Поэтому, отдавая предпочтение геотермальной энергии, в том числе и с низкой ресурсной обеспеченностью, как наиболее доступной для большей части густонаселённых территорий, необходимо проектировать новые прогрессивные системы полифункционального назначения. Такие установки имеют выход энергоносителей различных параметров и наряду с теплоснабжением инженерных систем способны осуществлять и холодоснабжение соответствующего оборудования.
Включение самой дорогой из систем обеспечения микроклимата кондиционирования воздуха в общую схему теплового насоса позволяет получить не только требуемые параметры воды для холодоснабжения фактически без дополнительных затрат, но и повышает общую эффективность парокомпрессионного цикла посредством снижения потребления электроэнергии компрессором.
Полифункциональность утилизации геотермальных ресурсов может быть организована по двум схемам, представленным на рис. 1 и 2.
Первая схема (рис. 1) наряду с холодоснабжением предполагает получение горячей воды, впоследствии направляемой либо на отопление, либо на горячее водоснабжение, что предпочтительней по получаемому температурному режиму. Вторая (рис. 2) подразумевает отпуск тепловой энергии, как в систему горячего водоснабжения, так и на отопление [1].
Включение самой дорогой из систем обеспечения микроклимата кондиционирования воздуха в общую схему теплового насоса позволяет получить не только требуемые параметры воды для холодоснабжения фактически без дополнительных затрат, но и повышает общую эффективность парокомпрессионного цикла посредством снижения потребления электроэнергии компрессором
Полифункциональность достигается установкой оборудования, которое условно подразделяет схемы на следующие ступени:
- I-й контур теплонасосной установки служит для первичного подогрева воды за счёт осуществления парокомпрессионного цикла фреона, включающего кипение последнего в геотермальном теплообменнике 1 с последующем сжатием в компрессоре 7, фазовым переходом в конденсаторе 9 и дросселированием в клапане 10;
- II-й контур воспроизводит рабочие параметры хладагента, впоследствии направляемого во внутренние блоки системы кондиционирования воздуха, фанкойлы, приточные камеры или в технологическое оборудование, требующее охлаждения (в качестве хладоносителя могут быть использованы фреон, вода или при необходимости какая-либо незамерзающая жидкость, причём процесс охлаждения происходит в первичном подогревателе 5 за счёт теплообмена с парами фреона, имеющими низкую отрицательную температуру на выходе из грунтового теплообменника 1);
- Ш-й контур служит для подогрева воды, циркулирующей в системе отопления (рис. 2), и поэтому он содержит дополнительную парокомпрессионную установку для производства более высокотемпературного теплоносителя [1] (после конденсатора 9 фреон первого контура обладает достаточной для возможного использования тепловой энергией, теряемой при дросселировании, введение вторичного контура позволит утилизировать её при минимальных затратах на электроэнергию за счёт испарения фреона и последующей конденсации, которая сопровождается нагревом воды до температуры 70-90 °C, приемлемой для классического водяного отопления);
В летний период года, по мере снижения нагрузки на теплоснабжение и увеличения потребности в холоде, схемы позволяют полностью переключаться в круговой режим функционирования без задействования геотермального контура. Кроме того, приведённые схемы тепловых насосов обладают следующими преимуществами:
1. Полифункциональность. Данная комбинаторика может эксплуатироваться в различных режимах: горячее водоснабжение; отопление; горячее водоснабжение и отопление; теплоснабжение систем жизнеобеспечения зданий; теплоснабжение и холодоснабжение.
2. Регулируемость. В зависимости от потребности в энергии, производительность установки можно изменять за счёт частичного задействования геотермальных теплообменников.
3. Экономичность бинарных режимов. Дополнительным бонусом использования геотермального теплового насоса становится отсутствие затрат на кондиционирование помещений. Более того, при включении кольца холодоснабжения в общую схему теплового насоса парообразный фреон перед компрессором переходит в перегретое состояние, что позволяет сократить затраты на сжатие в компрессоре, а значит, и снизить эксплуатационные расходы.
Включение отопления в общую структуру теплового насоса сопряжено с некоторыми трудностями. При использовании фреона эффективность теплового насоса тем выше, чем меньше затраты компрессора. В то же время высокотемпературная конденсация фреона достигается значительным повышением давления, а значит, и нагрузкой на компрессор. Наиболее экономичным будет организация цикла, нацеленная на выходную температуру в конденсаторе 40-55 °C. В данном случае тепловой насос может выступать в качестве первичного подогревателя теплоносителя для нужд отопления либо как основной, при возможности подержания требуемого температурного режима в помещениях посредством тёплых полов.
Включение отопления в общую структуру теплового насоса сопряжено с некоторыми трудностями. При использовании фреона эффективность теплового насоса тем выше, чем меньше затраты компрессора. В то же время высокотемпературная конденсация фреона достигается значительным повышением давления, а значит, и нагрузкой на компрессор
Конкретная комбинаторика теплового насоса в каждом отдельном случае должна подбираться под условия эксплуатации индивидуального объекта. Введение дополнительных колец циркуляции и теплообменников сопряжено с увеличением капитальных затрат, поэтому каждая схема, в том числе её технические возможности и экономическая рациональность, должна подвергаться предварительному техническому и экономическому расчёту. В контексте рассмотрения эффективной схемы теплового насоса с непосредственным кипением теплоносителя в геотермальном контуре встаёт вопрос выбора наиболее подходящего для поставленной технической задачи теплового агента.
Чтобы достичь требуемых параметров цикла необходимо руководствоваться следующими положениями:
1. Пониженная температура кипения теплоносителя увеличивает тепловой напор в системе, тем самым способствуя интенсивности теплообмена, что в свою очередь значительно сокращает общие капитальные затраты на теплообменное оборудование.
2. Высокие показатели температуры и давления критической точки. Фреон может выполнять свои функции в тепловом насосе при параметрах, не превышающих уровень критической точки.
3. Соотношение температуры и давления конденсации. Закономерно при выборе стремление к максимально высокой температуре конденсации при минимальном давлении, так как чем выше температура, тем более эффективен процесс теплообмена, а минимальное давление конденсации снижает работу сжатия в компрессоре.
4. Высокая теплоёмкость позволяет единицей массы агента переносить больше теплоты, что во многом определяет металлоёмкость системы и размеры применяемого оборудования.
В силу возможной вариативности в вопросе выбора, к нему необходимо подходить комплексно: параметры фреона должны не только удовлетворять процессам эффективного использования, но он должен быть доступен, экономичен и безопасен, в том числе и по экологическим показателям.
Для систем утилизации низкопотенциальной теплоты грунта проведём сравнительный анализ озонобезопасных фреонов по основным термодинамическим параметрам. Критические параметры и скрытая теплота испарения (рис. 3 и 4) показывают, что наилучшим образом проявляет себя аммиак (R717). Его высокие критические значения позволяют варьировать пределы использования, а объёмная холодопроизводительность достигать максимальных значений коэффициента теплоотдачи по сравнению с другими фреонами.
В качестве альтернативного агента для аммиака можно рекомендовать R152a. Данный фреон имеет достаточную для эффективного термодинамического цикла объёмную теплоёмкость и характеризуется высокой критической температурой при средних показателях давления. Кривые энтальпии на диаграммах R152a имеют меньший угол наклона, что позволяет говорить о потенциальной экономичности сжатия в компрессоре.
Для сравнения энергоэффективности двух предлагаемых схем утилизации теплоты грунта (рис. 1 и 2) при обоснованном выборе фреонов были приняты одинаковые рабочие теплотехнические условия протекания циклов: температура испарения хладагента составляет -20 °C, конденсации — 44 °C. Проведённый расчёт основных параметров (табл. 1) теплового насоса при различных схемах объединения потребляющего оборудования (рис. 1 и 2) позволил проанализировать эксергетические составляющие процессов. Для этого в соответствии с методикой [2] определялись следующие показатели по зависимостям
eн = τнqи, (1)
eв = τвqк, (2)
где ен — эксергия, отданная низкопотенциальным теплоносителем в испарителе; ев — эксергия, полученная высокопотенциальным теплоносителем в конденсаторе; qи и qк — удельные тепловые нагрузки испарителя и конденсатора, соответственно, кДж/кг; τн и τв — эксергетические температуры низко- и высокопотенциального теплоносителя, определяемые по формулам:
где t0 — температура окружающей среды, °C; tн1 — температура низкопотенциального теплоносителя на входе в тепловой насос, °C; tн2 — температура низкопотенциального теплоносителя на выходе из теплового насоса, °C; tв1 и tв2 — температура высокопотенциального теплоносителя на входе и на выходе из теплового насоса, °C.
Для определения эксергии электроэнергии, потребляемой электродвигателем, использовалось соотношение:
где lсж — работа сжатия компрессором, кДж/кг; ηэм — электромеханический КПД компрессора, как правило, ηэм = 0,9-0,95; ηэ — КПД электродвигателя, соответствует диапазону ηэ = 0,7-0,95.
Эксергетический КПД ηэ теплового насоса, демонстрирующий термодинамическое совершенство процессов, зависит от суммарной эксергии входных евх и выходных евых потоков:
Расчётные характеристики рабочих сред, представленные в табл. 1 и 2, для схем включающих контур холодоснабжения показывают безусловное лидерство аммиака в качестве хладагента. Причиной является его высокая удельная теплопроизводительность, которая превышает данный показатель фреона R152а в 4,5 раза. В конечном итоге достигается значительно большая тепловая мощность, а также энергетическая и эксергетические эффективности. Это обстоятельство приводит к снижению массового расхода, сокращению площадей поверхностей теплообменников, поперечного сечения труб и арматуры на 3050 %. Перечисленное в совокупности позволяет значительно удешевить систему. Недостатком фреона R717 является превышение работы сжатия в компрессоре в 4,2 раза, нежели чем на R152а. В свою очередь, это приводит к росту потребления электроэнергии.
Проведённое аналитическое исследование фреонов показывает, что для использования в геотермальных теплонасосных системах аммиак является одним из самых перспективных агентов. Данный вывод подтверждается при сравнении аммиака с иными фреонами: при одинаковых рабочих условиях энергетические характеристики аммиачных компрессоров оказываются выше. Для теоретического цикла одноступенчатого теплового насоса, работающего в диапазоне -5...+50 °С с изоэнтропическим адиабатическим сжатием, без перегрева или переохлаждения на всасывании, КПД аммиачного цикла на 7-11 % выше, чем циклов на R134а. В реальных системах разница будет ещё больше благодаря благоприятным теплофизическим свойствам аммиака. К ним относятся более крутая кривая «температура насыщения — давление», более высокое значение коэффициентов теплоотдачи и КПД компрессора. При низких степенях сжатия аммиачные компрессоры существенно лучше компрессоров на HFC.
С точки зрения экологической безопасности аммиак не разрушает озоновый слой и не вносит прямого вклада в увеличение парникового эффекта, но в плане санитарно-гигиенического аспекта он вреден для организма человека.
Данный факт накладывает ряд ограничений на условия размещения оборудования, что вызывает необходимость в отдельно стоящем помещении с наличием нормативно организованной системы механической вентиляции.
Проведённое аналитическое исследование фреонов показывает, что для использования в геотермальных теплонасосных системах аммиак является одним из самых перспективных агентов, однако в плане санитарно-гигиенического аспекта он вреден для организма человека
Сравнивая технические показатели двух схем, одна из которых в дополнении содержит оборудование для подогрева теплоносителя, направляемого в систему отопления, можно сделать вывод о превышении её энергетической эффективности над более простыми структурными комбинациями, подтверждаемой эксергетическими расчётными данными. Затрачивая дополнительное оборудование, процесс утилизации теплоты грунта можно организовать в порядке возрастающей энергоэффективности по следующем схемам: термодинамические циклы с контуром горячего водоснабжения; системы, включающие горячее водоснабжение и охлаждение для кондиционирования воздуха, а также и схемы, предполагающие наиболее полное покрытие нагрузок здания, то есть предназначенные для горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха.
Итак, посредством создания полифункциональных геотермальных тепловых насосов достигаются условия, повышающие эффективность утилизации низкопотенциальной теплоты грунта, которая впоследствии направляется во все системы жизнеобеспечения зданий, снижая потребление традиционных ресурсов. В условиях тенденций современного строительства наиболее перспективной является схема организации теплонасосной системы с возможностью эксплуатации в различных режимах: теплоснабжение, отопление, кондиционирование.
