CC BY
12
DOI: 10.18454/IRJ.2016.50.116 Сучилин В. А.1, Кочетков А.С.2, Губанов Н.Н3.
1ORCID: 0000-0001-7467-5033, Доктор технических наук, 2,3магистр, Российский государственный университет туризма и сервиса ПРИНЦИП МОДУЛЬНОСТИ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК
Аннотация
В статье рассматриваются вопросы модульного принципа построения теплонасосных установок(ТНУ) типа грунт-вода для отопления и горячего водоснабжения помещений. Предлагается новый подход к разработке внешнего контура теплового насоса, позволяющего решать проблему стабилизации теплового баланса грунта в зоне низкотемпературного теплообменника.
Сущность новизны заключается в включении во внешний контур теплового насоса структурного модуля в виде аккумулятора тепловой энергии, подключенного к солнечному коллектору.
Ключевые слова: теплонасосные установки, теплообменники, структурные модули.
Suchilin V.A.1, Kochetkov A.S.2, Gubanov N.N3.
1ORCID: 0000-0001-7467-5033, PhD in Engineering; 2,3master, Russian State University of Tourism and Service A MODULAR HEAT PUMP SYSTEMS
Abstract
The article deals with the modular principle, constructed eniya heat pump systems (HPS) such as groundwater for heating and hot water facilities. A new approach to the insert processing of the external heat pump circuit, which allows to solve the problem of the stabilization of soil heat balance in the low-temperature heat exchanger zone. The essence of innovation is the inclusion of the outer contour of the heat pump module structure in the form of thermal energy storage, sub-connection to a solar collector.
Keywords: heat pumps, heat exchangers, structural modules.
В настоящее время потребность в энергии в стране растет быстрыми темпами, особенно в системах отопления и горячего водоснабжения, в то время как возможности получения ее в необходимом количестве постоянно снижаются, что возрождает интерес к альтернативным источникам энергии и, в частности, к теории и практике применения тепловых насосов (ТН), позволяющих расширять возможности по снабжению тепловой энергией не только частные дома и дачи, но и здания, и помещения ЖКХ и службы быта.
Рынок насыщен отечественными и зарубежными ТН, отличающиеся структурными и конструктивными решениями. В то же время и потребность в данном виде агрегатах неуклонно меняется, что связано чаще всего с развитием частного строительства и расширения сферы малых предприятий. При этом возникают вопросы выбора того или иного вида теплового насоса, отвечающего конкретным условиям функционирования и требованиям эффективности, и надежности в процессе эксплуатации[1]. Важно также учитывать, что ТНУ включает не только тепловой насос, но и ряд устройств, обеспечивающих его функциональное назначение. Это, например, для теплонасосных установок типа грунт-вода, как наиболее востребованных населением, внешний контур с теплообменником, помещенный в грунт, внутренний контур с теплообменником в виде батарей отопления, размещенных в помещении или теплообменника из труб для теплого пола в помещении, а также бак-накопитель для горячего водоснабжения и др. Эти и им подобные устройства также могут отличаться структурно и конструктивно. Очевидно, что потребность в них у заказчика как правило индивидуальна. Классифицируя их как сборочные единицы -структурные модули, можно решить задачу гибкости компоновки ТНУ для потребностей заказчика, тем самым способствовать росту спроса на данное оборудование со стороны населения. В этом случае самым простым по структуре ТНУ может быть теплонасосная установка, включающая ТН, внешний и внутренний контуры с соответствующими теплообменниками. Для расширения функциональных возможностей ТНУ возможно подключение целого ряда существующих, отмеченных выше, и разрабатываемых модулей, что соответствует тенденции развития альтернативной энергетики у нас в стране [1-4].
Необходимо отметить, что еще не в полной мере решены задачи со стабильностью теплопередачи в ТНУ. Так известно, что в средней полосе страны грунт на глубинах 5-10 м имеет температуру порядка +5°С, которая очень мало меняется в течении всего года. В более южных районах эта температура может достигать +10°С и выше. Тем не менее, постоянный отбор тепла из грунта внешним контуром теплового насоса длительное время значительно снижает температуру грунта вокруг теплообменника по сравнению с исходной. Это приводит к падению энергоэффективности теплонасосных установок.
Стабилизации энергоэффективности системы ТНУ при эксплуатации иногда пытаются достигать за счет использования солнечного коллектора, соединенного с теплообменником внешнего контура ТН. Однако малый объем низкотемпературного теплоносителя теплообменника и низкая теплопроводность грунта в зоне его не позволяют в полной мере восстановить тепловой потенциал окружающего грунта за летний период.
ТНУ грунт-вода отличаются прежде всего структурой внешнего контура, схематично показанных на рисунке.
Рис. - Схемы внешних контуров ТНУ типа грунт-вода: а - горизонтальный теплообменник; б - вертикальный теплообменник в скважине; в - вертикальный теплообменник в колодце (предложенный авторами)
ТНУ с контуром а) подходит для домов с достаточно большой площадью участка земли. Мощность отбора тепла зависит от свойств почвы. Чем влажнее почва, тем выше эта мощность. Приводим прикидочный расчет ТНУ для разных внешних контуров: Например, тепловая потребность дома площадью 100-120 м2- 10 кВт; температура воды в системе отопления (теплый пол) принимаем равной 35 °С. Выбран тепловой насос мощностью 12 кВт из существующего технического ряда оборудования. Для отбора тепловой энергии из грунта и работы компрессора требуется 3 кВт энергии. Теплосъем с поверхностного слоя грунта (сухая глина) q равняется 20 Вт/м.п. Соответственно получаем:
1) требуемая тепловая мощность теплообменника внешнего контура ТН
0о=12-3=9кВт;
2) суммарная длина труб Ь = = 9/0,020 = 450 м.п. Для организации такого контура потребуется 10 траншей длиной по 45 м;
3) при шаге укладки 0,8 м необходимая площадь участка 8 = 450 х 0,8 = 360 м2;
ТНУ с подобным внешним контуром требует больших затрат на земельные и монтажные работы, что является препятствием для широкого внедрения ТН в практику альтернативного теплоснабжения населения.
ТНУ с контуром б) подходит для домов с небольшими участками земли. Исходные данные - те же, что и в приведенном выше расчете горизонтального контура. При удельном теплосъеме зонда 25 Вт/м и требуемой мощности 9 кВт длина зонда Ь должна составить 360 м. Для устройства коллектора необходимо пробурить четыре скважины глубиной по 85 м. В каждой из них разместить трубы диаметра 32 мм в виде петли; всего - 4 х 170 м с общей длиной 680м.
Выполнение скважин требует сложной техники, монтажные операции дороги и мало доступны в сельской и дачной местности, т.е. система не технологична с точки зрения монтажных работ. Кроме того, она не ремонтопригодна, так как в глубоких скважинах невозможно ремонтировать теплообменник внешнего контура и саму скважину.
ТНУ с контуром в) выгодно отличается от описанных выше. Колодец диаметром 1м и глубиной в пределах 10 м, в котором расположен теплообменник из полимерной трубы, например диаметром 32 мм, уложенной по винтовой линии на всю глубину колодца, плотно прилегающих к стенке его, а в центральной части колодца внутри цилиндрической формы теплообменника размещен структурный модуль - аккумулятор тепловой энергии, выполненный в виде полимерной цилиндрической емкости. Причем колодец выполнен из составных бетонных колец с крышкой, что обеспечивает технологичность монтажных работ и сохранность тепла в колодце.
При тех же исходных данных суммарная длина труб для теплообменника составит всего: Ь=хЭ*(Ь/ф =98,125м, где пЭ-длина одного витка трубы теплообменника в колодце, И-глубина колодца, ^диаметр трубы теплообменника. Эффективность ТНУ достигается за счет наличия аккумулятора тепловой энергии, содержащего порядка 10 тонн низкотемпературного теплоносителя. Согласно заявки на изобретение [3] он подключен к солнечному коллектору(СК), чем и обеспечивается стабильность накопления и передачи тепла грунту в зоне внешнего теплообменника ТНУ. Важно также отметить, что технология копки колодцев на глубину до 10 м не требуют специальной техники и хорошо отработана у многочисленных частных бригад. Если взять типовой СК площадью -1,74м2 и прокачку антифриза-12 л в минуту, то за 8 часов работы СК через него пройдет 12*60*8=5760 литров антифриза. Известно, что на нагрев 1 тонны воды (в нашем случае антифриза) для бассейна подобным СК на 1оС надо 1,1 кВт ч энергии. С учетом нестабильности солнечной энергии в течении дня, принимаем нагрев 1 тонны антифриза в среднем на 0,7оС. Т.е. за сутки на нагрев использовано солнечной энергии 5,76*0,7*1,1=4,4кВт ч. А весь объем аккумулятора тепловой энергии потребует порядка 8-9 кВт ч. Можно установить два подобных СК, но в этом нет необходимости, т.к. в летний период расход тепловой энергии низкотемпературного теплоносителя идет в основном на горячее водоснабжение. Это всего лишь малая часть мощности ТНУ. Вся избыточная тепловая энергия будет накапливаться в грунте для зимнего отопления помещений и расширения комфортного его состояния.
Таким образом предложенный аккумулятор тепловой энергии во внешнем контуре ТН позволит повысит стабильность и энергоэффективность ТНУ, и расширить функциональные возможности установок, практически решая вопрос многовариантности ТНУ для населения и малых предприятий ЖКХ, и бытового обслуживания.
Литература
1. Филиппов С.П. Малая энергетика в России / С.П. Филиппов // Теплоэнергетика. - 2009. - №8. - С. 38-42.
2. Сучилин В. А., Кочетков А. С., Голиков С. А. Гибкие системы отопления и горячего водоснабжения на основе тепловых насосов. ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ (ЕСУ). Ежемесячный научный журнал, № 1(22) / 2016, Часть 2 -С.133-136.
3. Сучилин В.А., Кочетков А.С. Система отопления и горячего водоснабжения помещений. Заявка на изобретение - МПК F25B30/02. Регистрация в ФИПС - №2016104802 от 12.02.16.
4. http://solarsoul.net/.
References
1. Filippov SP Small power in Russia / SP Filippov // Heat energy. - 2009. - №8. - S. 38-42.
2. Suchilin V.A, Kochetkov A.S., Golikov S.A. Flexible heating and hot water system based on heat pumps. SCIENTISTS EURASIAN UNION (ESU). The monthly scientific journal, № 1 (22) / 2016 Part 2 - S.133-136.
3. Suchilin VA, Kochetkov A.S. Heating and hot vodosnabtion facilities. An application for an invention - F25B30 / 02 IPC. Registration in FIPS - №2016104802 on 02/12/16.
4. http: //solarsoul.net/.
DOI: 10.18454/IRJ.2016.50.105 Тихомиров Д.А.1, Васильев А.Н.2
1 Доктор технических наук, 2доктор технических наук, ФГБНУ Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства ПРОГРАМНЫЙ ПРОЕКТ РАСЧЕТА ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ
ЖИВОТНОВОДСТВА
Аннотация
В статье рассмотрен программный проект для ПК по расчету основных теплоэнергетических параметров объектов животноводства, которые служат основой для выбора теплового оборудования и системы теплоснабжения. Представлен алгоритм расчета. Выбор оптимальной системы теплообеспечения приводит к снижению энергозатрат и себестоимости сельскохозяйственной продукции. Определена область эффективного использования электрических систем. Сформулированы основные концептуальные направления их дальнейшего развития.
Ключевые слова: теплоснабжение, животноводство, программный проект.
Tikhomirov D.A.1, Vasiliev A.N.2
:PhD in Engineering, 2PhD in Engineering, All-Russian Scientific-Research Institute for Electrification of Agriculture
SOFTWARE PROJECT CALCULATING HEAT AND POWER PARAMETERS OF LIVESTOCK FACILITIES
Abstract
The article describes a software project (the algorithm, program code, interface, database) for PC for calculating the basic parameters of thermal power livestock facilities that serve as the basis for selection of heating equipment and heat supply system. The algorithm of calculation is presented in the article. The choice of an optimal heat supply system leads to the reduction of energy consumption and cost of agricultural products. The range of efficient use of electrical systems. Formulated the basic conceptual directions of their further development aimed at improving their energy efficiency.
Keywords: heat supply, animal husbandry, software development.
Сельскохозяйственное производство является крупным потребителем топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в стационарных процессах в объеме около 10 млн. тут. Из них свыше 65 % используется в системах теплообеспечения множества производственных объектов: животноводческих ферм, птицефабрик, предприятий по сушке, переработке и хранению сельскохозяйственной продукции, фермерских и личных подсобных хозяйств. Теплота используется в технологических процессах обеспечения микроклимата, горячего водо- и пароснабжения, отопления, тепловой обработки кормов, сушки, хранения, переработки различных видов сельскохозяйственной продукции и ряде других технологических процессов.
Для этих целей используется различное теплоэнергетическое оборудование, работающее на природном газе, жидком и твердом топливе, электроэнергии на базе которого формируются системы теплообеспечения.
Расчет потребной мощности, а также годового потребления энергии в тепловых процессах сельскохозяйственного производства служит основой для выбора теплоэнергетического оборудования и последующего обоснования системы теплообеспечения.
Для проведения автоматизированного расчета теплоэнергетических показателей объекта разработан программный проект для персонального компьютера. Расчет ведется для каждого отдельного помещения, причем для помещений, в которых содержатся животные, учтены технология и способ их содержания. Алгоритм расчета (рис.1.) создан на теоретической базе известных методических рекомендаций с рядом новых существенных дополнений [1]. С целью повышения точности расчета годовой расход теплоты на подогрев приточного воздуха определяется не по средней температуре за отопительный период, а по дифференциальным функциям распределения стояния температуры наружного воздуха рассматриваемой климатической зоны, которые взяты из климатологического справочника и внесены в базу данных проекта.
