Дипломная работа: Продвижение прогрессивных систем энергосбережения в Украине в сегменте (ТН) тепловых насосов
Совместная работа основных узлов позволяет более полно использовать возможности каждого из них и практически полностью исключить влияние неблагоприятных погодных условий и пиковых режимов (день - ночь и т.п.).
Основные элементы системы отопления включают в себя:
- аккумулятор тепла;
- отопительные приборы ("теплые полы");
- управляемый трехходовой вентиль;
- теплообменный аппарат;
- циркуляционный насос;
- датчик температуры теплоносителя.
Работа системы отопления определяется условиями эксплуатации и зависит от времени года. Можно выделить два основных режима: летний и зимний.
Летний период (отопление отключено).
В данном режиме работы отключаются отопительные приборы ("теплые полы") и система входит в режим накопления тепловой энергии, который в свою очередь определяется целым рядом дополнительных параметров. В дневное время суток основным источником энергии для нагрева аккумулятора тепла служит солнечный коллектор, а при работающем ветрогенера-торе дополнительным источником становится тепловой насос. Если температура в аккумуля-торе ниже 60?С, включается насос, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя аккумулятора через теплообменный аппарат в котором расположена часть конденсатора теплового насоса, что и обеспечивает нагрев. При отсутствии солнца или в ночное время этот режим становится ос-новным. Все процессы в системе отопления регулируются автоматической системой управле-ния.
Отопительный сезон.
Переход системы отопления в основной режим заключается в подключении отопитель-ных приборов и циркуляции теплоносителя между аккумулятором и отопительными прибора-ми. Температура на входе отопительных приборов устанавливается в определенной зависи-мости от температуры наружного воздуха и контролируется датчиком температуры. Регули-ровку и поддержание необходимой температуры обеспечивает трехходовой регулирующий вентиль, управляемый АСУ , путем подмешивания теплоносителя из обратного коллектора на вход системы. При работающем тепловом насосе поступление теплоносителя из аккумулятора полностью прекращается, что позволяет сэкономить значительное количество энергии запасен-ной в аккумуляторе.
Тепловой насос:
- Тепловой насос является основным компонентом данной автономной системы энерго-снабжения и задействован практически во всех режимах. Его высокая эффективность позволяет наиболее рационально использовать излишки вырабатываемой ветрогенератором энергии и в сочетании с дешевой солнечной энергией обеспечивает полную автономность энергообеспече-ния здания.
Одним из основных режимов работы теплового насоса - приготовление горячей воды. Днем, при включении источником тепла становится солнечный коллектор, что существенно по-вышает эффективность процесса приготовления горячей воды.
Так как основное потребление горячей воды связано, как правило, с приемом ванны или душа, то в системе предусмотрен утилизатор тепла сточных вод ванной комнаты, который яв-ляется еще одним источником тепла при производстве горячей воды. До сброса в канализацию сточная вода попадает в утилизатор, где происходит отбор и возврат тепла, что позволяет зна-чительно снизить затраты на приготовления горячей воды.
В системе также предусмотрена принудительная система вентиляции с рекуперацией тепла.
При работающем ветрогенераторе основной нагрузкой теплового насоса является сис-тема отопления:
- летом производится нагрев теплового аккумулятора при условии, что температура теп-лоносителя в нем ниже 60o С;
- в отопительный период тепловой насос работает непосредственно на отопительные приборы, что позволяет существенно экономить запасы тепла аккумулятора.
Гелиосистема представляет собой замкнутый контур, в который помимо солнечного коллектора входит теплообменник, размещенный в тепловом аккумуляторе, циркуляционный насос и расширительный бак.
Основным источником электроэнергии является ветрогенераторная установка соответ-ствующей мощности, подключенная к сетевому регулятору, который обеспечивает всю систему необходимой энергией и осуществляет постоянный контроль состояния аккумуляторных бата-рей. Регулятор контролирует степень разряда аккумуляторных батарей и в случае необходимос-ти направляет часть энергии на подзарядку батареи. В случае, когда вырабатываемой энергии недостаточно (например, недостаточная сила ветра), регулятор направляет в систему недоста-ющую энергию от аккумуляторной батареи через инвертор, который преобразует постоянное напряжение батареи в переменное с промышленной частотой и тем самым обеспечивает посто-янство потребляемой мощности.
Управление системой энергоснабжения здания полностью автоматизировано. Автомати-ческая система управления выполнена на базе компьютера с соответствующими интерфейсами и программным обеспечением и питается от отдельной аккумуляторной батареи, что сущест-венно повышает ее надежность. На вход АСУ в реальном масштабе времени поступают сигналы всех датчиков системы; полученная информация обрабатывается специальным программ-мным обеспечением, что и определяет дальнейшее поведения всех элементов системы.
Принцип работы теплового насоса вытекает из работ и описания цикла Карно, опухликованного в его диссертации в 1824 г. Практическую теплонасосную систему предложил Виль-ям Томсон (лорд Кельвин) в 1852 г. под названием "умножитель тепла". Она показывала, как холодильную машину эффективно использовать для отопления. Подобная машина была построена в Швейцарии. Томсон заявил, что его ТН способен давать необходимое тепло при ис-пользовании только 3% энергии, затрачиваемой на отопление [22].
Дальнейшее развитие теплонасосные установки получили только в 20-30-х годах двадца-того века, когда в Англии была создана первая установка для отопления и горячего водоснабже-ния с использованием тепла окружающего воздуха. Затем несколько демонстрационных устано-вок создали в США. Первую крупную теплонасосную установку в Европе ввели в действие в Цюрихе в 1938-1939 гг. В ней использовались тепло речной воды, ротационный компрессор и хладогент. Она обеспечивала отопление ратуши водой с температурой 60° С при мощности 175 кВт. Имелась система аккумулирования тепла с электронагревателем для покрытия пиковой нагрузки. Летом установка работала на охлаждение. С 1939 по 1945 гг. было создано ещё 9 подобных установок, чтобы сократить потребление угля, некоторые из них успешно проработа-ли более 30 лет [22].
Итак, в 1824 г. Карно впервые использовал термодинамический цикл для описания про-цесса, и этот цикл остаётся фундаментальной основой для сравнения с ним и оценки эффектив-ности ТН. Теплонасос требует затраты работы для получения тепла при низкой температуре и отдачи его при более высокой.
Тепловой насос — это термотрансформатор, преобразующий низкопотенциальную энер-гию окружающей среды, непригодную для использования в отопительных системах, в высоко-потенциальную, которая служит для отопления помещений и нагрева воды в системе ГВС. Ана-лог теплового насоса — холодильник — сегодня есть в каждом доме. В холодильной камере холодильник забирает тепло от продуктов питания, охлаждая их, и выбрасывает это тепло в окружающую среду через радиаторную решетку на задней стенке. А тепловой насос забирает тепло у окружающей среды и передает его в систему отопления. Британский физик Уильям Томсон,изобретатель теплового насоса, назвал его "умножителем тепла [25].
