Разработка системы аккумулирования тепловой энергии в теплице с использованием тепловых насосов

мофеев // Энергосистема: управление, качество, безопасность: сб. докл. всерос. науч.-практ. конф. -Екатеринбург, 2001. - С. 435-440.

5. Герасименко, А.А. Влияние загрузки распределительных сетей на погрешность расчета технических потерь электроэнергии / А.А. Герасименко, Г.С. Тимофеев, Д.А. Куценов // Достижения науки и техники развитию сибирских регионов: мат-лы всерос. науч.-метод. конф. и выставки. - Красноярск, 2003. -С. 120-122.

6. Герасименко, А.А. Уточнение технической и коммерческой составляющих потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях / А.А. Герасименко, Д.А. Куценов, Г.С. Тимофеев // Изв. вузов. Электромеханика. - 2005. - № 5. - С. 38-43.

7. Справочник по проектированию электроэнергетических систем / В.В. Ершевич [и др.]; под ред. С.С. Ро-котяна и И.М. Шапиро. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 352 с.

8. Гмурман, В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика / В.Е. Гмурман. - М.: Высш. шк., 1977. - 480 с.

9. Герасименко, А.А. Методика, алгоритм и программа расчета технических потерь электроэнергии в распределительных сетях энергосистем / А.А. Герасименко, Г.С. Тимофеев // Вестн. электроэнергетики. -2001. - №4.- 74 с.

10. Герасименко, А.А. Расчет потерь электроэнергии и рабочих режимов в распределительных сетях энергосистем / А.А. Герасименко, Г.С. Тимофеев // Оптимизация режимов работы систем электроприводов: межвуз. сб. науч. тр. - Красноярск, 2002. - С. 75-95.

---------♦-----------

УДК 631.371 В.А. Кожухов, А.Ф. Семенов

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АККУМУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛИЦЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Показаны приходящие, расходные и знакопеременные составляющие тепловых потоков в теплице. Рассмотрены физические основы построения тепловых насосов. Предложено использование кольцевых теплонасосных систем для аккумулирования тепловой энергии в теплице. Применена программа TechOp-Ш'^г для анализа кольцевой теплонасосной системы.

Тепловой режим теплицы определяется как параметр микроклимата, необходимый для роста и развития растений. Рассматривая тепловой режим теплицы на данном этапе онтогенеза растений как оптимальный, можно считать температуру внутри сооружения постоянной, а тепловой баланс системы равным нулю. Такой режим поддерживается системой автоматического регулирования температуры в замкнутом пространстве сооружения теплицы. Тепловой баланс определяется взаимодействием тепловых потоков, связанных с приходом и расходом тепла. Приходящие составляющие теплового потока состоят из проникающей солнечной радиации, теплоотдачи отопительного оборудования и аккумулированной тепловой энергии. Расходные составляющие определяются теплопотерями через ограждения, вентиляцией и инфильтрацией воздуха. При наличии растений значительная доля энергии солнечной радиации расходуется на испарение влаги с листовой поверхности. Часть тепла теряется при испарении почвенной влаги. Знакопеременные составляющие тепловых потоков связаны с теплообменом почвы и теплообменом с ограждениями при конденсации и испарении влаги.

Из всех возможных источников поступления тепловой энергии в теплицу самым дешевым, практически бесплатным, является солнечная радиация. Тепловой поток солнечной энергии на земную поверхность составляет 0,25-1 кВт/м2. Перспективным источником тепловой энергии является грунт, который аккумулирует солнечную энергию и круглый год подогревается изнутри от ядра Земли. Устройством для передачи тепловой энергии из грунта потребителю является тепловой насос. Необходимая энергия собирается теплообменником, заглубленным в землю на глубину 3-4 м, и аккумулируется в носителе, который затем насосом подается в испаритель и возвращается обратно за новой порцией тепла. В качестве такого переносчика

энергии используется незамерзающая жидкость на основе этиленгликоля или пропиленгликоля, называемая хладагентом. Хладагент под давлением через капиллярное отверстие поступает в испаритель, где за счет резкого уменьшения давления происходит испарение. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, а испаритель, в свою очередь, отбирает тепло у земляного контура, за счет чего происходит его постоянное охлаждение. Компрессор засасывает из испарителя хладагент, сжимает его, за счет чего температура хладагента повышается и выталкивает его в конденсатор. В конденсаторе нагретый в результате сжатия хладагент отдает полученное тепло в отопительный контур и окончательно переходит в жидкое состояние. Далее процесс повторяется вновь. Таким образом, тепловой насос перекачивает низкотемпературную тепловую энергию грунта в относительно высокопотенциальное тепло для обогрева объекта. Примерно 2/3 отопительной энергии можно получить бесплатно из природы: грунта, воды, воздуха и только 1/3 энергии необходимо затратить для работы самого теплового насоса. Основными достоинствами тепловых насосов являются: экономичность, повсеместность применения, экологичность, универсальность и безопасность. При использовании тепловых насосов следует учитывать следующие особенности. Во-первых, тепловой насос оправдывает себя только в хорошо утепленном помещении, то есть с теплопотерями не более 100 Вт/м2. Во-вторых, коэффициент преобразования тепла теплового насоса уменьшается с ростом разницы температур на входном и выходном контурах. Поэтому более выгодно подключение теплового насоса к низкотемпературным системам отопления. В-третьих, для достижения большей выгоды практикуется эксплуатация тепловых насосов в паре с дополнительным генератором тепла с использованием бивалентной схемы отопления.

На рисунке 1 показана диаграмма стоимости отопления различными видами топлива помещения площадью 200 м2. За единицу взяты финансовые затраты на использование теплового насоса [1].

Рис. 1. Стоимость отопления от различных источников энергии

Стоимость отопления при помощи теплового насоса намного меньше, чем от других источников энергии, а с неизбежным ростом цен на традиционные энергоносители эта разница станет еще более ощутимой.

Для обогрева теплицы предлагается использовать комплексную кольцевую теплонасосную систему, изображенную на рисунке 2.

В системе установлены два тепловых насоса ТН1 и ТН2. Тепловой насос ТН2 поставляет тепло в систему из грунтового коллектора, используя рассеянное тепло земных недр. Тепловой насос ТН1 использует солнечную энергию при перегреве теплицы, отнимая тепло от ребристого воздушно-водяного коллектора и поставляя его в контур, состоящий из водяного циркуляционного насоса и низкотемпературного бака накопителя, за счет которого увеличивается накопление тепла и стабилизируется температура воды в контуре. Потребителями тепла являются воздух и почва в холодное время, а также система полива растений. В летнее время кольцевая система полностью берет на себя функцию отопления теплицы. В осеннее-весеннее время при недостатке тепловой энергии возможно дополнительное использование традиционной системы отопления в виде электронагревателя.

Рис. 2. Кольцевая теплонасосная система

Идентификация функциональных проблем в системе и визуальное наблюдение функционирования различных элементов системы с добавлением семантики в функциональную модель возможно с помощью интерфейса ІМС ТесІлОр^і^ег [2]. Функциональная модель, описывающая взаимодействие между частями кольцевой теплонасосной системы с помощью программы ТесІлОрйі^ег, представлена на рисунке 3.

Источник теплоты ТН2, как следует из рисунка 3, работает по классической схеме теплового насоса. Источник ТН1 содержит вентилятор, скорость которого меняется в зависимости от температуры воздуха в теплице при перегреве. Потребители тепловой энергии в системе теплоснабжения замыкаются на продукт системы, которым является растение.

Важнейшими преимуществами кольцевой системы теплоснабжения являются [3]:

• безопасность и эффективность транспортировки тепла, связанная с тем, что перенос теплоты осуществляется водой с температурой 18-320С, поскольку при такой температуре нет заметной теплоотдачи, не образуется конденсат на поверхности труб, не используется теплоизоляция;

• использование тепловых насосов, позволяющих производить энергии больше, чем потреблять;

• возможность сочетания кольцевых теплонасосных систем с другими инженерными системами получения тепловой энергии;

• не требуется сложные системы автоматического управления, поскольку все регулирование сводится лишь к поддержанию определенного значения температуры воды в контуре.

ТН1

ТН2

Рис. 3. Дерево функциональной теплонасосной системы:

- - поступление тепла в систему;--------- - расход тепла; \ \ - объекты суперсистемы, которые не принадлежат системе, но оказывают

главное воздействие, которое не может быть изменено: солнечная энергия и тепловая энергия грунта; I I - продукт системы: растение;

- компоненты системы: части системы при анализе

Литература

1. http://www.ekoteplo.com/ru.

2. http://www.sual.narod.ru.

3. Шабанов, В.Е. Кольцевая система кондиционирования воздуха в гостинице / В.Е. Шабанов // АВОК. -2004. - №7.