Гелиосистемы и тепловые насосы в системах
автономного тепло- и холодоснабжения

А. Л. Гликсон, канд. техн. наук;

А. В. Дорошенко, доктор техн. наук, научно-производственная фирма «Новые Технологии», Одесская государственная академия холода

Введение

Начиная с 1992 года на ряде конференций под эгидой ООН [1, 2] рассматривается вопрос, напрямую связанный с выживанием человечества, а именно — глобальное потепление, обусловленное непрерывным повышением концентрации в атмосфере парниковых (трехатомных) газов.

Основной вклад в накопление парниковых газов вносит сжигание ископаемого топлива как источник выбросов диоксида углерода.

В декабре 1997 году в Киото (Япония) был принят Киотский протокол, ратифицированный 55 странами (в т. ч. Россией и Украиной), на которые приходится не менее 55 % глобальных выбросов диоксида углерода. Страны-участницы обязались снизить выбросы к 2000 году на 6—8 %, и только 4 страны — Россия, Украина, Норвегия и Новая Зеландия — могут удерживать выбросы на уровне 1990 года. Надо отметить, что это гораздо меньше, чем необходимо для замедления темпов накопления парниковых газов в атмосфере.

К сожалению, за последние годы большинству стран пока не удается снизить выбросы. В ближайшее время будет конкретизирован вопрос о санкциях за невыполнение обязательств по контролю и снижению выбросов, и следует думать, что такие санкции будут непрерывно ужесточаться.

К основным мерам по смягчению глобального потепления относятся повышение эффективности выработки и потребления энергии и широкое практическое использование возобновляемых источников энергии.

Проблема глобального потепления становится определяющей в перспективном планировании и развитии традиционной энергетики и, как следствие, во всех без исключения отраслях промышленности и сельского хозяйства, изменяя и определяя всю идеологию жизнеобеспечения человечества.

Перспективные возможности практического использования альтернативных возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, геотермальной, энергии моря, современных технологий газации и др.) для Украины представляют особый и долгосрочный интерес. К сожалению, этому никак не соответствует имеющийся уровень их реального использования.

Для Украины, по нашему мнению, наибольшие перспективы имеет развитие солнечной энергетики. Это, в первую очередь, гелиосистемы с плоскими солнечными коллекторами для обеспечения автономного теплоснабжения (горячего водоснабжения и отопления) жилых и производственных объектов (частных домов, небольших гостиниц, пансионатов, мини-производств, сельскохозяйственных ферм, предприятий перерабатывающей отрасли, хлебопекарен и т. д.).

Рисунок 1. Общий вид солнечного коллектора: а) Плоский солнечный коллектор (СК-1.1) из алюминиевого сплава, выпускаемый с 1991 года: 1 — трубный регистр; 2, 3 — коллекторные трубы; 4 — корпус солнечного коллектора; 5 — крепежный уголок; 6 — стекло; 7 — крепежный элемент; 8 — теплоизоляция; б) Новый тип разрабатываемого солнечного коллектора — полимерный солнечный коллектор (СК-П) на основе многослойной панели из поликарбоната: 1 — верхний слой панели — прозрачная изоляция; 2 — средний слой — абсорбер СК; 3 — нижний слой — теплоизоляция; 4 — каналы абсорбера; 5, 6 — распределительные коллекторы солнечного коллектора; 7, 8 — корпус солнечного коллектора; 9, 10 — патрубки для теплоносителя

Солнечные и комбинированные системы автономного тепло- и холодоснабжения

На рис. 1а представлен общий вид солнечного коллектора (СК), разработанного НПФ «Новые Технологии». Тепловоспринимающая панель коллектора выполнена в виде регистра труб с плавниковыми ребрами, изготовленными из антикоррозионного алюминиевого сплава.

Солнечный коллектор включает гидравлические коллекторы (2, 3), корпус из профилированного алюминия, высокоэффективную теплоизоляцию. Благодаря особой конструкции крепежной части обеспечивается простой и надежный способ установки стекла 6.

Выпускаются две модификации солнечных коллекторов с площадью теплоприемника 1,1 и 2,0 м². Один коллектор модификации СК-1.1 обеспечивает нагрев 80 л воды до 55–60 °С в условиях июля в Одессе.

В баке-аккумуляторе предусмотрен дополнительный греющий источник, компенсирующий естественные колебания солнечной активности.

Опыт, приобретенный НПФ «Новые технологии» по выпуску и эксплуатации гелиосистем с солнечными коллекторами в 1993—2004 годах на различных объектах южного региона Украины и Крыма (всего свыше 100 гелиосистем различной мощности и конфигурации, причем срок непрерывной эксплуатации первых по времени введения в строй составляет 10 лет), показал большой перспективный интерес к ним как в промышленности, так и в частном секторе.

На рис. 4–6 представлены гелиосистемы, установленные в разные годы на различных объектах.

Гелиосистема в Феодосийском морском торговом порту успешно работает с 1998 года [3]. Там смонтированы три системы суммарной площадью солнечных коллекторов 60 м², обеспечивающие получение 5 м³ горячей воды в сутки (с температурой до 60 °С в июле) для бытовых помещений порта (душевые кабины) и столовой. Эта система позволила значительно снизить нагрузку на портовую котельную.

Сдерживающим фактором расширения объемов практического использования гелиосистем на Украине является высокая стоимость солнечных коллекторов, изготовляемых в настоящее время из дорогостоящего алюминиевого сплава.

В новом типе разрабатываемого солнечного коллектора (рис. 1б) используется полимер на основе поликарбоната. Полимерный многослойный коллектор СК-П имеет, при сохранении приемлемых эксплуатационных характеристик, достаточно низкую стоимость (менее 100 долл. США/м² по сравнению с 200—300 долл. США для выпускаемых на Украине традиционных конструкций и с 600 долл. США/м² — для зарубежных) и малую массу (3—6 кг/м² по сравнению с 20—30 кг/м² для металлических конструкций). Между каждыми двумя слоями такого материала образуются каналы с различным технологическим назначением. Нижний ряд каналов может выполнять роль теплоизолятора, а верхний — роль традиционного для солнечного коллектора воздушного зазора между абсорбером и остеклением (прозрачной изоляции).

Поликарбонатная панель обладает высокой стойкостью к ударным воздействиям (в 5—6 раз превышает стойкость стекла) и характеризуется постоянством механических и оптических свойств солнечного коллектора в течение многих лет эксплуатации.

Полимерный солнечный коллектор с длительной «жизнью» на солнце рассчитан на частного массового потребителя. Опыт многолетней эксплуатации гелиосистем и анализ рынка, проведенный в странах СНГ и Украине, подтверждают перспективность такого дешевого, легкого и надежного в эксплуатации солнечного коллектора как на внутреннем рынке, так и за рубежом (страны СНГ, особенно среднеазиатские страны).

В 2005 году планируется создание пилотных гелиоустановок различной единичной мощности и конфигурации на основе полимерного коллектора для проверки рабочих характеристик и достижения максимального рекламного эффекта.

Проблемы традиционной парокомпрессионной холодильной техники, связанные с необходимостью разработки озононеразрушающих рабочих тел, вызвали значительный интерес к возможностям открытых абсорбционных систем.

Открытый цикл [4, 5] может лежать в основе нового поколения солнечных холодильных систем и систем кондиционирования воздуха. Он работоспособен на малых перепадах температур, экологически чист и характеризуется малым потреблением энергии. В качестве греющего источника используется гелиосистема с плоскими солнечными коллекторами, т. е. самым дешевым и надежным типом, одна из модификаций которого представлена на рис. 1а.

Рисунок 2 (подробнее) Вариант схемы, реализующей цикл альтернативной системы кондиционирования воздуха с гелиосистемой (солнечной энергией): 1, 2 — непрямой и прямой испарительные охладители; 3, 4 — абсорбер (АБР) и десорбер (ДБР); 5 — градирня (ГРД); 6 — гелиосистема (ГС); 7 — солнечный коллектор (СК); 8 — бак-аккумулятор; 9 — дополнительный греющий источник; 10–12 — регенеративные теплообменники; 13 — наружный воздух; 14 — выброс воздушного потока в атмосферу; 15 — подпитка системы водой; 16 — подача воздуха в помещение

На рис. 2 приведен вариант схемы, реализующей цикл альтернативной системы кондиционирования воздуха. Схема включает две части: предварительного осушения воздуха и испарительного охлаждения. В осушительной части солнечная энергия, необходимая для регенерации абсорбента, обеспечивается гелиосистемой, а охлаждение абсорбера — градирней.

Альтернативная система кондиционирования воздуха состоит из абсорбера 3 (осушитель воздуха), десорбера 4 (солнечная регенерация абсорбента), комбинированного испарительного охладителя 1–2 и регенеративных теплообменников. Воздушный поток 13 (свежий наружный воздух) при осушении в абсорбере снижает свое влагосодержание хg и, соответственно, температуру точки росы tdp (естественный предел испарительного охлаждения), что обеспечивает значительный потенциал охлаждения. В качестве испарителя используется разработанный аппарат непрямого испарительного охлаждения (НИО) [6], решенный по совмещенной схеме в виде многоканальной насадки с чередующимися «влажными» каналами (взаимодействуют вспомогательный воздушный поток и водяная пленка, рециркулирующая через аппарат) и «сухими» каналами (основной воздушный поток, охлаждаемый при неизменном влагосодержании). Испарительное охлаждение воды во «влажных» каналах обеспечивает бесконтактное охлаждение основного воздушного потока в «сухих» каналах НИО через тонкую теплопроводную разделяющую стенку. В схеме показан комбинированный охладитель в составе НИО (первая ступень охлаждения — непрямой испарительный охладитель) и прямой испарительный охладитель (ПИО) в качестве второй ступени.

Особый интерес представляет регенеративная схема, обеспечивающая высокую эффективность процесса. На рис. 2 она представляет собой совместную работу НИО 1 и теплообменника Т/О 12. Если учесть, что регенеративная схема потенциально может обеспечить охлаждение поступающего в испарительный охладитель воздуха до температуры точки росы, то, с учетом предварительного осушения его в абсорбере, уровень охлаждения может быть весьма существенным.

Разработанная альтернативная система кондиционирования воздуха обеспечивает получение комфортных параметров воздуха испарительными методами его термовлажностной обработки без использования холодильных агентов и при любых исходных климатических параметрах. Сравнительно с парокомпрессионным кондиционером она снижает расход энергии до 50 % и является экологически чистой. Планируется изготовление и испытания полномасштабной солнечной холодильной либо кондиционерной установки в 2005 году.

Тепловые насосы как дублирующая нагревательная система

Для обеспечения автономности гелиосистем любого назначения при значительных колебаниях интенсивности солнечной радиации, связанных как с погодными, так и с сезонными условиями, особенно в режиме круглогодичной эксплуатации, используются дублирующие источники нагрева: электрические, газовые бойлеры и др.

Наиболее часто встречающийся тип дублера — электронагреватель, обладающий такими очевидными достоинствами, как надежность, низкая стоимость, простота поддержания требуемого температурного режима. Его недостаток — высокое энергопотребление самого ценного вида энергии.

В последнее время в качестве дублирующей нагревательной системы все чаще используются тепловые насосы, обладающие высокой энергетической эффективностью.

При круглогодичной эксплуатации тепловой насос на 1 кВт выработанной тепловой энергии расходует около 300 Вт электрической. Следует, однако, отметить, что наиболее широкое распространение тепловые насосы получили все же как самостоятельные устройства для нагрева жидких либо газообразных теплоносителей в системах горячего водоснабжения и отопления [7].

В тепловом насосе реализуется цикл обычной холодильной машины, но при этом подвод тепла к испарителю осуществляется при температуре окружающей среды (либо при температуре располагаемого низкопотенциального источника тепла), а отвод тепла в конденсаторе — при возможно более высокой температуре.

По характеру источников (подвод тепла к испарителю) и стоков (отвод тепла от конденсатора) тепловые насосы подразделяются на следующие типы: *воздух–воздух, *воздух–вода, *вода–воздух, *вода–вода.

Наиболее часто встречающийся тип — *воздух–вода, в котором необходимое количество теплоты отбирается у воздуха и передается воде как теплоносителю. Если в качестве источника теплоты используется воздух горячих помещений (кухня, ресторан, кафе, прачечная, хлебопекарня и др.), то такой тепловой насос кроме подогрева воды обеспечивает охлаждение воздуха в помещении.

Наиболее экономичны и компактны тепловые насосы типа *вода–вода, но даже при наличии воды ее использование в качестве теплоносителя требует конкретных технических решений для каждого случая.

Известны тепловые насосы, использующие теплоту земли, для чего испаритель заглубляется в грунт; глубина заглубления зависит от климатических условий и существенно влияет на общую стоимость работ.

Большинство выпускаемых в мире тепловых насосов представляют собой моноблочную конструкцию, работающую по схеме одноступенчатой парокомпрессионной холодильной машины. В качестве рабочего тела используются различные фреоны, не запрещенные к применению Монреальским протоколом (R-22, R-134a, R-142b и др.) и обеспечивающие нагрев теплоносителя до 50—65 °С [3].

Диапазон теплопроизводительности тепловых насосов очень широк: от долей до сотен кВт, что позволяет, к примеру, обеспечить отопление помещений площадью от десятков до нескольких тысяч квадратных метров.

Рисунок 3 (подробнее) Принципиальная схема одной из самых распространенных модификаций теплового насоса типа *воздух — вода на примере модели НКВ-60-2-8: КМ1, КМ2 — компрессоры; ФО — фильтр-осушитель; РТО1, PTO2 — регенеративные теплообменники; ТР1, ТР2 — терморегулирующие вентили; Т-Р — терморегулятор; 1–6 — узловые точки цикла

На рис. 3, на примере модели НКВ-60-2-8, представлена принципиальная схема одной из самых распространенных модификаций тепловых насосов *воздух–вода. Необходимая температура теплоносителя — воды (50 °С) — поддерживается датчиком — реле температуры. Источник теплоты — окружающий воздух с температурой не ниже –5 °С.

В зависимости от температурных условий подвода и отвода тепла теплопроизводительность Q_к, потребляемая мощность Nel и тепловой коэффициент j (j = Q_к/Nel) теплонасосной установки меняются в достаточно широких пределах. Для определения характера зависимости Q_к, Nel и j от температуры кипения Т_о и конденсации Т_к была разработана методика и проведены расчеты основных характеристик тепловых насосов при их работе на различных рабочих телах.

Ниже приведены некоторые результаты расчетов, проведенных для теплового насоса НКВ-60-2-8 с паспортной производительностью 60 кВт (при Т_о = 0 °С и Т_к = 50 °С), что обеспечивает нагрев 10 м² воды в час. Следует отметить, что изменение номинальной (паспортной) производительности теплового насоса практически не сказывается на характере таких зависимостей.

Расчеты показывают, что наибольшей энергетической эффективностью обладают тепловые насосы с R-22 в качестве рабочего тела, наивысшую температуру (до 65 °С) обеспечивают насосы с R-142b.

Наибольшее влияние на теплопроизводительность теплового насоса оказывает температура кипения То рабочего тела при подводе тепла. Так, при Т_к = 50 °С повышение Т_о от 0 до 20 °С приводит к увеличению теплопроизводительности теплового насоса вдвое, при этом потребляемая мощность несколько снижается, а тепловой коэффициент (коэффициент преобразования) возрастает до 8, т. е. на каждый киловатт выработанной тепловой энергии расходуется 125 ватт электрической (!). В таких режимах тепловой насос не имеет себе равных по энергетической эффективности, и задача расширения областей применения тепловых насосов состоит в поиске и использовании источников теплоты с такими температурными параметрами (природные ресурсы, низкопотенциальные технологические потоки и др.). Уменьшение Т_о до –10 °С и ниже приводит к значительному ухудшению эффективности теплового насоса и делает его эксплуатацию экономически нецелесообразной.

Одним из возможных и достаточно распространенных источников теплоты для теплового насоса является вода систем оборотного водоснабжения, обычно поступающая для охлаждения на градирню. Предлагается вместо градирни использовать для охлаждения воды тепловой насос с одновременным получением горячей воды для технологических и бытовых нужд либо для отопления. Для оценки целесообразности такой замены был выполнен расчет ее экономической эффективности. В качестве базового образца принят тепловой насос НКВ-60-2-8; в качестве источника тепла используется вода системы оборотного водоснабжения компрессорного цеха. При этом температура кипения теплового насоса может поддерживаться на уровне Т_о = 20—25 °С, что приводит (согласно проведенным расчетам) к увеличению теплопроизводительности насоса до 120 кВт и теплового коэффициента j до 8; а потребляемая насосом мощность составит ~5 кВт.

Стоимость теплового насоса — 15 000 долл. США. При сроке службы 10 лет распределенная годовая стоимость составляет 1 500 долл. США. Примем, что годовая стоимость ремонтных работ и эксплуатации составляет 2 000 долл. США и что тепловой насос 6 месяцев работает в режиме отопления и 6 месяцев в режиме горячего водоснабжения. В режиме отопления подогрев воды в конденсаторе теплового насоса составит 5 °С, а расход горячей воды В режиме горячего водоснабжения требуемый подогрев воды составит   при расходе горячей воды G = 1,0 кг/с = = 3,4 м³/ч.

Расход электроэнергии за 1 год эксплуатации теплового насоса (8 000 ч) равен 120 000 кВт/ч, что составит 3 900 долл. США.

Количество подогретой за сезон воды для системы отопления (4 000 часов) равно 82 000 м³, и для системы горячего водоснабжения — 14 000 м³. Тогда стоимость 1 м³ горячей воды в системе отопления составит 0,042 долл. США. Стоимость 1 м³ горячей воды в системе горячего водоснабжения равна 0,25 долл. США. Стоимость 1 Гкал теплоты, выработанной тепловым насосом (вне зависимости от цели: отопление либо горячее водоснабжение), составляет около 10 долл. США. В расчете не учтены: стоимость собственно градирни; водяных насосов; расход электроэнергии на привод водяных насосов; экономия подпиточной (испаряющейся) воды при отказе от градирни; экономия электроэнергии за счет отказа от вентилятора градирни. Следует также отметить, что переход на более крупные тепловые насосы снизит удельную стоимость выработки 1 м³ горячей воды. Переход на более высокие температуры конденсации (65 °С) несколько изменит стоимостные показатели, но все основные преимущества тепловых насосов сохранятся.

Использование тепловых насосов в системе отопления, из-за сравнительно невысокой температуры теплоносителя (50–65 °С), требует некоторого увеличения поверхности отопительных приборов, а следовательно, и стоимости системы. Этого недостатка лишены парокомпрессионные водоаммиачные тепловые насосы, которые могут работать при температуре конденсации до 100—120 °С.

Кроме традиционных областей применения (отопление, горячее водоснабжение), такие тепловые насосы могут использоваться для сушки древесины, концентрации соков, выпаривания растворов и др.

Следует предположить, что по мере увеличения количества теоретических и экспериментальных работ по таким тепловым насосам будут расширяться и возможные области их применения.

Рисунок 4. Система солнечного горячего водоснабжения для локомотивного депо «Застава-1» Одесской железной дороги, пущена в эксплуатацию в 2003 году

Рисунок 5. Система солнечного горячего водоснабжения жилого корпуса пансионата Феодосийского морского торгового порта (база отдыха в Коктебеле). Установлена гелиосистема суммарной площадью солнечных коллекторов 50 м2 и суточной производительностью по горячей воде 5,0 м3. На фото виден один из трех баков-аккумуляторов системы солнечного горячего водоснабжения

Рисунок 6. Система солнечного горячего водоснабжения столовой пансионата Феодосийского морского торгового порта (база отдыха в Коктебеле). Установлена гелиосистема суммарной площадью солнечного коллектора 20 м2 и суточной производительностью по горячей воде 2 м3

Заключение

- Значительное обострение взаимосвязанных энергетических и экологических проблем (дефицит энергоносителей, проблема глобального потепления и изменение идеологии развития энергетики) обусловило принципиально новое значение альтернативной энергетики, выводя ее из ряда перспективных эксклюзивных направлений в ряд первоочередных жизненно важных задач.

- В ряду возобновляемых источников энергии именно солнечная представляет особый интерес для энергохозяйства Украины (солнечное теплоснабжение; солнечные холодильные, кондиционирующие и теплонасосные системы). Создание надежного и дешевого, массового солнечного коллектора обусловит развитие практического использования солнечной энергии в ближайшие годы.

- Комбинированные системы, интегрирующие возможности альтернативных и традиционных источников энергии, в частности, низкопотенциальных источников, могут включать гелиосистемы, тепловые насосы, сезонные теплоаккумулирующие емкости и др., взаимно дополняя друг друга, особенно в условиях круглогодичной эксплуатации и решения комплексных задач жизнеобеспечения — тепло-, холодоснабжения и кондиционирования воздуха.

Литература

1. United Nations on Climate Change. General Convention Kyoto, 1997.

2. Грицевич И. Протокол конференции по глобальному климату в Киото: новые правила игры на следующее десятилетие // Экономическая эффективность. Ежеквартальный бюллетень Центра по эффективному использованию энергии (ЦЭНЭФ). М., 1998. № 18 (январь-март).

3. Дорошенко А. В., Омельченко Ю. М. Комплексные системы отопления и горячего водоснабжения // Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. 1998. № 1; Альтернативная энергетика: опыт использования и реальные перспективы // Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. 1999. № 2.

4. Doroshenko A. New developments of air-conditioning // Conference of Application for Natural Refrigerants 96. Aarus (Denmark), IIF/IIR. 1996.

5. Дорошенко А. В., Кириллов В. Х., Холпанов Л. П., Квурт Ю. П. Солнечные системы охлаждения и кондиционирования воздуха // Математическое моделирование ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий. Сб-к научн. труд. РОАН. М., 1998. № 2.

6. Дорошенко А. В., Ярмолович Ю. Р. Косвенно-испарительные охладители // Холодильная техника. 1997. № 12.

7. Рей Д. Макмаки. Тепловые насосы. М.: Энергоиздат, 1975.

8. Morosuk T. V., Morosuk L. I., Dissana B. Schemes and cycles of the water-ammonia compressor heat pump // Proc. 5th International energy agency conference heat pumping technologies. Montreal (Canada), 1996.

9. Qin Zhou, Reinhard Radermacher. Development of a vapor compression cycle with a solution circuit and desorber/absorber heat exchange // International Journal of Refrigeration. 1987. № 2. vol. 20.

 

Тел./факс: (0482) 23-23-93, 22-92-09

E-mail: aldor@paco.net