Перспективы совместного применения тепловых насосов и низкотемпературных солнечных коллекторов

02.06.2017

Небольшая эффективность и высокая стоимость существующих солнечных коллекторов (СК) ограничивают области целесообразного применения систем солнечного теплоснабжения. Однако истощение запасов органического топлива и его чрезмерное удорожание, тревожная экологическая обстановка в мире из-за вредных и тепловых выбросов в атмосферу диктуют необходимость поиска методов повышения энергоэффективности систем теплоснабжения, поскольку они потребляют значительное количество тепловой энергии различного потенциала. Согласно [1], до 40% всего добываемого в мире топлива расходуется на эти нужды и поэтому развитые европейские страны стремятся в сфере теплоснабжения максимально полно использовать нетрадиционные источники тепла: низкотемпературные вторичные и возобновляемые энергоресурсы. Особое значение имеют солнечная энергия, энергия грунта, сточных и грунтовых вод и т.д. Ряд стран бывшего СССР, ориентированных на привозное топливо и имеющих благоприятные климатические условия (страны Закавказья, Черноморского региона и т.д.), могут весьма успешно использовать эти виды энергии (особенно солнечную). Однако, проектировщики и узкие специалисты сталкиваются со слабой научной, проектной и эксплуатационной базой систем солнечного теплоснабжения, техническими трудностями и высокой стоимостью привозного европейского оборудования, а также с психологическими факторами: системы солнечного теплоснабжения в бывшем СССР были почти научной фантастикой.

В данной статье рассмотрены вопросы совместного использования низкотемпературных СК и теплового насоса (НСК+ТН) в системе солнечного теплоснабжения, комбинация которых позволяет обеспечить высокую энергоэффективность и устойчивую работу системы за весь период летних и переходных месяцев года. С применением грунтовых аккумуляторов тепловой энергии такие системы могут конкурировать и с традиционными источниками тепла.

Для сравнения были также рассмотрены особенности вариантов систем теплоснабжения, в которых источником тепла являются среднетемпературные СК (ССК) и котлы районной котельной.

 

Схема с низкотемпературными солнечными коллекторами в комбинации с тепловым насосом

Принципиальная схема системы теплоснабжения с НСК+TН [2] с изложением основных узлов и принципа работы системы приведена на рис. 1.

схем

Первый контур включает в себя бак-аккумулятор 1, циркуляционный насос 2, подающий 3 и обратный 4 теплопроводы, соединенные с внутренней системой жилых зданий микрорайона и конденсатором 5 ТН второго контура.

Во втором контуре источника тепла в состав ТН, кроме конденсатора 5, включены дроссель 6, испаритель 7 и компрессор 8.

Четвертый контур - это система утилизации солнечной энергии с низкотемпературным СК 9, насосом 10 и баком-аккумулятором 11 низкопотенциального источника тепла, обводным байпасным трубопроводом 12 со своей арматурой.

Принцип работы системы теплоснабжения с НСК+TН следующий. В часы солнечного сияния теплота радиации при помощи СК передается теплоносителю - воде или рассолу (NaCl). Нагретый в СК теплоноситель охлаждается в испарителе ТН и возвращается в бак-аккумулятор для последующего нагрева. В ночные и пасмурные часы вода или рассол проходит через байпасную линию, минуя СК, для сокращения тепловых потерь. При применении грунтового аккумулятора (на схеме не показано) вместо аккумулятора 11 можно получить возможность использования данной системы и в зимние месяцы, однако это, а также использование третьего контура (подача воды из грунтового аккумулятора в испаритель 7), в последующих расчетах не предусмотрено.

За счет низкопотенциального тепла, передаваемого от низкотемпературного СК, в испарителе 7 хладагент испаряется, и пары поступают в компрессор 8. Сжатые пары хладагента с температурой 80-85 С обеспечивают нагрев теплоносителя первого контура. Нагретый, например до 65 С, теплоноситель поступает в бак-аккумулятор 1 и далее подается к жилым зданиям микрорайона.

Поскольку температура теплоносителя в НСК близка температуре окружающей среды, то существенно сокращаются тепловые потери от поверхностей НСК, что и приводит к повышению энергетической эффективности системы солнечного теплоснабжения. Кроме того, значительно сокращается необходимая поверхность НСК, повышается их надежность. Сокращаются тепловые потери от теплопроводов при транспортировке низкотемпературного теплоносителя, однако повышается необходимая поверхность отопительных приборов при естественной циркуляции воздуха, установленных в помещениях зданий. Во избежание этого, следует применять фанкойлы, которые можно использовать также и при хладоснабжении зданий микрорайона.

uhfa
 

Сравнение вариантов

В расчетах параметров оборудования системы теплоснабжения с ССК определяющей является площадь поверхности коллекторов (FССК), которая может быть определена различными методами. Нами выбран метод, изложенный в [3], а в качестве тепловой нагрузки принята нагрузка ГВС зданий городского микрорайона (∑QГВС):

FССК=ΣQГВС/(IаηССК),

где Iа - суммарная солнечная радиация местности, ηССК - коэффициент эффективности ССК.

Значения солнечной радиации местности определены в зависимости от месячных суммарных радиаций и продолжительности солнечного сияния. Актинометрические и метеорологические данные местности, например, для условий г. Еревана, представлены в таблице.

табл

При снижении суммарной солнечной радиации и повышении среднемесячной температуры наружного воздуха эффективность ССК (ηССК) повышается и достигает максимума в июле месяце. В целом, среднесезонная эффективность ССК с неселективным поглощающим покрытием составляет примерно 0,48 (рис. 2). Наибольшая эффективность для НСК составляет 0,7-0,74.

Были проведены расчеты системы теплоснабжения для микрорайона г. Еревана с численностью 20 тыс. чел., нагрузкой ГВС - 7 МВт и продолжительностью нагрузки - 7 мес. в году (с апреля по октябрь). Площадь необходимой поверхности ССК для покрытия нагрузки ГВС составила 2 м2/чел. и, соответственно, для всего микрорайона - 40 тыс. м2.

Для системы теплоснабжения с НСК+ТН требуемая поверхность коллекторов (FНСК+ТН) в течение указанного сезона представлена в виде графика на рис. 3. Как следует из графиков этого рисунка расчетная поверхность НСК при использовании ТН может составить 16,5 тыс. м2, что в 2,4 раза меньше по сравнению с ССК.

Рассматриваемые системы следует сравнить по технико-экономическим показателям с традиционными источниками тепла - с котлами. Производя подбор оборудования, следует определить приведенные затраты за сезон по удельным капитальным вложениям на сравниваемые системы теплоснабжения и стоимости условного топлива. Необходимо учесть и экологический ущерб из-за применения той или иной системы теплоснабжения с различными источниками тепла.

В результате проведенных расчетов было определено, что для системы теплоснабжения с ССК приведенные затраты составят 444 тыс. долл. США/год, для системы с НСК+ТН - 454,7 тыс. долл. США/год, а для системы с районной котельной - 531,9 тыс. долл. США/год. Из полученных результатов следует, что сравниваемые варианты систем солнечного теплоснабжения почти равноценны (система с НСК+ТН по приведенным затратам превосходит систему с ССК на 2,4%). Однако каждая из систем имеет свои положительные и отрицательные стороны, как с экономической, так и технической стороны, которые могут нарушить эту равноценность. В частности, повышение стоимости электрической энергии, уменьшение тепловой нагрузки, приведут к удорожанию системы с НСК+ТН. В регионах, где интенсивность солнечного сияния и температура наружного воздуха в указанные месяцы ниже, а также высоки цены на земельные участки и т.п., снижаются энергоэкономические показатели системы с ССК. Вариант системы с районной котельной по затратам на 17% превышает другие системы и основная статья расходов - затраты на органическое топливо, которая имеет тенденцию к увеличению. Поскольку стоимость основного оборудования сравниваемых систем может повышаться относительно небольшими темпами, по сравнению со стоимостью топлива, следует произвести анализ систем по удельным расходам топлива, поскольку для стран, ориентированных на привозное топливо, кроме экономических показателей, наибольший интерес представляет вопрос топливо- или энергосбережения.

рис3

На рис. 4 для системы с НСК+ТН показано изменение удельного потребления топлива, которое связано с изменением среднемесячной температуры наружного воздуха. При этом среднесезонное удельное потребление топлива для этой системы составляет 53 г у.т./кВт*ч тепловой энергии, что намного больше, чем для системы с ССК (0,4 г у.т./кВт*ч). Это означает, что для условий г. Еревана система с ССК по топливо- и энергосбережению превосходит систему с НСК+ТН.

рис4

На этом же рисунке показано среднесезонное удельное потребление топлива для системы теплоснабжения на базе районной котельной. Как и следовало ожидать, это значение намного превышает соответствующие значения для систем солнечного теплоснабжения с различными комбинациями, т.к. последние используют солнечную энергию вместо органического топлива. Поскольку удешевление различных видов топлива невозможно из-за истощения их запасов, то эти показатели могут быть основными для стран, ориентированных на привозное топливо. Однако при этом следует учесть не только экономические, но и актинометрические и метеорологические показатели местности.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемые системы солнечного теплоснабжения по приведенным затратам почти равноценны (из-за высокой цены ССК). Однако существуют другие варианты использования солнечной энергии, в частности, при помощи «солнечных» прудов или бассейнов, капвложения в которые намного ниже, чем в ССК. «Солнечные» пруды одновременно служат аккумуляторами низкопотенциального тепла, поскольку, при применении незамерзающей жидкости, даже в зимние месяцы, их температура равна или ниже температуры окружающей среды. Предварительные расчеты подтверждают это, однако, это уже тема другой статьи.


 

Выводы

1. Использование солнечной энергии в системах теплоснабжения с ССК и НСК+ТН по соображениям топливо- и энергосбережения намного эффективнее и экологически безопаснее, чем сжигание топлива в районных котельных.

2. При актинометрических и метеорологических условиях г. Еревана для ГВС микрорайона системы теплоснабжения с ССК и НСК+ТН по приведенным затратам равноценны, однако, по топливосбережению система с НСК+ТН намного уступает системе с ССК.

3. Система теплоснабжения с НСК+ТН и грунтовым аккумулятором может обеспечить ГВС микрорайона и в зимние месяцы, а также осуществить хладоснабжение микрорайона или других потребителей при комбинированной выработке теплоты и холода, что намного повысит энергоэкономические показатели данной системы.

4. Показатели системы с НСК+ТН и «солнечным» прудом или бассейном могут оказаться намного выше, чем при других системах солнечного теплоснабжения из-за низких капитальных вложений в систему и ее возможности работать в зимние месяцы.

Статья размещена на energosovet.ru

Оставить комментарий
Комментарии могут оставлять зарегистрированные пользователи. Войти или зарегистрироваться.

Поделиться:


Смотрите также: