bbk 000000

УДК 697.3:621.577

Поромпка Свен, Махов Л. М.

Дождевая вода как фактор повышения энергетической эффективности тепловых насосов

Аннотация

Разработана схема использования теплового насоса с подземным коллектором, увлажняемым дождевыми осадками с помощью специальной системы. Доказано повышение энергетической эффективности и коэффициента недельной выработки тепловых насосов за счет целенаправленного орошения подземных коллекторов без дополнительной вспомогательной энергии. При использовании плоского коллектора с системой увлажнения затраты на эксплуатацию и обслуживание теплового насоса типа «вода–рассол» снижаются с 735 до 688 евро/год. С помощью увлажнения вязкого грунта увеличивается мощность изъятия теплоты примерно с 10 до 30 Вт/м².

Ключевые слова

энергоэффективность , подземный коллектор , увлажнение , дождевая вода , тепловой насос , природная энергия , коэффициент выработки

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Для эксплуатации теплового насоса, работающего от солнечной энергии, теплоты окружающей среды или отработанной теплоты, не нужны ни нефть, ни природный газ. Тепловые насосы бесшумны, не коптят, не выбрасывают в атмосферу оксид углерода CO₂, т. е. не участвуют в образовании парникового эффекта. Основная задача – максимально оптимизировать эффективность работы тепловых насосов и доказать, что с помощью простых методов, без применения вспомогательной энергии, можно разработать технологию сохранения ресурсов.

Тепловой насос из теплоты с меньшим энергетическим уровнем производит теплоту с более высоким уровнем. Это происходит в пределах закрытого термодинамического циклического процесса при постоянном изменении агрегатного состояния рабочего агента.

Важным параметром оценки энергетической эффективности работы теплового насоса является КПД с учетом электрической мощности вспомогательных устройств теплового насоса:

КПД = Т/Э,

где Т – тепловая мощность (конденсатор), кВт; Э – электрическая мощность (компрессор + вспомогательная энергия), кВт.

КПД является критерием качества теплового насоса. Его значение определяют на независимых и аккредитованных пунктах по контролю за использованием тепловых насосов, например в центре по тестированию тепловых насосов WPZ (г. Бух, Швейцария), согласно стандартам DIN EN 255 или DIN EN 14 511. Предварительная низкая температура отопительной системы и высокая температура источника теплоты гарантируют высокую энергетическую эффективность.

Годовая выработка β – это отношение произведенной энергии в виде теплоты и использованной электрической работы ко всем компонентам за определенный промежуток времени (в большинстве случаев – за один календарный год):

β = Q_Nutz/W_el,

где Q_Nutz –переданная за время наблюдения полезная теплота, кВт; W_el –использованная за время наблюдения электроэнергия, кВт.

Плоскиеколлекторы.Самой популярной конструкцией горизонтального устройства для перемещения теплоты земли является плоский коллектор. Коллекторы просты в установке, их производство не требует больших затрат, поэтому застройщики могут производить их самостоятельно.

Трубы земляных коллекторов можно укладывать друг около друга или один над другим (рис. 1). Земляной коллектор прокладывают ниже уровня глубины промерзания (от 1,2 до 1,4 м), расстояние между трубами составляет от 0,5 до 0,8 м. Условия на такой глубине благоприятны для сохранения энергии, поскольку температура не опускается ниже 5°C.

Плоскиеколлекторыссистемойувлажнения. Коллектор с системой увлажнения представлен на рис. 2. В период исследований содержание воды в пробе земли составило 13,9%, почва увлажнялась. Суммарное количество воды, используемой для увлажнения тестового участка, составило 0,76 т, причем в определенные дни недели – свой объем. Вода дозировалась таким образом: в первый день – максимальный объем, в последний – минимальный.

В первый день испытаний значение выработки теплоты равнялось 1,43. Испытание с самого первого дня проводилось без дополнительного увлажнения грунта над плоским коллектором. При последнем измерении (в последний день испытания) было зафиксировано значение выработки 1,52. В течение недели (столько длилось испытание) содержание воды в грунте увеличилось с 13,9 до 25%.

При увеличении содержания воды в грунте примерно на 11% значения недельной выработки β увеличились на 6,3% (рис. 3). Таким образом, благодаря улучшению теплопроводности, в результате чего была получена дополнительная природная энергия, владелец установки потратил на отопление на 6,3% меньше электроэнергии. Это значит, что в жилом доме, отапливаемая площадь которого составляет 120 м², а стандартная потребность дома в теплоте – 8 кВт, можно сэкономить на отоплении, горячем водоснабжении и охлаждении в теплый период примерно 70 евро/год, а при установлении всех элементов за один раз и до 250 евро/год.

Кроме того, доказанная рентабельность еще раз свидетельствует об эффективности сочетания традиционного теплового коллектора с системой увлажнения. На основании директивы 2067 Союза немецких инженеров была оценена рентабельность различных отопительных систем. Очевидно, что расходы на эксплуатацию и обслуживание теплового насоса типа «рассол–вода» минимальны (рис. 4). А при использовании плоского коллектора в сочетании с системой увлажнения эти расходы можно снизить еще примерно на 6,3%, так как задействуется больше бесплатной природной энергии.

При использовании плоского коллектора с системой увлажнения затраты на эксплуатацию и обслуживание теплового насоса типа «вода–рассол» снижаются с 735 до 688 евро/год. Затраты на материал и установку составляют примерно 200 евро (срок окупаемости около 4 лет). Время окупаемости существенно сокращается при песчаном грунте. С помощью увлажнения вязкого грунта можно увеличить мощность изъятия теплоты примерно с 10 до 30 Вт/м².

Фирма «WAVIN» разработала систему AquaGeoKollektor для максимального изъятия теплоты в поверхностных слоях грунта. Полный комплект состоит из системы увлажнения дождевой водой, соединительных обсадных труб, шахты фильтрования и распределения, ванны коллектора, дренажной трубы, а также шахты для накопления застоявшейся воды (рис. 5).

Системы AquaGeoKollektor выпускаются четырех размеров в зависимости от мощности насосов 5, 7, 10, 13 кВт соответственно. Высокий уровень влажности положительно влияет на передачу теплоты между грунтом и трубой плоского коллектора – изъятие аккумулированной летом солнечной теплоты не прерывается, то есть система используется оптимально. Для установки коллектора потребуется на 50% меньше площади по сравнению с традиционными плоскими коллекторами.