Контрольная работа по «Автономные источники теплоснабжения»

Принципиальная  схема теплового насоса «Воздух-вода».

 

Изначально предполагаю, что в помещениях будут установлены радиаторы.

Находим коэффициент  эффективности теплового насоса:

Это значит, что  с одного затраченного кВт электроэнергии мы получаем 3,8 кВт тепловой энергии.

Далее определяем расход  фреона:

D=Q_действ^пол/(i₃-i₅)=118.5/156=0.76кг/с=2741,5кг/час

Оценка площади  поверхности конденсатора:

F_конд= Q_действ^пол/к(t_фр-t_г.в)=118/300*20=19.8 м²

где k=300 Вт/м²град – коэффициент теплопередачи через трубки конденсатора

t_фр=80°С – средняя температура фреона

t_г.в=60 °С – средняя температура воды в конденсаторе

Оценка площади  испарителя:

F_конд= D(i₂-i₅) /к(t_возд-t_фр)=2741,59646-490)/50*17=503 м²

где k=500 Вт/м²град – коэффициент теплопередачи через трубки испарителя

t_фр=-2°С – температура кипения фреона в испарителе

t_г.в=15 °С – температура вентиляционного воздуха

 

 

 

 

Применение  солнечных коллекторов

В своем проекте  применяю солнечные коллекторы с вакуумными трубками в качестве нагрева воды в летнее время.

В вакуумном  коллекторе, в котором используется вакуумные тепловые трубки с 3-мя (100-110 °С), 5-ью (160-180°С) и 7-ью (230-260 °С) слойным  селективным покрытием (Al-N-Al, Al-Cu-N-SS-Cu), поглощающее солнечное излучение, теплоизолированное вакуумированным пространством, задерживается 95-98% падающей энергии и практически полностью устранены ее потери в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции, а потери на излучение в значительной степени подавляются за счет применения селективного покрытия. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал (меньше 3%), теплоноситель в нем можно нагреть до температур 100-260°С в зависимости от типа вакуумной тепловой трубки.

Преимущества:

Благодаря отличной теплоизоляции вакуумные солнечные  коллекторы работают очень эффективно при любых температурах окружающей среды. Преимущество вакуумных коллекторов  перед плоскими наиболее очевидно при  большей разнице температур теплоносителя в коллекторе и окружающей среды.

Удобство монтажа  вакуумных коллекторов

Коллектор поднимается  и монтируется по частям

Монтаж трубопроводов  и проверка системы проводится до установки вакуумных трубок

Монтаж или  замена отдельного элемента не влияет на работу системы в целом

В качестве теплоносителя  может быть использована вода и высокотемпературный  теплоноситель

 

Солнечные тепловые установки на основе вакуумных коллекторов  эффективно применяются для горячего водоснабжения, отопления домов, подогрева бассейнов и кондиционирования. Это существует, прекрасно работает на бесплатной энергии, и зависит только от Вас, насколько энергонезависимым Вы строите свой дом, как Вы хотите использовать энергию солнца, и насколько экологически чистые технологии нужны Вам.

 

Варианты использования:

1) Только нагрев  воды от солнца – система  конфигурируется в зависимости  от предполагаемого расхода горячей  воды на каждого человека. Солнечный  коллектор становится основным  источником нагрева воды, а бак  теплонакопитель компенсирует погодные изменения и ночное время. Автономность 1-2 дня. Для бесперебойного снабжения система оборудуется дополнительным источником нагрева. Стандартная солнечная система компенсирует до 80% годовых энергозатрат, а при сезонном использовании летом 100%.

2) Нагрев воды  и поддержка отопления – система  конфигурируется в зависимости  от тепловых потерь дома и  расхода горячей воды на каждого  человека. Больший бак теплонакопитель  (800-5000 литров) становится центральным  источником энергии, компенсирует погодные изменения, ночное время. Солнечная система работает совместно с котлом и обеспечивает автономность отопления дома в течение 12-30 часов это позволяет сократить время использования котла в межсезонье до 50%, а зимой до 25% при 100% обеспечении горячей водой и подогревом бассейна от солнца.

3) Автономное  солнечное отопление и горячее  водоснабжение – система конфигурируется  комплексно на основе минимизации  теплопотерь здания, накопления  большого запаса энергии для  компенсации сезонных изменений  и использовании низкотемпературной системы отопления (теплые полы, теплые стены). Главной составляющей системы становится бак теплонакопитель особой конструкции объемом от 20м3 и более. Бак собирается на месте из готовых модулей, солнечные коллекторы обеспечивают нагрев бака до температуры 85°С к началу отопительного сезона. Система отопления, используя теплообменники и циркуляционные насосы отапливает здание, бак теплонакопитель отдавая энергию на отопление и получая дополнительную энергию от солнца медленно остывает к концу отопительного сезона до 40°С. Для надежности в систему добавлен тепловой насос вода-вода позволяющий взять в случае необходимости дополнительную энергию из бака. Система не использует другие виды энергии для отопления кроме накопленной солнечной. Для работы системы требуется бесперебойный источник электрической энергии 200-400Вт обеспечивающий работу циркуляционных насосов отопления (что также решается установкой солнечных электрических модулей). Автономность и использование солнечной энергии для отопления 100%.

4) Кондиционирование  – вакуумные коллекторы используются  как источник энергии в кондиционерах  абсорбирующего типа за счет  малых теплопотерь и высокой  температуры теплоносителя.

 

Вакуумные трубки

Высокопрочные стеклянные вакуумные трубки по конструкции являются термосами – одна трубка расположена в другой, между ними вакуум, который представляет совершенную термоизоляцию – сосуд Дьюара. Сосуд Дьюара — сосуд,

предназначенный для теплоизоляции содержащегося  в нём вещества. Сосуд Дьюара был изобретён шотландским физиком и химиком сэром Джеймсом Дьюаром в 1892 году. Первые сосуды Дьюара для коммерческого использования были произведены в 1904 году, когда была основана немецкая компания Термос. Сосуд Дьюара представляет собой колбу с двойными или кратными стенками, между которыми выкачан воздух, чтобы избежать конвекционной теплопередачи. Для уменьшения потери на излучение обе внутренние поверхности колбы покрывают отражающим слоем. Имея селективное двенадцатислойное покрытие, состоящее из трех или пяти групп слоев, вакуумные трубки поглощают максимум падающей энергии (в том числе отраженный свет), коллекторы работают и тогда, когда солнце закрыто облаками. Кроме этого коллекторы с цилиндрической абсорбционной поверхностью имеют ряд неоспоримых преимуществ. Благодаря цилиндрической форме трубок солнечные лучи в течение дня падают на одинаковую по площади поверхность, это как бы плоский коллектор, поворачивающийся на одной оси за солнцем. Так конструктивно выполнено пассивное слежение за солнцем, позволяющее коллекторам работать стабильно с макс. производительностью в течение всего дня. Благодаря круглой форме элементов коллекторы не накапливают грязи, прекрасно моются дождем и устойчивы к ударам крупного града диаметром 25мм. Существуют 2 основных типа вакуумных солнечных коллекторов – с заполнением внутреннего пространства теплоносителем, и с тепловыми трубками. Почти во всех наших системах мы используем вакуумные коллекторы с тепловыми трубками. За счет улучшенной конструкции, они занимают первое место по показателю цена - производительность. Стоимость таких трубок на 1 м² солнечного коллектора в среднем выходит 3000 рублей.

Для вычисления необходимой площади солнечных  коллекторов, необходимо для начала узнать количество тепла получаемого  с одного метра квадратного в данных условиях. Выбираю самый неблагоприятный месяц – март.

Е_к=Q_мес*к_ясн*

/( *3600)=565*0,44*1,47*10⁶/366*3600=277,4 Вт/м²

где Q_мес=565*10⁶Дж/м² – суммарная солнечная радиация на горионтальную поверхность

к_ясн=0,44 – коэффициент облачности

=1,47 – среднемесячный  коэффициент наклона при склонении  равное 45град.

=366 часов – часов  ясной погоды в месяце

Оценка площади  поверхности солнечных коллекторов:

F_k=n*Q_гвс/(

E_k – K(t_вод-t_возд))=1,2*30*10³/(0,8*277,4-(2*(32,5-0,4))=231 м²

где n=1,2 – коэффициент запаса

=0,8 – КПД солнечных коллекторов

t_вод=32,5°С – средняя температура воды

t_возд=0,4°С – средняя температура наружного воздуха в месяце

 Таким образом,  солнечные коллекторы будут устанавливаться на скатной крыши дома. Площади поверхности крыши вполне достаточно для установки солнечных коллекторов. Общая стоимость солнечных коллекторов будет составлять около 1,617млн. рублей.

 

 

 

 

 

Окупаемость проекта

Если бы мы использовали электроэнергию в чистом виде, т.е. с помощью электрического котла отапливались, то оплата за электроэнергию в год составила бы при данной нагрузке около 725 тыс. рублей (потребляемая электрическая мощность котла 84кВт*час). Но, так как, мы используем альтернативные источники теплоснабжения, общей стоимостью 1666200 рублей (без учета установки), мы получаем, что при потребляемой мощности ТН 22,6 кВт*час, общая сумма оплаты за год составляет 195тыс. рублей. В год мы выгадываем около 500 тыс. рублей за оплату электроэнергии. Таким образом, предложенные мною АИЭ окупаются в течении  3,2 лет, что очень экономически целесообразно, так как срок службы данных установок 20-25 лет.

 

 

Вывод

 

Тепловые насосы, использующие возобновляемые источники  тепла, являются самым энергетически эффективным отопительным оборудованием.

Системы, построенные  на базе ТН, надежные, безопасные и долговечные.

Получение тепла  посредством теплового насоса –  экологически чистый технологический  процесс.

Современное климатическое оборудование позволяет создать ТН с производительностью от десятков кВт до МВт.