнечного коллектора в таблице 1 приведена зависимость оптимального угла наклона солнечных панелей относительно поверхности земли от периода времени, и на рисунке 2 показан график изменения солнечной инсоляции в г. Омске.
Таблица 1 - Значения солнечной инсоляции и угла наклона солнечных панелей для г. Омска
Период Солнечная инсоляция, кВт • ч/м2 Оптимальный угол наклона, °
Январь 31 72
Февраль 61 64
Март 130 52
Апрель 181 36
Май 233 21
Июнь 243 11
Июль 243 18
Август 193 28
Сентябрь 135 44
Октябрь 74 59
Ноябрь 35 70
Декабрь 23 75
Среднее за год 131,8 45,7
При рассмотрении применения комбинированной схемы солнечного коллектора и воздушного теплового насоса в системе отопления и ГВС необходимо учитывать климатические особенности региона, экономическое обоснование и топливно-энергетический баланс района.
№ 1(49) 2022
От среднегодовых и сезонных показателей температуры окружающего наружного воздуха зависит выбор точки бивалентности - это переломное значение, когда система теплоснабжения переходит на дублирующий источник теплоты, так как в системе с применением альтернативных источников энергии всегда необходимо учитывать дополнительный «традиционный» источник (в нашем случае это электрокотел), когда температура на улице становится слишком низкой (рисунок 3). Теплонаносная установка берет низкопотенциальное тепло из окружающего воздуха, и эффективность работы теплового насоса (коэффициент СОР) напрямую зависит от значения наружных температур, а солнечный коллектор также меняет свои температурные значения в зависимости от времени суток и наружной температуры.
300
Рисунок 2 - График изменения солнечной инсоляции в г. Омске
— — - мощность ТН; - мощность системы отопления
Температура наружного воздуха
Рисунок 3 - График нагрузки системы отопления
Работа воздушного теплового насоса и солнечного коллектора по бивалентной схеме является более экономически оправданной: в этом случае не увеличивается заданное значение тепловой мощности для покрытия редких нагрузок в наиболее холодные дни и, следовательно, уменьшается стоимость комбинированной системы, как следствие, соблюдается эффективная окупаемость капиталовложений за счет экономии энергозатрат. Капитальные затраты могут быть как единовременными, так и распределенными на несколько периодов.
В качестве рабочего вещества в солнечных коллекторах обычно принимается рабочее вещество пропиленгликоль или этиленгликоль, а в контуре теплового насоса применяется фреон. Рассмотрение теплофизических свойств рабочих веществ солнечного коллектора и воздушного
теплового насоса при изменении температуры окружающей среды является немаловажным вопросом в изучении применения комбинированной схемы для системы отопления и ГВС.
При низких температурах окружающей среды и в ночное время суток, когда нет солнечного излучения на солнечные коллекторы, а следовательно, нет передачи теплоты в баки-аккумуляторы, температура горячей воды в системе снижается и теплота, расходуемая на ГВС, уменьшается. Необходимо изучить, как меняются температура и вязкость рабочего вещества в зависимости от снижения температуры окружающей среды. Температура замерзания пропи-ленгликоля (этиленгликоля) зависит от концентрации водного раствора.
В таблице 2 представлены значения температуры замерзания водных растворов выбранных рабочих веществ в зависимости от их концентрации.
Таблица 2 - Температура замерзания водных растворов этиленгликоля и пропиленгликоля
Массовая концентрация гликоля, % Этиленгликоль, ° С Пропиленгликоль, ° С
10 -3 -3
15 -5 -5
20 -8 -7
25 -11 -10
30 -14 -13
40 -22 -21
50 -34 -33
60 -48 -51
При изменении температуры этиленгликоля (пропиленгликоля) существенно изменяются их физические свойства.
Увеличение плотности и вязкости этиленгликоля при понижении температуры значительно изменяет потери напора, это, в свою очередь, приводит к нарушению циркуляции теп-лообменных процессов в системе солнечных коллекторов. На рисунке 4 представлены графики зависимости падения напора в зависимости от температуры пропиленгликоля (эти-ленгликоля), т. е. рабочего вещества.
- - 40 °С; ---20 °С; ---10 °С
Рисунок 4 - Графики зависимости падения напора в зависимости от температуры пропиленгликоля (этиленгликоля)
Учитывая значительное влияние температуры теплоносителя на его вязкость, необходимо уделять особое внимание гидравлическим расчетам и, в частности, диаметрам трубопроводов, соединяющих коллекторы.
№ 1(49) 2022
Рассмотрим КПД бивалентной установки, учитывая технико-экономические показатели. В исследуемом случае теплоснабжение системы отопления осуществляется от комбинированной установки в составе солнечного коллектора и теплового насоса.
Источники теплоснабжения:
солнечный коллектор СВК-20 А, три секции, Sобщ = 1,66 м2. Прогнозируемая выработка: весна - 1440 кВт, лето - 900 кВт. КПД солнечного коллектора - 70 %. Настраиваемый параметр: Т = +60 °С;
тепловой насос Sila AS18,8I-EVI 3/3(HC) типа «воздух - вода». Прогнозируемая часовая выработка при Тнар = +7 °С и Тобр = +35 °С, 19 кВт, потребление - 4,2 кВт. Настраиваемый параметр: Тобр = +37 °С (Тпод = +42 °С).
Технико-экономические показатели работы солнечного коллектора: суточная выработка летом составит около 40 - 50 кВт, среднечасовая - до 4 кВт при нулевой облачности, это соизмеримо с нагревом 1,5 м3 воды до температуры 60 °С в сут, расход электроэнергии на циркуляционный насос - 102 Вт. Стоимость использования электроэнергии в среднем за месяц доходит до 180 руб. Результирующая выработка в июле 2021 г. - 1201,11 кВт/ч. При тарифе электроэнергии 6 руб./ кВт стоимость составит 7206,6 руб. Общая выработка за теплый период года с июля по октябрь - 4169 кВт, что соответствует 25014 руб. Актуальная стоимость оборудования на начало 2022 г.: 250 000 руб., источник бесперебойного питания обойдется в 40 000 руб., работы по установке - 72 000 руб., итого - 362 000 руб.
Технико-экономические показатели работы теплового насоса с сентября по декабрь: общая выработка тепла - 18831 кВт, при тарифе 6,3 руб./кВт получаем 118 635 руб., затрачено электроэнергии 7384 кВт, с учетом тарифа электроэнергии в сумме это 46 519 руб. Средний СОР за исследуемый период - 2,5; экономия составила 72 200 руб. За отопительный период до мая экономия составит минимум 187 452,9 руб. Затраты на приобретение составили 380 000 руб., на монтаж и наладку - до 155 000 руб., всего - 535 000 руб.
Таким образом, окупаемость бивалентной установки по сравнению с электрическим отоплением составит (362 000 + 535 000) / 187 452,9 = 4,7 года. Использование данной установки благоприятно сказывается на экологии региона, а также при грамотном совместном использовании источников альтернативной энергии можно в расчете на долгосрочный период получить и экономическую выгоду от применения комбинированной схемы. Внедрение системы солнечных коллекторов позволило сократить время работы теплового насоса с 2814 ч за отопительный сезон до 2240 ч (сокращение на 21 %). Выгодным решением для эффективного использования обсуждаемой системы являются системы отопления «теплый пол», «теплые стены» или «теплый потолок», так как в данных устройствах используется теплоноситель (рабочее вещество) с низкой температурой - 40 - 50 °С. В свою очередь радиаторные системы отопления в Сибирском регионе, учитывая климатические особенности, эффективно работают при температурных показателях рабочего тела 80 - 90 °С. Использование теплового насоса в такой системе может привести к снижению эффективности радиаторов в 2,5 раза, так как нагрев теплоносителя с помощью комбинированной системы наиболее эффективен до уровня 50 °С, при увеличении площади теплопередачи («теплый пол», «теплые стены» или «теплый потолок») получаем максимально возможный КПД системы отопления. Для обеспечения выгодного экономического и технического использования комбинированной установки применяют определенные меры для повышения результативности. Во-первых, система отопления должна быть доукомплектована дублирующим нагревателем (электрическим, газовым, твердотопливным), котлом и т. д . Во-вторых, организация термомодернизации является одним из доступных и эффективных способов энергосбережения.
Список литературы
1. Flaksman A.S., Mozgovoy A.I., Lopatkin D.S., Dikikh V.A., Shamsov I.S., Romanova Ju.A., Morkovkin D.E., Bovtrikova E.V. Prospects for the development of alternative energy sources in the
world energy, International scientific and practical conference on ensuring sustainable development in the context of agriculture, green energy, ecology and earth science. Smolensk, 2021, vol. 723, pp. 40-50.
2. Ovchinnikova S., Kukinova G., Borovkov A., Markina N. Environmental substantiation for the use of alternative energy sources, 22nd international scientific conference on energy management of municipal facilities and sustainable energy technologies, Voronezh, 2020, vol. 244, pp. 58-60.
3. Башмаков, И. Российский ресурс энергоэффективности: масштабы, затраты и выгоды / И. Башмаков. - Текст : непосредственный // Вопросы экономики. - 2009. - № 2. - С. 71-89.
4. Selikhov Y.A., Kotsarenko V.A., Kapustenko P.O., Klemes J.J. The performance of plastic solar collector as part of two contours solar unit, Chemical Engineering Transactions, 2018, vol. 70, pp. 2053-2058.
5. Dosov S.V., Fedoseev V.N., Emelin V.A., Loginova S.A. digital technological model of heat exchange control in an air heat pump in a low-rise building. Journal of physics: conference series «Intelligent Information Technology and Mathematical Modeling 2021, IITMM2021- Mathematical Modeling and Computational Methods in Problems of Electromagnetism, Electronics and Physics of Welding», 2021, pp. 52-80.
6. Lertsatitthanakorn C., Jamradloedluk J., Rungsiyopas M., Therdyothin A., Soponronnarit S. Performance analysis of a thermoelectric solar collector integrated with a heat pump, Journal of Electronic Materials, 2013., vol. 42, no. 7, pp. 2320-2325.
7. Хамоков, М. М. Определение эффективности солнечных коллекторов, используемых в регионах с низкой солнечной радиацией / М. М. Хамоков, А. Б. Чапаев. - Текст : непосредственный // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. - 2020.-№ 6 (81). - С. 33-39.
8. Кадцын, И. И. Исследование теплофизических характеристик грунтов города Омска для проектирования геотермальных зондов / И. И. Кадцын, А. П. Стариков, В. Р. Ведрученко. -Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2020. - № 3 (43). - С. 128-139.
9. James A., Srinivas M., Jayaraj S., Mohanraj M. Thermal analysis of heat pump systems using photovoltaic-thermal collectors. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2020, pp. 90-115.
10. Зверева, Э. Р. Снижение вредных выбросов тепловых электростанций / Э. Р. Зверева, Т. М. Фарахов, А. Р. Исхаков. - Текст : непосредственный // Вестник Казанского государственного энергетического университета. - 2011. - № 1 (8). - С. 39-44.
11. Kuziyev O.A.U. Analysis of energy parameters of steam-compressor heat pumps, Current scientific research in the modern world, 2021, no. 3-1 (71), pp. 6-8.
References
1. Flaksman A.S., Mozgovoy A.I., Lopatkin D.S., Dikikh V.A., Shamsov I. S., Romanova Ju.A., Morkovkin D.E., Bovtrikova E.V. Prospects for the development of alternative energy sources in the world energy, International scientific and practical conference on ensuring sustainable development in the context of agriculture, green energy, ecology and earth science. Smolensk, 2021, vol. 723, pp. 40-50.
2. Ovchinnikova S., Kukinova G., Borovkov A., Markina N. Environmental substantiation for the use of alternative energy sources, 22nd international scientific conference on energy management of municipal facilities and sustainable energy technologies, Voronezh, 2020, vol. 244, pp. 58-60.
3. Bashmakov I. Russian Energy Efficiency Resource: Scale, Costs and Benefits. Economic issues - theoretical and scientific-practical journal of general economic content, 2009, no. 2, pp. 71-89 (In Russian).
4. Selikhov Y.A., Kotsarenko V.A., Kapustenko P.O., Klemes J.J. The performance of plastic solar collector as part of two contours solar unit, Chemical Engineering Transactions, 2018, vol. 70, pp. 2053-2058.
5. Dosov S.V., Fedoseev V.N., Emelin V.A., Loginova S.A. digital technological model of heat exchange control in an air heat pump in a low-rise building. Journal of physics: conference series «Intelligent Information Technology and Mathematical Modeling 2021, IITMM2021- Mathematical Modeling and Computational Methods in Problems of Electromagnetism, Electronics and Physics of Welding», 2021, pp. 52-80.
6. Lertsatitthanakorn C., Jamradloedluk J., Rungsiyopas M., Therdyothin A., Soponronnarit S. Performance analysis of a thermoelectric solar collector integrated with a heat pump, Journal of Electronic Materials, 2013., vol. 42, no. 7, pp. 2320-2325.
7. Hamokov M.M., Chapaev A.B. Determination of the efficiency of solar collectors applied in regions with low solar. Vestnik Severo-Kavkazskogo federal'nogo universiteta - Ambassador of the north caucasian federal university, 2020, no. 6 (81), pp. 33-39 (In Russian).
8. Kadtsyn I.I., Starikov A.P., Vedruchenko V.R. Study of the thermophysical characteristics of the soil of the city of omsk for the design of geothermal probes. Izvestiia Transsiba - Journal of Transsib Railway Studies, 2020, no. 3 (43), pp. 128-139 (In Russian).
9. James A., Srinivas M., Jayaraj S., Mohanraj M. Thermal analysis of heat pump systems using photovoltaic-thermal collectors. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2020, pp. 90-115.
10. Zvereva E.R., Farakhov T.M., Iskhakov A.R. Reduction of harmful emissions of thermal power plants. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta - Ambassador of Kazan state energy university, 2011, no. 1 (8), pp. 39-44 (In Russian).
11. Kuziyev O.A.U. Analysis of energy parameters of steam-compressor heat pumps, Current scientific research in the modern world, 2021, no. 3-1 (71), pp. 6-8.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Финиченко Александра Юрьевна
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812) 37-06-23.
E-mail: Finichenko@mail.ru
Полозкова Анастасия Петровна
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Студентка кафедры «Теплоэнергетика», ОмГУПС.
Тел.: +7 (983) 660-07-63.
E-mail: nastyapol ozkova6@gmail. com
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Finichenko Aleksandra Yurevna
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, associate professor of the department «Heat Power Engineering », OSTU. Phone: +7 (3812) 37-60-82. E-mail: Finichenko@mail.ru
Polozkova Anastasia Petrovna
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Student of the department «Heat Power Engineering», OSTU.
Phone: +7 (983) 660-07-63.
E-mail: nastyapolozkova6@gmail.com
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Финиченко, А. Ю. Комбинированный метод при- Finichenko A.Y., Polozkova A.P. Combined method
менения солнечного коллектора и теплового насоса в of application of solar collector and heat pump under low
условиях низких температур / А. Ю. Финиченко, temperature conditions. Journal of Transsib Railway
А. П. Полозкова. - Текст : непосредственный // Извес- Studies, 2022, no. 1 (49), pp. 103-110. тия Транссиба. - 2022. - № 1 (49). - С. 103 - 110.
