Низкопотенциальные источники
ТЕПЛОТЫ
В теплонасосных установках используются низкопотенциальные источники энергии с температурой менее 50 - 700С, которые невозможно использовать в качестве греющей среды в обычном теплообменном оборудовании.
В теплонасосных установках можно использовать низкотемпературную теплоту 20 - 60 0С, для АПТ - низко- и среднепотенциальную на уровне 80 - 160 0С, а также высокопотенциальную теплоту 160 - 400 0С.
Низкопотенциальными источниками тепловой энергии можно рассматривать:
- теплоту атмосферного воздуха;
- питьевую воду, подаваемую на водоснабжение;
- воду промышленных предприятий и ЖКХ;
- морскую воду прибрежных территорий;
- теплоту грунта и др.
Сведения о некоторых источниках низкотемпературной теплоты представлены в табл. 4.1.
Таблица 4.1. Сведения о некоторых источниках низкотемпературной теплоты
| Источник низкотемпературной теплоты | Среда промежуточного контура | Температура источника, 0С |
| Грунтовые воды | вода | 8…15 |
| Грунт | антифриз | 2…10 |
| Вода с водозабора | вода | 6…10 |
| Речная вода | антифриз | 1…10 |
| Канализационные стоки | вода | 10…17 |
| Окружающий воздух | воздух | -8… +15 |
| Вытяжной воздух | воздух | 18…25 |
| Морская вода | антифриз | 3…8 |
Теплота грунта. В качестве источника низкопотенциальной теплоты могут использоваться грунтовые воды с относительно низкой температурой менее 50 0С, либо грунт поверхностных слоев земли.
Тепловой режим грунта формируется под действием падающей на поверхность солнечной радиации и потоком теплоты из низких недр.
Глубина проникновения сезонных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации по данным /10/ не превышает 15 - 20 м. До глубин до 400 м температура поддерживается 8 - 10 0С, а далее идет повышение температуры примерно на 3 0С на каждые 100 м. Величина потока теплоты из земных недр для различных местностей и районов отличаются.
Теплота атмосферного воздуха. Использование теплоты воздуха "бесплатного" источника теплоты является наиболее привлекательным для использования в домашних приложениях теплового насоса для создания комфортных условий внутри дома. Он общедоступен и привлек наибольшее внимание в массовом производстве.
Наибольшее распространение получили тепловые насосы с воздухом в качестве источника тепла с самого начала их применения в домашних условиях. В основном воздух же является и тепловым стоком. Как источник теплоты воздух обладает рядом недостатков, поэтому требуется тщательная оптимизация конструкции в зависимости от места установки, где температура воздуха может быть существенно различной.
Характеристики теплового насоса ухудшаются по мере увеличения разности температур испарителя и конденсатора. Это оказывает особенно неблагоприятное влияние на тепловые насосы с воздушным источником тепла.
По мере снижения температуры окружающего воздуха требуемое количество теплоты для отопления повышается, но способность теплового насоса поддерживать даже постоянную тепловую мощность существенно снижается. Для преодоления этого недостатка часто применяется дополнительный нагрев.
Теплота водоемов. Крупные незамерзающие водоемы представляют ценность в качестве источников теплоты для ТНУ. К ним, например, относятся Черное и Каспийское моря. На Черноморском побережье Кавказа и Крыма действуют ТНУ на морской воде, температура которой зимой в этих районах не опускается ниже 8 °С. Особенно эффективно круглогодичное использование теплоты морской воды с температурой летом 20 - 25 0С для ТНУ горячего водоснабжения, составляющего значительные нагрузки в южных городах и курортах.
Морская вода прибрежных территорий представляется в некоторых случаях отличным источником тепла и используется главным образом в средних и крупных системах.
В зависимости от географического положения морская вода на глубине от 25 до 50 м имеет постоянную температуру в диапазоне от 5 до 8 0C. Проблем с образованием льда не возникает, поскольку точка замерзания на этой глубине составляет от -10 до – 2 0C. Можно использовать как системы непосредственного испарения, так и рассольные системы. Необходимо только использовать теплообменники и насосные агрегаты, стойкие к воздействию коррозии, и предотвращать накопление отложений органического характера в водозаборном трубопроводе, теплообменниках, испарителях и пр.
Это довольно перспективный источник энергии низкого потенциала для ТНУ.
Питьевая вода систем водоснабжения. На снабжение промышленных нужд и водоснабжение населения подают значительные количества воды с температурой 8 - 10 0С. Так на обеспечение потребностей г. Владивостока подается более 300 тыс. м3 пресной воды в сутки. Если с помощью ТНУ понизить температуру подаваемой воды на 2 - 4 0С, то можно с этого потока снять от 30 до 55 тыс. кВт тепловой энергии.
В переходный и зимний периоды года в ТНУ могут быть использованы холодная вода из водоемов и наружный воздух с температурой свыше 0 0С.
Источником низкопотенциальной теплоты могут служить слабоминерализованные геотермальные воды, солнечная энергия, запасаемая с помощью гелиоустановок и аккумуляторов теплоты.
Энергия солнца. Все источники теплоты для тепловых насосов в той или иной мере подвержены влиянию солнечной энергии, но её можно использовать и непосредственно с помощью солнечных коллекторов с циркуляцией теплоносителя, подогрева воздуха, входящего в испаритель с помощью солнечных концентраторов. Хотя солнечные концентраторы, по-видимому, более пригодны для абсорбционных тепловых насосов. Они еще мало применяются в домашних условиях, но служат предметом значительной исследовательской работы. Для подогрева генератора в абсорбционном цикле требуются более высокие температуры, чем достижимые обычными плоскими коллекторами. Однако применение абсорбционного цикла для кондиционирования допускает нагрев от плоских коллекторов, поскольку здесь должна быть температура ниже и, потому охлаждение воздуха проводится летом, как раз тогда, когда солнечная радиация интенсивна и температура коллектора повышена.
Вместе с другими источниками тепла для тепловых насосов широко применяют плоские коллекторы, размещенные на крышах. Вообще солнечные коллекторы интенсивно изучаются для применения не только с тепловыми насосами, но и самостоятельно, а также в схемах с аккумуляторами тепла. Последние представляют интерес для тепловых насосов, как источник тепла в облачные дни или ночью.
Давая тепло в испаритель при температуре более высокой, чем окружающий воздух, грунт или вода, солнечные коллекторы повышают характеристики теплового насоса.
Обычно промежуточный теплоноситель - вода передает тепло от коллектора к испарителю. Но может быть и полное совмещение коллектора с испарителем, где хладагент испаряется непосредственно внутри трубок солнечного коллектора.
Часто теплота от солнечного коллектора подается в жидкостный тепловой аккумулятор, куда погружены трубки испарителя. Тепловой аккумулятор играет существенную роль в любой солнечной теплонасосной системе.
Если тепловые насосы не могут поднять температуру теплоносителя в системах отопления до высоких и в большинстве своем обеспечивают 50 - 55 0С, а в некоторых случаях - до 63 0С. Когда температура теплоносителя в расчетный период не превышает 55 0С, то требуется специальная подготовка: повышение площади теплообмена или использование пиковых догревателей при низких наружных температурах.
Децентрализованное теплоснабжение позволяет применять современные низкотемпературные системы отопления с температурой теплоносителя 35 - 60 0С, обеспечивающие достаточно высокие коэффициенты преобразования тепловых насосов µ = 3,5 - 5,0.
Некоторые сведения о потребителях высокотемпературной теплоты приведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2. Сведения о потребителях высокотемпературной теплоты
| Система | Примечание | Расчетная температура потребителя, 0С |
| Отопление | Теплые полы | 25…35 |
| Жилой дом | 95…105 | |
| Промышленное здание | 95…150 | |
| Горячее водоснабжение | - | 50…55 |
| Теплоснабжение вентиляции | - | 95…150 |
Однако низкие значения температуры воздуха, малая его теплоемкость и коэффициент теплоотдачи не позволяют достичь приемлемых показателей энергетической эффективности крупных установок, в частности теплонасосных станций, к испарителям которых требуется подводить большие тепловые потоки.
Контрольные вопросы
1. Какие существуют низкопотенциальные источники тепла?
2. Какова температура низкопотенциальных источников тепла?
3. Какую температуру теплоносителя обеспечивают тепловые насосы?