На правах рукописи
Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОНАСОСОВ С ПОДЗЕМНЫМИ КОЛЛЕКТОРАМИ И СИСТЕМОЙ УВЛАЖНЕНИЯ
ПОРОМПКА СВЕН
Москва - 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент МАХОВ Леонид Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук ВАСИЛЬЕВ Григорий Петрович кандидат технических наук САСИН Виталий Иванович
Ведущая организация: НИИ строительной физики РААСН
Защита состоится «_____»___________ 2011 г. в ____ на заседании диссертационного совета Д 212.138.10 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26, МГСУ, аудитория № .
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».
Автореферат разослан « » ______________ 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Орлов В.А.
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Залежи таких полезных ископаемых, как нефть, природный газ, уголь, которые используются в промышленности, истощаются. Ограниченность запасов и нанесение вреда окружающей среде, прежде всего изменение климата под воздействием выбросов СО2, вынуждает к переходу на генерацию энергии от возобновляемых источников и использованию методов энергосбережения. Основная цель всего человечества, в особенности научно-исследовательских центров, занимающихся вопросами энергии, заключается в разработке новых и более эффективных технологий производства возобновляемой энергии.
1 июня 2005 г. кабинет министров Федеративной Республики Германия утвердил 5-ую программу в области исследования методов получения энергии «Инновации и новые технологии». Данная программа является основой политики Федеративной Республики на ближайшее время по развитию исследований в таких областях, как эффективное использование энергии и производство возобновляемой энергии.
Очень важно снизить расход энергии, необходимый для производства определенной продукции или оказания услуги. Прежде всего, учитывая экологический и экономический факторы, большую роль в области оптимального распределения энергии играет возобновляемые виды энергии, для которых «топливо» производится практически бесплатно. Также, при применении известных методов отсутствуют классические проявления нанесения вреда окружающей среде - нет выделений опасных веществ, например, СО2, SO2 и NOx, а также вредного воздействия шума.
Несмотря на то, что возобновляемая энергия обладает массой преимуществ, ее использование влечет за собой существенные сложности. Нужно искать новые оригинальные технические решения, чтобы, сочетая и используя разные формы возобновляемой энергии и применяя современные методы управления энергетическими ресурсами во всем мире, сгладить недостатки стохастического доступа к источникам возобновляемой энергии, недостаточность плотности при распределении энергии и высокие инвестиционные затраты, а также гарантировать оптимальную эксплуатацию первичных энергоносителей.
Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка научно обоснованных решений по повышению энергетической эффективности тепловых насосов с использованием подземных коллекторов, как источника теплоты, применяя запатентованную систему увлажнения коллектора естественными дождевыми осадками.
Реализация поставленной цели достигается решением следующих задач:
- описание и рассмотрение существующих схемных решений по использованию тепловых насосов с различными источниками теплоты;
- анализ существующих методов оценки энергетической эффективности тепловых насосов;
- оценка возможности использования подземных коллекторов с системой их увлажнения дождевой водой;
- разработка методов и определение последовательности проведения экспериментальных и расчетных исследований;
- разработка схемного решения и конструкции теплового насоса с использованием увлажняемого подземного коллектора;
- разработка и описание лабораторной установки для проведения экспериментальных исследований;
- разработка методов и оценка точности измерения исследуемых параметров работы лабораторной установки в ходе экспериментальных исследований;
- расчет методом моделирования параметров оценки энергоэффективности разработанной системы;
- сравнение результатов расчетного моделирования и проведенных экспериментальных исследований;
- разработка способов конструктивного улучшения системы увлажнения по результатам проведенных исследований;
- оценка погодных условий с учетом модуля дождевых осадков на территории Германии;
- оценка экономической эффективности использования разработанной схемы использования теплового насоса;
- формулирование основных выводов по результатам проведенных исследований.
Научная новизна работы. Научной новизной работы являются:
- определение взаимосвязи между увлажнением подземного коллектора и повышением значения годовой выработки насоса в;
- разработка алгоритма увлажнения дождевой водой;
- сравнение результатов моделирования и теоретических расчетов с экспериментальными результатами;
- сравнение с другими системами отопления с точки зрения экономичности;
- расчет дополнительных затрат на установку системы увлажнения подземного коллектора.
Практическая ценность работы. Практическую ценность работы определяют:
- комплекс компьютерных и теоретических моделей, подтверждающих значения величины в на основе программы моделирования „WP-ОPT" и правил VDI 4650 Союза немецких инженеров;
- компьютерные модели температуры земли и температуры рассола с использованием программы „WP-OPT“;
- конструирование и описание запатентованной системы увлажнения;
- натурный экспериментальный монтаж плоского коллектора с системой увлажнения;
- рекомендации по оптимальному монтажу подземного коллектора;
- рекомендации по улучшению конструкции систем увлажнения плоских коллекторов;
- рекомендации по расчету необходимого количества дождевой воды для увлажнения подземного коллектора.
Реализация на практике результатов работы. Экспериментальная система плоского коллектора для съема тепловой энергии из грунта была установлена в корпусе I, в котором находятся основные лаборатории университета г. Лейпцига. В качестве коммерческого проекта запатентованная система увлажнения подземного коллектора была установлена в более чем 30-ти одно- и двухквартирных домах. Жилая площадь этих домов составляет от 90 до 230 м2. В каждом доме смонтировано напольная система отопления. Все дома имеют эффективную теплоизоляцию. Подземные коллекторы с системой увлажнения дождевой водой были установлены в местах, где бурение для геотермальных целей запрещено.
Личное участие. Все основные результаты работы получено лично автором. Использованные результаты других исследований отмечены ссылками на соответствующие литературные источники.
Достоверность научных положений, выводов и результатов обоснована применением классических положений теории математического анализа и физического моделирования изучаемых процессов, планированием числа экспериментов и подтверждением удовлетворяющей сходимостью полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также результатами других авторов.
На защиту выносятся:
- натурная экспериментальная установка плоского коллектора с системой увлажнения;
- рекомендации по оптимальному монтажу подземного коллектора с системой увлажнения;
- рекомендации по улучшению конструкции систем увлажнения плоских коллекторов;
- рекомендации по расчету необходимого количества дождевой воды для увлажнения подземного коллектора.
Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение: на международной выставке ISH (Франкфурт-на-Майне, 2007 г.); на встречах экспертов общества „ЕURO INNOVATION" (Гера, 2010-2011 гг.), которое основано и работает при поддержке правительства Федеральной Республики Германия; на кафедре отопления и вентиляции МГСУ в 2011 г.; на проводимых в г. Москве (Россия) в 2011 г. международных научно-технических конференциях в НИИСФ и МГСУ.
Публикации. Результаты исследований изложены в 11 печатных трудах, в том числе в зарегистрированных патентах и отдельные разделах Руководства по проектированию электрических тепловых насосов (“Planungsinformation ElektroWдrmepumpe”) и Информационного строительного справочника (“Bauen nach dem Hot-Dog - Prinzip unser Abschied von Цl und Gas”).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений, содержащих 138 страниц текста, 50 рисунков, 13 таблиц и списка литературы, содержащего 54 наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Приложения содержат 41 страниц текста, 24 рисунка и 11 таблиц.
основное Содержание работы
Во введении (первая глава) обоснована актуальность работы, описана энергополитическая ситуация в мире, представлена структура потребления первичной энергии в Германии, сформулированы предпосылки развития производства теплоты из возобновляемой энергии в Германии, приведена статистика производство теплоты из возобновляемой энергии в Германии, описаны различные режимы работы тепловых насосов: моновалентный, бивалентный, моноэнергитеческий.
Во второй главе рассматриваются циклы работы тепловых насосов; коэффициент преобразования и КПД как показатели эффективности тепловых насосов; объясняется роль значений работы отопительных насосов и их влияние на критерий экономичности, а так же дается обзор параметров, которые необходимо учитывать для более экономичного процесса установки теплового насоса.
Цикл Карно - идеальный для любого рабочего цикла теплового насоса, в котором не учитываются потери и позволяющий определить соотношение полезности к затратам. В реальности ни один цикл не протекает без потерь.
Рис. 1. Контур теплового насоса на диаграмме TS
Цикл Карно отображается на диаграмме T-S, где Т- температура и S - энтропия. Преимущество данной диаграммы состоит в том, что перемещаемую теплоту на диаграмме Т-S можно отобразить площадями (рис. 1), где: QC - переданная энергия; Q0 - принятая энергия; PV - мощность компрессора; TC - температура окружающей среды, куда передается теплота; T0 - температура окружающей среды, откуда передается теплота; h - энтальпия.
Значение годовой выработки отопительных тепловых насосов в означает отношение произведенной энергии в виде теплоты (кВт•ч/г.) к использованной всеми компонентами теплового насоса электрической энергии (кВт•ч/г.) за определенный промежуток времени (чаще за 1 год):
в = (произведенная за отопительный период общая полезная энергия) / (электрическая энергия, затраченная на привод)
в = ,
QNutz - отданная за период наблюдения полезная теплота; Wel - использованная за период наблюдения электроэнергия
В третьей главе представлены источники теплоты, устройство горизонтального плоского коллектора и геотермального зонда, преимущества и недостатки каждой из вышеназванных закрытых систем, причем детально рассмотрена работа теплового насоса совместно с плоским коллектором, как главным объектом данной работы.
Грунт является идеальным источником теплоты для теплового насоса, когда он работает в моновалентном режиме. Типичные примеры - подземные геотермальные зонды и плоские коллекторы. Самой популярной конструкцией горизонтального устройства для съема тепловой энергии от грунта является плоский коллектор. Коллекторы просты в установке, их производство не требует больших затрат, поэтому застройщики могут производить их монтаж самостоятельно. Недостаток плоского коллектора состоит в том, что для его укладки необходима значительная свободная площадь, которую не всегда можно выделить на строительной площадке.
Плоский коллектор состоит из проложенных горизонтально в грунте полиэтиленовых петель. Грунт аккумулирует солнечную энергию, которая возобновляется благодаря дождевой воде. Поэтому даже в зимний период в данном источнике теплоты достаточно энергии.
Трубы грунтовых коллекторов можно укладывать друг около друга или друг над другом (рис. 2). Грунтовый коллектор прокладывают примерно на 20 см ниже точки промерзания (на глубину 1,2 - 1,4 м), расстояние между трубами составляет 0,5 - 0,8 м. Грунт на такой глубине сохраняет энергию, так как его температура не опускается ниже 5 °C. Пополнение тепловой энергии происходит благодаря переносу естественной теплоты от солнца, дождевых вод и воздуха.