5.3 Теплонасосні установки для комбінованого виробництва тепла і холоду в приватному господарстві

Теплонасосні установки використовують низькопотенційну енергію навколишнього середовища за рахунок термодинамічних перетворень за циклом Карно підвищують енергетичний потенціал основного теплоносія до більш високого рівня, витрачаючи при цьому в 2…4,8 раза менше енергії. Теплонасосні установки (ТНУ) використовують енергію повітря, води чи ґрунту і передають  її з більшим потенціалом за допомогою низькотемпературних рідин  – фреонів, аміаку, азоту тощо. Використання ТНУ в системах теплопостачання – важлива складова енергозбереження. При цьому зменшуються викиди шкідливих газів у атмосферу, зменшується витрата палива на отримання 1 кВт теплової енергії. Теплонасосні установки доцільно використовувати разом з іншими джерелами тепла.

 Теплові насоси працюють в широкому діапазоні температур. Особливо вигідним є використання у сільському господарстві теплових насосів при одночасному виробництві тепла і холоду – скидне тепло використовується на нагрів біомаси в реакторі, а холод – на функціонування холодильних камер для збереження продукції господарства.

Розглянемо роботу теплового насосу (рис 5.8), що працює на фреоні R22 і має такі характеристики: витрата холодоагента G=0,06 кг/с, температура кипіння фреону у випарнику T₀ = 3°C, температура конденсації парів фреону у конденсаторі  T_k = 55°C. В якості джерела тепла приймемо ґрунтовий колектор, що відбирає тепло із землі і постачає теплоносій (воду) з температурою t_н′ = 8°C, температура високопотенційного теплоносія t_в″ = 50°C. Температурний перепад в конденсаторі Δt = 15 °С, потужність, що споживається компресором   N_е =  3,5 кВт, тепловидатність теплового насоса Q_tn = 15,7 кВт, коефіцієнт перетворення μ = 4,5.

Рисунок  5.8 – Принципова схема роботи теплових насосів  для виробництва гарячої води і опалення: 1 – зворотний трубопровід ґрунтового колектора; 2 – випарник;  3 – компресор;  4 – терморегулювальний вентиль, 5 – конденсатор, 6 − зворотний трубопровід системи теплопостачання

В корпус випарника 2 надходить теплова енергія низького потенціалу з середньою температурою t_н′ = 8°C від ґрунтового колектора. Відбір теплової енергії залежить від виду ґрунту і в середньому складає:

·        для сухого піщаного q_e = 10…15 Вт/м²;

·        для вологого піщаного   q_e = 15…20 Вт/м²;

·        для сухого глинистого q_e = 20…25 Вт/м²;

·        для вологого глинистого q_e = 25…30 Вт/м²;

·        з ґрунтовими водами q_e = 30…35 Вт/м².

Колектори виготовляються з поліетиленових труб діаметрами 20….40 мм максимальною довжиною 100 м.

По випарнику 5 протікає зріджений холодоагент R22, який має знижений тиск Р2 і температуру T₀ = 3°C.

Холодоагент, підігріваючись теплом води низького потенціалу, починає випаровуватися, охолоджуючи при цьому воду до температури  t = 4°C. Компресор 1 всмоктує з випарника насичені пари і стискує їх до тиску Р1. При цьому зростає ентальпія і температура пари до t = 54°C. Робота, що витрачається, дорівнює зміні ентальпії A = Δi, кДж/кг. Пара при температурі конденсації надходить в теплообмінник, де передає своє тепло іншому теплоносію, після чого пара конденсується при незмінному тиску Р1. В дросельному терморегулювальному клапані 4 відбувається зниження тиску рідини від Р1 до Р2. Рідкий холодильний агент частково випаровується і утворюється парорідинна суміш. При дроселюванні ентальпія пари залишається незмінною, а температура знижується до                    T₀ = 3°C. Парорідинна суміш надходить на випарник, де процес повторюється. Для запобігання попадання рідини у компресор і його пошкодження у випарнику роблять додаткову ділянку перегріву для того, щоб вся рідина випарувалася.

Основні характеристики теплових насосів Vitocal наведено в        табл. 5.3.

Рисунок 5.9 − Водо-водяні теплові насоси Viessmann

Кількість тепла, що було відібрано від низькопотенційного джерела, визначається як

Мірою енергетичної ефективності теплового насосу слугує коефіцієнт перетворення енергії μ_тн, що характеризує відношення відданої споживачу енергії до витраченої потужності. Для ідеального циклу коефіцієнт трансформації визначається згідно з рівнянням

В реальних умовах необхідно враховувати різноманітні втрати, тому коефіцієнти трансформації будуть становити 2,5…8. При таких значеннях використання теплових насосів вигідніше, ніж безпосереднє отримання енергії шляхом спалювання палива. Роботу теплового насоса на споживачів показано на рис. 5.10.

Кількість переданої споживачам корисної теплоти залежить від витрати теплоносія G_к, кг/с, ізобарної теплоємності теплоносія с_к, кДж/(кг · К) і температурного градієнта Δt, °С. Таким чином, при нагріванні води

При використання як джерела механічного руху газового двигуна, що працює на очищеному біогазі, загальний коефіцієнт перетворення енергії зростає ще приблизно у 1,5 раза за рахунок утилізації теплоти викидних газів газового двигуна. 

Рисунок 5.10 – Робота теплового насоса для теплопостачання БГУ:

1 – циркуляційний насос контуру теплового насоса; 2 – споживач низькотемпературного теплоносія (тепла підлога); 3 – запірна арматура;                                    4 – пластинчастий теплообмінник; 5 – циркуляційний насос контуру теплопостачання; 6 – біогазовий реактор; 7 – бак-акумулятор

 При одночасному отриманні холоду і тепла рекомендовано використовувати чіллери з гарячим водопостачанням (рис. 5.11). Даний пристрій дозволяє виробляти і транспортувати холодну воду на потреби холодильних камер для зберігання сільськогосподарської продукції, а скидне тепло направляти на підігрів субстрату у біореакторі. Температура гарячої води, що виходить з чіллера, не перевищує 50 °С, що задовольняє вимоги до теплоносіїв БГУ.

Рисунок 5.11 − Чіллер RUUD з тепловим насосом та виробництвом гарячої води

Чіллери – це холодильні машини, які дозволяють отримувати холодну воду (зазвичай 12/7 °С) і використовувати її як носій холоду на потреби господарства: для охолодження холодильних камер, для кондиціювання, на технологічні потреби охолодження молока тощо. Скидне тепло передається повітрю, який омиває конденсатор чіллера. Окрім повітряного охолодження, існують водяні конденсатори або комбіновані – скидне тепло підігріває воду і повітря.

Таблиця 5.3 – Основні технічні характеристики теплових насосів типу вода-вода  Vitocal 300 [87]

На рис. 5.12 показано принципову схема обв’язки чіллера для роботи на біогазову установку: 1 – чіллер, 2 – гнучка вставка, 3 – трубопроводи циркуляції теплої води, 4 – група безпеки, 5 – розширювальний бак,                          6 – циркуляційний насос, 7 – зворотний клапан, 8 – термометр-манометр, 9 − запірна арматура, 10 – бак-акумулятор, 11 – теплообмінник первинний, 12 – теплообмінник вторинний, 13 – автоматичний повітряник. Акумулятор тепла призначений для нівелювання піків споживання і виробництва тепла.

 Таблиця 5.4 − Технічні характеристики чіллерів RUUD

Рисунок 5.12 − Обв’язка чіллера з транспортуванням скидного тепла на потреби БГУ

При використані чіллерів і теплових насосів виникає необхідність у спеціальних домішках до теплоносія з метою запобігання його замерзання. Як домішки зараз використовують розчини етиленгліколя і пропіленгліколя. Необхідно пам’ятати, що введення незамерзаючих рідин змінює в’язкість теплоносія і зростають гідравлічні втрати при його циркуляції. В таблиці 5.5 наведено основні характеристики етиленгліколевої суміші з водою.