В работе описана математическая модель теплонасосной системы автономного теплоснабжения. Приведены расчеты потребной площади теплоприемника воздушного солнечного коллектора, температуры в теплоаккумулирующим устройстве.
Введение
Теплонасосная система автономного теплоснабжения жилых и производственных зданий представляет собой различные теплообменные аппараты, утилизирующие низкопотенциальные теплоты окружающего воздуха, солнечной энергии, воды и грунта поверхностных слоев Земли, включенные в единый с испарителем теплонасосной установки (ТНУ) контур.
Преимуществом таких систем является доступность низкопотенциального источника теплоты (НИТ). Однако использование лишь теплоты окружающего воздуха или солнечной энергии, грунта поверхностных слоев Земли в качестве единственных источников НИТ в комбинации с ТНУ малоэффективно. Это, прежде всего, связано с сезонными и суточными колебаниями температуры наружного воздуха в зависимости от погодных условий и неравномерности прихода солнечной радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий, которая влечет за собой колебания режимов работы теплового насоса, снижающего его эффективность. Так, изменение температуры наружного воздуха с +7оС до минус 10оС приводит к снижение производительности ТНУ в 1,5…2,0 раза.
В силу недостаточной изученности вопроса и отсутствием надежного, согласующегося с опытными данными математического описания, в настоящее время практически отсутствует технологий теплонасосной системы теплоснабжения (ТСТ), удовлетворяющие природно-климатических условий различной зоны Казахстана.
Основная часть
Принимая во внимание результатов НИР [1], а также оценки характеристики метеорологических условий в период отопительного сезона юго-восточной зоны республики, нами предлагается следующая гибридная ТСТ, состоящая из воздушных солнечных коллекторов, грунтового теплообменника и теплоаккумулятора, используемая для предварительного нагрева наружного воздуха, который впоследствии поступает в испаритель теплового насоса. Предлагаемая модель ТСТ представлена на рисунок 1.
В модели предлагаемая технология ТСТ рассматривается как система, включающая теплоутилизирующие, аккумулирующие, генерирующие компоненты и компоненты потребления теплоты.
Параметрами системы являются количественный состав и свойства каждого из ее компонентов. Состояние компонента,- есть некоторая функция времени, зависящая от его параметров. Входными энергетическими потоками системы являются энергия солнца и поверхностных слоев Земли, утилизирующие соответственно солнечными коллекторами и грунтовыми теплообменниками НИТ.
Рисунок 1 – Энергетические потоки в теплонасосоной системе автономного теплоснабжения.
Сгенерированные потоки тепловой энергии после преобразования направляются в испаритель теплового насоса. Часть энергии накапливается в тепловом аккумуляторе для компенсации, не достающейся теплоты.
Основной показатель работоспособности приведенной теплонасосной системы теплоснабжения – возможность обеспечения стабильной работы и производительности теплового насоса, удовлетворяющих потребителей теплоты не ниже требуемой:
Эффективность ТСТ – целый набор значений показателей, определяющих не только его работоспособность, но и надежность, характеристики экономического плана: стоимость, себестоимость тепловой энергии, срок окупаемости, площадь размещения, удобство обслуживания и многие другие.
Решение задачи проектирования действительно эффективного теплогенерирующего комплекса, как показали результаты анализа состояния данного вопроса, выполненного в [1], может быть осуществлено путем применения методов моделирования и оптимизации.
Вместе с тем, из-за сложности установления ряда теплотехнических параметров получаемого полезного тепла, как от солнечной энергии, так и энергии поверхностных слоев Земли, многомерную модель, изображенную на рис.1, проанализируем в упрощенным виде по отдельности.
Методика теоретического расчета потребной площади теплоприемника воздушного солнечного коллектора для теплонасосной системы теплоснабжения
Для построения математической модели и упрощения анализа процесса конвективного теплообмена в системе НИТ – ТНУ – потребитель теплоты принимаем, что рабочее тело несжимаемо, перенос теплоты осуществляется конвективно, перенос теплоты за счет теплопроводности незначителен и им можно пренебречь. Исходя изложенного, многомерную модель (рисунок 1), представим в виде простой модели сопряженной гелиосистемы с тепловым насосом, показанной на рисунке 2.
Проектированию любой гелиосистемы предшествует теплотехнический расчет теплоприемника. Потребная площадь теплоприемника обычно определяется экспериментально по количеству теплопотерь в установке, что сопряжено с большими трудностями.
Рисунок 2- Схема сопряжения гелиосистемы с тепловым насосом
Таким образом, можно определить температуру в конце условного интервала ∆τ, при условии, что температура была неизменна в течение этого интервала.
Выводы
Предложена методика построения математической модели теплонасосной системы автономного теплоснабжения, составлены уравнения теплового баланса, проведены расчеты потребной площади теплоприемника воздушного солнечного коллектора, средней температуры теплоаккумулирующего устройства.
Литература
- Отчет о научно-исследовательской работе: «Разработка энергосберегающей системы отопления жилых домов и зданий на базе использования тепловых насосов «воздух-вода» с дистанционным контролем и управлением». Алматы, 2013 г. – 131 с.
- Бекман У., Клейн С., Даффи Дж. Расчет систем солнечного теплоснабжения.- М.: Энергоиздат, 1982.-80 с.
- Амерханов Р.А., Долинский А.А., Морозюк Т.В. Аккумулирование теплоты в системах теплоснабжения сельского хозяйства //Пром.теплотехника. – 2002.-Т.24.- №1. С.106-108.
- Solar engineering of thermal processes/John A. Duffie, William A. Beckman. – 2nd Wiley, John&Sons, Incorporated, 1991.-918 p.