CC BY
105
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2010 год № 2 (4)
05.00.00 Технические науки
УДК 697(075.8)
А.С.Штым, А.А.Журмилов
Штым Алла Сильвестровна - канд. техн. наук, зав.кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции ДВГТУ. E-mail: shtym_alla@mail.ru
Журмилов Алексей Александрович - аспирант кафедры теплогазоснабжения и вентиляции ДВГТУ. E-mail: lezhurmi@mail.ru
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ УСТАНОВКА НА БАЗЕ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И ТЕПЛОВОГО НАСОСА
Показана принципиальная схема установки совместной работы солнечных коллекторов и теплового насоса. Совместная работа оборудования повышает их энергоэффективность, позволяет решить проблему утилизации избыточной теплоты от солнечных коллекторов, повышает температурный потенциал поля грунтового теплообменника, а также обеспечивает стабильный нагрев воды.
Ключевые слова: тепловой насос, солнечный коллектор, бак-гидробуфер, бак-аккумулятор, грунтовый теплообменник, теплоноситель.
Alla S. Shtym, Alexey A. Zhurmilov RESEARCH PLANT WITH SOLAR COLLECTORS AND THERMAL PUMP
The article describes the concept scheme of solar collectors and the thermal pump working on the principle of joint action. It improves power efficiency of the equipment, allows to solve an application problem of excess heat from solar collectors, increases temperature potential of the soil heat exchanger, and also provides stable heating of water.
Key words: heat pump, solar collector, tank-hydrobuffer, heat storage, soil heat exchanger, heat carrying agent.
Большинство развитых стран постепенно переходит на использование возобновляемых источников энергии. В некоторых странах, в том числе и в России, их внедрение происходит медленными темпами.
Приморский и Хабаровский края являются одними из самых солнечных регионов на Дальнем Востоке и имеют благоприятные условия для использования устройств на основе гелиосистем и геотермальных тепловых насосов. Использование солнечной энергии и энергии земли способствует снижению потребления традиционных энергоносителей и выбросов вредных веществ в окружающую среду.
Сотрудниками Научно-образовательного центра «Энергетический комплекс Дальнего Востока» разработана научно-исследовательская установка для исследования совместной работы солнечных коллекторов и теплового насоса. Для схемы установки коллекторов и тепловых насосов было выбрано экономичное и надёжное оборудование. Тепловой насос используется для теплоснабжения в зимний период года и холодоснабжения в летний в системах отопления, вентиляции и кондиционирования [2].
Основой для разработки такой научно-исследовательской установки стало крупномасштабное применение и использование во всём мире солнечных коллекторов и тепловых насосов. В условиях постоянно растущих цен на энергоносители и электроэнергию экономическая эффективность должна стать главной предпосылкой для массового внедрения инновационных технологий во всех отраслях народного хозяйства. Особенностью разработанной установки является то, что комбинирование солнечных коллекторов с тепловыми насосами позволяет исключить недостатки, возникающие при эксплуатации этих устройств, работающих раздельно, и существенно повысить их эффективность.
Установка на основе тепловых насосов и солнечных коллекторов используется в научно- исследовательской работе бакалавров, магистров, аспирантов и в учебном процессе кафедры теплогазоснабжения и вентиляции ДВГТУ, что повышает качество подготовки студентов.
На рис. 1 представлена принципиальная схема работы инновационной научно-исследовательской установки. Основным оборудованием установки являются тепловой насос фирмы «Florida Heat Pumps Manufacturing марки WP038-A
(США) производительностью 10,0 кВт и солнечные коллекторы (4 шт.) АЕ-40 фирмы «АЕЕ-8о1аг» (США) производительностью 2,5 кВт каждый.
Солнечные коллекторы являются источником для горячего водоснабжения и работы фанкойлов. Солнечные коллекторы установлены на крыше клуба «ВБВ». В данной установке они могут работать как совместно с тепловым насосом, так и отдельно.
Рис. 1. Принципиальная схема установки для исследования совместной работы солнечных
коллекторов и теплового насоса
При раздельной работе солнечных коллекторов и теплового насоса низкопотенциальным источником энергии для теплового насоса служит энергия, извлекаемая из грунта с помощью 4 скважин по 60 м глубиной, в которых установлен грунтовый теплообменник. Теплоноситель от грунтового теплообменника поступает сначала в бак-гидробуфер для выравнивания температурного
потенциала теплоносителя, а затем - в тепловой насос. Применение бака-гидробуфера улучшает эксплуатационные характеристики и повышает надежность работы теплового насоса, т.к. скачки температуры от источника низкопотенциальной энергии минимизированы. Для учёта параметров теплоносителя, поступающего из грунтового теплообменника, на оборудовании установлены датчики температуры, расхода и количества теплоты. В контуре грунтового теплообменника используется незамерзающая жидкость. Согласно проведённым исследованиям, для г. Владивостока средняя температура теплоносителя, поступающего от скважинного поля, составляет 4о С при стационарном режиме работы. В грунтовый теплообменник теплоноситель от установки поступает с температурой 2о С. Тепловой насос служит для повышения потенциала энергии, поступающей от грунтового теплообменника. Теплоноситель, циркулирующий по контуру «тепловой насос-потребитель», имеет температуру 40-50° С.
Недостатками установки, состоящей из теплового насоса и грунтового теплообменника, являются большие капиталовложения при устройстве грунтового теплообменника и снижение эксплуатационных характеристик из-за возможного уменьшения энергетического потенциала грунтового теплообменника. Снижение энергетического потенциала грунта связано с тем, что в условиях России часть года, когда из грунта потребляется тепловая энергия, значительно больше периода, когда в грунт поступает тепловая энергия, а при этом потребляется холод для целей кондиционирования зданий.
Основной задачей солнечных коллекторов является нагрев воды в баке-аккумуляторе за счёт солнечной энергии. Нагрев производится при падении температуры в баке до 40о С и ниже и прекращается при достижении температуры 60о С. От бака-аккумулятора теплоноситель идёт на нужды потребителя (горячая вода, отопление). В контуре солнечных коллекторов и бака-аккумулятора установлены датчики для определения температуры, количества теплоты теплоносителя и солнечной радиации, что позволяет проводить исследования и оптимизировать схему установки.
Недостатками работы солнечных коллекторов по рассмотренному контуру являются, во-первых, ограниченный временной период нагрева теплоносителя, что связано с погодными условиями, временем суток и временем года, во-вторых, возможный перегрев теплоносителя в баке-аккумуляторе при отсутствии водопотребления, в этом случае предусмотрен сброс горячей воды.
При совместной работе солнечных коллекторов и теплового насоса, если температура воды для горячего водоснабжения удовлетворяет поставленным условиям, избытки теплоты от солнечных коллекторов поступают в скважинное поле (летний период) или в бак-гидробуфер (зимний период). Для этого в контуре солнечных коллекторов установлен пластинчатый теплообменник, предназначенный для утилизации теплоты от солнечных коллекторов. В летний период сбрасываемая теплота от солнечных коллекторов аккумулируется в грунте, что благоприятно влияет на работу тепловых насосов в отопительный период. Теплота в скважинное поле сбрасывается до тех пор, пока не возникнет потребность в нагреве воды для горячего водоснабжения. Однако в пасмурные дни, а также в ночное время, когда температура теплоносителя от солнечного коллектора может быть меньше 20о С, нагрев воды происходит за счёт работы теплового насоса. В этом случае сброс низкопотенциальной энергии от солнечного коллектора происходит в бак-гидробуфер.
Применение описанной схемы решает проблему утилизации избыточной теплоты от солнечных коллекторов, поддерживает температурный потенциал в грунтовом теплообменнике, а также позволяет без перебоев обеспечивать потребителя горячей водой.
В системе солнечного теплоснабжения протекают процессы лучистого, конвективного теплообмена и теплопроводности. Основным из них является лучистый теплообмен, т.к. посредством распространения внутренней энергии Солнца путем электромагнитных волн происходит нагрев тепловоспринимающей поверхности солнечных коллекторов.
Распределение теплоты осуществляется по всей тепловоспринимающей поверхности за счет теплопроводности. Распределение температуры на поверх-
ности черного тела, по закону Стефана-Больцмана, показано на рис. 2. Солнечный коллектор представляет собой теплообменный аппарат, который преобразует лучистую энергию солнца в тепловую и характеризуется теплопроизводи-тельностью, которая определяется по формуле (1):
где Б - суммарная площадь коллектора, м;
2 2
1к - количество солнечной радиации, поступающей на 1м , Вт/м ;
Б(та) - оптический КПД коллектора;
Б(иЪ) - приведенный коэффициент тепловых потерь СК, Вт/м2*0С;
1;г - средняя температура теплоносителя в СК, 0С;
1;В - температура воздуха, 0С.
Количество солнечной радиации определяется по формуле (2):
Е _ с 4 (ш) , Вт/м2 . (2)
Температура тепловоспринимающей поверхности коллектора (1;г) определяется по формуле (3):
■ = ::-'-:--:7;,0С , (3)
22
где Е - количество солнечной радиации, поступающей на 1м , Вт/м ;
2 4
С=5,67 Вт/(м *К ) - коэффициент излучения абсолютно черного тела.
5 ------:------:---------! :—: {—;-------:---------:—і—:—I—:—-----;---------:—;—■—;—1—г
О ---1- I т * Т—І г— I г —і---------Г— і —і г— т -1- - -1- г
320 344 369 396 424 453 484 517 551 587 625 664 706 749 794 841 890 942 995 1051
Рис. 2. Распределение температуры на поверхности черного тела по закону Стефана-Больцмана
На основании приведенных формул, описывающих процессы теплообмена, и полученных результатов параметров сред, находящихся во взаимодействии друг с другом, а также с внешней средой, можно вычислить количество поступающей теплоты при прямом и косвенном режимах работы системы. Необходимо провести анализ сравнения эффективности работы этих режимов в зависимости от интенсивности солнечной радиации. Но для нахождения полного энергетического потенциала вещества необходимо выполнить термодинамический анализ на основе понятия эксергии рабочего тела [1].
Эксергия вещества определиться по формуле (4):
5х = — ]0) - — 50)] 5 ккал, (4)
где с - расход среды, кг/ч;
и.. - энтальпия среды на входе, ккал/кг;
I, - энтальпия среды, принятой за границу отсчета, ккал/кг;
J: - абсолютная температура среды, принятой за границу отсчета, К;
3Е3. - энтропия среды на входе, ккал/кг*0С;
- энтропия среды, принятой за границу отсчета, ккал/кг*0С.
На установке были проведены эксперименты и построены графики согласно полученным данным по выработке тепловой энергии и по ее потреблению.
Из графика поступления солнечной радиации в течение дня (рис. 3) видно, что утренним часам (9:00-11:00) соответствует интенсивность солнечной радиации 200-400 Вт/м , эти же показатели интенсивности имеет солнечная активность в вечерние часы дня (17:00-19:00). Максимум солнечной активности
10:00 11:00 11:30 12:00 13:00 13:30 13:50 14:00 15:00 15:20 15:50 16:00 17:00 18:00
Рис. 3. Поступление солнечной радиации на горизонтальную поверхность, Вт/м2
приходится на полуденные часы (13:50-15:00). Падение интенсивности солнечной радиации обусловлено небольшой облачностью, вызывающей колебание поступления солнечной энергии.
Если рассмотреть работу системы теплоснабжения при работе только солнечных коллекторов и соответственно прямого режима нагрева, то в период с 12:00 до 14:00 ч поступление энергии, а вместе с ним и количество потребляемой теплоты с горячей водой снижается и вовсе прекращается. В 16:00 ч потребление превышает производительность солнечных коллекторов, которая компенсируется затратами электрической энергии (рис. 4).
5000
4000
3000
н со
2000
1000 о
10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00
Часы суток
Рис. 4. Количество теплоты, поступившей (синий цвет) и израсходованной (красный цвет) из бака-аккумулятора при работе только СК, Вт
Во время падения интенсивности солнечной радиации в системе теплоснабжения происходит изменение режимов работы установки, что соответствует совместной работе солнечных коллекторов и теплового насоса (рис. 5).
4500 4000 3500 3000 н 2500 “ 2000 1500 1000 500 О
10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00
Часы суток
Рис. 5. Количество теплоты, поступившей (синий цвет) и израсходованной (красный цвет) из бака-аккумулятора при смене режимов, Вт
При интенсивности солнечной радиации 350-400 Вт/м (11:00 ч), что соответствует изменению температуры нагреваемой среды от 16,28 0 С до 26,87 0 С, происходит подключение теплового насоса и количество теплоты, выработанной в этом режиме работы, равно 3500 Вт. Очевидно, что потребление теплоты не превышает ее выработки, следовательно, тепловой насос и солнечный коллектор обеспечивают потребности в горячей воде без использования электронагревателя.
Тепловой насос включается в работу схемы теплоснабжения при низкой солнечной активности с коэффициентом преобразования Ппю=2 (рис. 6). При минимальном значении интенсивности излучения, соответствующего 13:00 ч, коэффициент Ппю достигает значения 3,75, затем при росте солнечной активности тепловой насос отключается, т.к. достаточно энергии солнца, но при увеличении потребления горячей воды он включается перед 16:00 ч, чтобы удовлетворить потребности потребителя в горячей воде.
10:00 11:00 11:30 12:00 13:00 13:30 13:50 14:00 15:00 15:20 15:50 16:00 17:00 18:00
Рис. 6. Изменение коэффициента преобразования Ппнэ теплового насоса
При анализе влияния на работу солнечного коллектора и теплового насоса при совместном режиме их работы от температуры греющей среды в контуре солнечных коллекторов (рис. 7) можно сделать вывод, что тепловой насос работает с наибольшим коэффициентом преобразования при падении температуры среды в контуре солнечных коллекторов до 40О С и ниже.
Максимальное количество энергии, поступающей при косвенном режиме работы системы, соответствует температуре среды в баке-гидробуфере от 18,8 0 С до 20,8 0 С (рис. 8).
Отсюда следует, что режим косвенного нагрева позволяет не прекращать нагрев теплоносителя в баке-аккумуляторе в период слабой интенсивности солнечной радиации. Представленная схема теплоснабжения запатентована как полезная модель [3].
1200.0
1000.0
300.0'
600.0
й
400.0
200.0 0.0
-200.0
'т—ш^
24 .2 33 .6 33 32.0 33.2 -5С ,0 57 .? 43 .5 53 .0
°С
Рис. 7. Количество поступающей энергии в прямом (синий цвет) и косвенном (красный цвет) режимах, в зависимости от температуры греющей среды в контуре солнечных коллекторов
1 *)ПП п
іиии,и япп п
I- ей Д.ПП П
0 У
и,и ТПГк п 1 О 1 52 О 1 С 1 . 1Г о ос; з *)Я 0 та о 10 0
£. °С
Рис. 8. Количество поступающей энергии в прямом (синий цвет) и косвенном (красный цвет) режимах, в зависимости от температуры среды в баке-гидробуфере, Вт
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. М.: Энергоатомиздат, 1988. 286 с.
2. Рей Д., Макмайл Д. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1982. 224 с.
3. Штым А.С., заявитель и патентообладатель; Автономная некоммерческая научнообразовательная организация ДВГТУ «Научно-технический и внедренческий центр “Модернизация котельной техники”» Комбинированная система теплоснабжения // Патент на полезную модель № RU 85989. Опубл. 20.08.2009. Бюл. 23.
