Использование для теплоснабжения солнечной энергии и низко­температурного тепла различных сред (воздуха, воды, грунта и др.) с помощью тепловых насосов относится к перспективным направле­ниям, которые начинают в настоящее время применяться в экспери­ментальном строительстве. Широкое внедрение этих направлений в практику теплоснабжения сдерживается в основном из-за высоких капитальных затрат на оборудование таких систем и сложности обес­печения только за счет указанных ресурсов требуемых тепловых на­грузок, поэтому они применяются, как правило, совместно с традици­онными способами, что дополнительно увеличивает затраты на тепло­снабжение.

Как источник теплоснабжения солнечная энергия имеет специфи­ческие особенности:

1) использование ее эффективно только в определенных районах, имеющих большое число солнечных дней в году (южных, горных и т. п.);

2) максимальные теплопоступления происходят в летнее время, когда тепловая нагрузка минимальна;

3) теплопоступления происходят только в солнечные дни, а в пасмурные дни и ночные часы они отсутствуют.

Поэтому при использовании солнечной энергии необходимы акку­мулирующие устройства или дополнительные источники тепла (или то и другое), компенсирующие нехватку тепла при отсутствии теплопо - ступлений.

Для использования солнечной энергии применяются солнечные коллекторы (гелиоприемники), внутри которых циркулирует теплоно­ситель. Обращенная к солнцу наружная поверхность гелиоприемника выполняется из материала черного цвета, который лучше всего погло­щает солнечные лучи и за счет этого сильнее нагревается. От этой поверхности происходит уже нагрев теплоносителя, подаваемого к потребителям. Гелиоприемники устанавливаются на крыше и стенах зданий или специальных сооружений с ориентацией на солнечную сторону и углом наклона к горизонту не менее 60° для обеспечения естественного стока атмосферных осадков. В качестве теплоносителя используется обычно вода или незамерзающие жидкости (например, антифриз из смеси этиленгликоля с водой). При отсутствии теплопо - ступлений иногда предусматривают меры против замерзания воды: принудительную циркуляцию или слив воды из контура, установку гелиоприемников в утепленном помещении и др.

Солнечные коллекторы в настоящее время выпускаются эксперимен­
тальным заводом КиевЗНИИЭП. Площадь поверхности одной панели составляет 0,8—1 м2, стоимость — 30—100 руб/м2, а теплосъем с нее на юге страны — до 1 —1,2 кВт'-ч/сут (860—1000 ккал/сут), поэтому для теплоснабжения отдельного здания устанавливают параллельно 30—40 панелей.

Применяемые в настоящее время схемы теплоснабжения с исполь­зованием солнечной энергии могут быть подразделены по следующим признакам:

1) по связи с традиционной системой теплоснабжения — раздель­ная (независимая) и совмещенная (зависимая);

2) в зависимости от числа контуров в схеме теплоснабжения — одноконтурная и двухконтурная.

При раздельном способе каждая из схем теплоснабжения выпол­няется независимо друг от друга, что упрощает их монтаж и эксплу­атацию. Однако капитальные затраты при этом получаются, как пра­вило, максимальными, так как в каждой из схем выполняются свои отопительные приборы, разводки труб и др. При совмещенном способе нагрев теплоносителя, подаваемого в системы отопления, производит­ся теплом, получаемым вначале в гелиоприемнике, а затем в тради­ционном источнике (например, в домовой котельной). При этом используются одни и те же отопительные приборы, что снижает ка­питальные затраты, однако эксплуатация таких установок более сложная.

В одноконтурных схемах гелиотеплоснабжения теплоноситель, циркулирующий через гелиоприемник, подается непосредственно в си­стемы отопления (с предварительным догревом при необходимости в традиционном источнике тепла). В двухконтурных схемах теплоноси­тель, циркулирующий через гелиоприемник, подается в теплообмен­ник, где производится подогрев воды для систем отопления. При этом в солнечном контуре могут быть применены специальные теплоноси­тели (незамерзающие жидкости и др.).

Простейшая двухконтурная зависимая схема гелиотеплоснабжения показана на рис. 12.12. Теплоноситель первого контура нагревается в гелиоприемниках 1 и поступает в водоподогреватель 8, где отдает тепло воде, подаваемой на горячее водоснабжение и отопление. Во­доподогреватель является одновременно и аккумулятором, который запасает тепло при наличии солнечной энергии и разряжается при отсутствии солнца. Догрев подаваемой к потребителям воды до рас­четных параметров производится в котле 6 для систем отопления и водогрейной колонке 7 для горячего водоснабжения.

Следует отметить, что низкая плотность (удельная мощность) солнечной энергии затрудняет использование ее в системах централи­зованного теплоснабжения, так как площадь поверхности коллекто­ров получается настолько большой, что размещать их практически негде.

К тепловым насосам относятся установки, повышающие потенциал отбираемого низкотемпературного тепла (естественного или антропо­генного происхождения) до требуе­мого для использования уровня путем затраты механической, элек­трической или другой энергии.

Рис. 12.12. Простейшая двухконтурная за­висимая схема теплоснабжения здания с использованием солнечной энергии

1 — гелиоприемник; 2 — расширительный бак; 3 — воздуюник; 4 — водоразборный кран; 5 — отопи­тельный прибор; 6 — котел; 7 — водогрейная ко­лонка; 8 — водоподогреватель-аккумулятор; 9 — циркуляционный насос

Принцип их работы аналогичен принципу работы холодильных машин, которые отбирают тепло из охлаждаемого объема (низкотемператур­ное тепло), повышают его потенциал и затем удаляют тепло при более высоком температурном уровне, например при комнатной тем­пературе.

По принципу действия тепловые насосы подразделяются на ком­прессионные, сорбционные и термоэлектрические.

В компрессионных установках отбор низкотемпературного тепла осуществляется специальным рабочим агентом, а повышение потен­циала тепла — путем механического сжатия его в компрессоре. После охлаждения рабочего агента (т. е. отдачи тепла потребителю) для повторения цикла производится его расширение (дросселирование), при котором теплосодержание рабочего агента снижается ниже пара­метров отбираемого низкотемпературного тепла В зависимости от рабочего агента такие тепловые насосы подразделяются на воздушно - компрессионные и парокомпрессионные.

В сорбционных установках процессы отбора низкотемпературного тепла и его отдачи основаны на термохимических реакциях поглоще­ния (сорбции) рабочего агента соответствующим сорбентом, а затем выделении (десорбции) рабочего агента из сорбента. Сорбционные ус­тановки подразделяются на абсорбционные и адсорбционные. В пер­вых процесс сорбции осуществляется во всем объеме абсорбента (на границе жидкой и паровой фаз); во вторых — на поверхности адсор­бента, находящегося, как правило, в твердой фазе (лед). Для транс­формации тепла используется внешняя энергия в форме тепла.

Термоэлектрические установки основаны на эффекте Пельтье, за­ключающемся в том, что если через разнородные и соединенные друг с другом металлы пропустить постоянный ток, то при направле­нии его от положительного проводника к отрицательному в месте контакта (спая) происходит выделение тепла, а при обратном на­правлении — поглощение тепла. На этом принципе работают тепловые асосы на полупроводниковых элементах.

Из отмеченных типов тепловых насосов для теплоснабжения в на­стоящее время находят применение в основном парокомпрессионные. На рис 12 13 представлена простейшая схема такой установки.

Низкокипящая жидкость (рабочий агент) с параметрами Т и Pi поступает в испаритель /, где происходит ее испарение за счет отби­раемого тепла среды Q (температура среды немного выше Т). Обра­зующийся насыщенный пар сжимается компрессором 3 до давления Р2, которому соответствует более высокая температура конденсации Тг. После этого пар поступает в конденсатор 4, где, конденсируясь, от­дает тепло потребителю (воде систем отопления). Для повторения цикла заново осуществляется дросселирование конденсата от давле­ния Р2 До Pi в дросселе 5, при этом снижается и его температура с Т2 до Т. Таким образом, в тепловом насосе используются два источ­ника энергии: низкотемпературное тепло среды Q и дополнительно механическая или электрическая энергия для привода компрессора.

Эффективность работы тепло - вого насоса оценивается обычно 7 коэффициентом преобразования Ф, который представляет собой

У * 7

Рис 12 13 Простейшая схема пароком- прессионной теплонасосной установки 1 — испаритель; 2 — электродвигатель; 3 — компрессор; 4 — конденсатор; 5 — дроссель; 6 — расширительный бак, 7 — отопительный прибор

Отношение полезно передаваемого потребителям тепла к затрачиваемой дополнительно энергии (в компрессоре):

Ф = q%H.

Коэффициент преобразования всегда больше единицы, так как = + где q—отбираемое низкотемпературное тепло среды. В современных тепловых насосах значения <р колеблются от 2 до 5.

В качестве рабочего агента в компрессионных тепловых насосах используются в основном фреоны и наиболее широко «Фреон-12», который обладает самой высокой объемной теплопроизводительностью, поэтому для обеспечения одного и того же количества тепла его тре­буется меньше. К недостаткам «Фреона-12» относится низкая темпе­ратура конденсации (около 65°С), реализуемая в установках. Для получения более высоких температур могут применяться «Фреон-113» v. 114, температура насыщения которых составляет соответственно 127 и 170°С, и каскадные схемы.

Источниками низкотемпературного тепла для тепловых насосов могут являться естественное тепло, содержащееся в наружном возду­хе, поверхностных и подземных водах, грунте и др., а также тепло антропогенного происхождения — удаляемые из различных процессов і азы и жидкости. При этом чем больше температура источника тепла, тем выше коэффициент преобразования тепловых насосов, т. е. их энергетическая эффективность, и тем ниже капитальные затраты на оборудование.

Следует отметить, что в некоторых случаях тепловые насосные установки целесообразно использовать комбинированно для теплохо - лодоснабжения (например, зимой — теплом, летом — холодом) путем переключения соответствующим образом испарителя и конденсатора. Такие установки называют термотрансформаторами и в настоящее время применяют в южных районах страны для кондиционирования воздуха и др.