Тепловые насосы

Снижении температуры и воздухообмена в нерабочее время и утилизации тепла отработанного воздуха.

Потенциал энергосбережения при одновременном снижении перетопов,

Эффект от одновременного осуществления всех трёх мероприятий удобно рассчитывать раздельно для рабочего и нерабочего времени.

В рабочее время t_вн. =19°С, z_раб.=1100 ч, V_возд.= 81,6 м³/ч, регенерация тепла 90%.

Q_{потерьРаб}= Q_окнаР+Q_стеныР+Q_возд.Р=(t_вн. – t_{отоп.пер.})× ×z_раб´(A_окон./R_окон+A_стен./R_стен+0,1´с_возд.´r_возд.´V_возд)

Q_{потерьРаб}= (19–(-1,8))°С´1100ч´3600c/ч´ × [3,14м²/0,44(м²°С)/Вт+

+9,67м²/2,42м²´°С/Вт+0,1´1кДж/(кг´°С)´ ×1,30кг/м³´81,6 м³/3600c]= 20,8°С´3,96´10⁶с´[7,14+4,00+2,95] Дж/°С´с = 82,37°С´с ´14,09 МДж/°С´с =

=1161 МДж.

В нерабочее время t_вн. =12°С, z_нераб.= 4180ч, V_возд.= V_возд.0,2= 0,2 1/ч´62,3м³=

=12,5 м³/ч, регенерация тепла 90%.

Q_{потерьНераб}= Q_окнаН+Q_стеныН+Q_возд.Н=

= (t_вн. – t_{отоп.пер.}) z_нераб´ (A_окон./R_окон+A_стен./R_стен+0,1´с_возд.´r_возд.´V_возд.0,2)

Q_{потерьНераб}= (12–(-1,8))°С´4180ч´3600c/ч´[3,14м²/0,44(м²°С)/Вт+

+9,67м²/2,42м²´°С/Вт+0,1´1кДж/(кг´°С)´1,30кг/м³´12,5м³/3600c]=

=13,8°С´15,048´10⁶с´[7,14+4,00+0,45] Дж/°С´с = 207,7°С´с ´11,59 МДж/°С´с = = 2407 МДж.

Суммарные потери составят: Q_{потерьСумм.}= Q_{потерьРаб} +Q_{потерьНераб}= 1161 МДж + 2407 МДж = 3568 МДж

Экономия по сравнению с базовым вариантом составит:

ΔQ_сумм = Q_{потерь23}– Q_{потерьСумм.} =

= 19144 МДж - 3568 МДж = = 15576 МДж´0,25руб/МДж=3894 руб.

Итак, потенциал энергосбережения при одновременном выполнении всех трёх мероприятий составляет 15576 МДж или 3894руб., т.е. 191 руб/м² в год. Для здания на ул.Седова, 55 площадью около 3600 м² это составит почти 700 тыс.рублей в год.

Существенно повышает энергоэффективность национальных экономик использование возобновляемых источников энергии, к которым относятся солнечное излучение, ветер, биотопливо, тепло грунта, воды и атмосферы.

Наибольшее распространение получило использование тепла окружающей среды с помощью тепловых насосов.

В природе тепло самопроизвольно передаётся от более нагретого тела менее нагретому. Для передачи тепла в обратном направлении необходимо использовать холодильную машину, в которой осуществляется обратный термодинамический цикл.

Холодильные машины применяются в холодильниках, кондиционерах и тепловых насосах. По сути все эти устройства являются тепловыми насосами, то есть переносят тепло. Отличие только в том, откуда и куда переносится.

В домашних холодильниках тепло забирается у продуктов, помещённых в холодильник, и через оребрённый конденсатор на задней стенке холодильника передаётся воздуху кухни.

В кондиционерах тепло забирается у воздуха помещения и выносится на улицу. В реверсивных кондиционерах с помощью четырёхходового клапана может изменяться направление переноса тепла. В холодное время года такие кондиционеры забирают тепло на улице и переносят в помещение для его обогрева.

В тепловых насосах тепло забирается у грунта, воды или атмосферы и переносится в помещение для обогрева.

Во всех описанных устройствах принцип действия и состав холодильных машин (тепловых насосов) одинаков.

На рисунке 1.8 приведена схема теплового насоса, использующего тепло грунта для теплоснабжения жилого дома.

Грунтовый замкнутый контур (1), по которому циркулирует рассол (смесь воды с антифризом), состоит из пластинчатого теплообменника B/C, насоса, обеспечивающего циркуляцию рассола (на схеме не показан), и теплообменных труб большой протяжённости, заглублённых в грунт на глубину ниже глубины промерзания.

Компрессионная холодильная машина (2) состоит из испарителя С, компрессора D, конденсатора E и терморегулирующего расширительного крана F, соединённых трубопроводами и образующих замкнутый герметичный контур, внутри которого циркулирует хладагент.

Контур теплоснабжения (3) состоит из пластинчатого теплообменника G/E, насоса, обеспечивающего циркуляцию рассола (на схеме не показан), систем теплопотребления и соединяющих их трубопроводов.

Рис.1.8. Схема теплового насоса

Температура грунта на глубине заложения теплообменных труб всегда больше температуры рассола, поэтому от грунта рассолу теплопроводностью через стенки труб передаётся тепло

Q = α×Δt×F,

где α– коэффициент теплопередачи от грунта к рассолу, Вт/^оС м²;

Δt – разница температур между грунтом и рассолом, ^оС;

F – площадь поверхности теплообменных труб, м².

Это тепло через стенку пластинчатого теплообменника B/C теплопроводностью передаётся хладагенту и расходуется на его испарение. Компрессор D cжимает газообразный хладагент, в результате чего он нагревается до 100^оС.

В пластинчатом теплообменнике G/E тепло теплопроводностью передаётся от хладагента воде контура теплоснабжения, которая используется для горячего водоснабжения и отопления помещения. Хладагент при этом конденсируется.

T-s диаграмма идеального обратного термодинамического цикла Карно теплового насоса приведёна на рисунке 1.9.

Рис.1.9. Обратный цикл Карно на T-S диаграмме.

На диаграмме отрезок 1-2 отражает изотермическое испарение хладагента в испарителе, отрезок 2-3 – адиобатическое сжатие хладагента в компрессоре, отрезок 3-4 – изотермическую конденсацию хладагента в конденсаторе, отрезок 4-1 – дросселирование хладагента через терморегулирующий клапан F.

На T-s диаграмме площадь прямоугольника b-4-3-a представляет количество тепла, отданного конденсатором q_к:

q_к = Т_к (s_b – s_a)

Площадь прямоугольника b-1-2-a эквивалентна количеству тепла, отбираемого хладагентом в испарителе q₀:

q₀ = Т₀ (s_b – s_a)

Разность этих площадей, или площадь 1-2-3-4, есть затраченная работа W:

W = q_к - q₀

Когда холодильная машина используется для охлаждения (в холодильнике, кондиционере), для оценки её эффективности применяется холодильный коэффициент ε, он же EER (energy efficiency ratio), равный отношению холодопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором:

ε = q₀/W = Т₀/(Т_к – Т₀)

Когда холодильная машина используется для отопления (в тепловом насосе и в реверсивном кондиционере), для оценки её эффективности применяется отопительный коэффициент μ, он же СОР (coefficient of performance), равный отношению тепла, отданного конденсатором q_к, к мощности, потребляемой компрессором:

μ = q_к/W = ε + 1 = Т_к/(Т_к – Т₀)

Значения холодильного коэффициента EER для идеального обратного цикла Карно в зависимости от температуры испарения при температурах конденсации 20 °С, 30 °С и 40 °С показаны на рис. 1.10.

Из рисунка и из формул видно, что при использовании в качестве низкотемпературного источника атмосферного воздуха при похолодании эффективность тепловых насосов заметно снижается.

Например, при Т_к=30°С=303 К и Т₀=15°С=288К μ=303/15=20,2.

А уже при Т₀=5°С=278К μ=303/25=12,1.

Рис.1.10.Отопительный коэффициент обратного цикла Карно

Изменение направления движения хладагента в контуре теплового насоса с помощью четырёхходового крана позволяет изменять направление передачи тепла кондиционером (рис.1.11).

Рис.1.11. Сплит-система, имеющая режимы охлаждения и обогрева

При повороте четырёхходового крана на 90^о изменяется направления движения хладагента, внутренний теплообменник становится конденсатором, а внешний - испарителем. Кондиционер начинает переносить тепло с улицы в помещение, т.е. обогревать его.

Дата добавления: 2014-01-05