Способ использования солнечной энергии для систем кондиционирования воздуха
METHOD FOR USING SOLAR ENERGY FOR AIR CONDITIONING SYSTEMS

Изобретение относится к способам получения холода в системах кондиционирования воздуха на основе использования солнечной энергии в теплый период.
Известны способы получения холода в системах кондиционирования воздуха помещений [Плотников К.В., Алифанова А.И., Семиненко А.С. Кондиционирование зданий посредством солнечной энергии. Современные наукоемкие технологии. №7, 2014. С. 59-61. Плешка М.С. Система кондиционирования микроклимата здания с использованием солнечной энергии. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. - М., 2005. - 288 с.].
Недостатками известных способов является то, что для этой цели используется абсорбционный тепловой насос, коэффициент трансформации тепла у которого не превышает 0,6.
Известен также способ получения холода в системах кондиционирования воздуха помещений с помощью парокомпрессорной холодильной машины [Свистунов В.М., Пушняков Н.К. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха объектов агропромышленного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства. Учебник для вузов. СПб: Политехника, 2006. - 423 с. Ананьев В.А., Балуева Л.П., Гальперин А.Д. и др. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика. Уч. пособие - М.: «Евроклимат», издательство «Арина», 2000. - 416 с.].
Недостатком известного способа является то, что используется электрический привод и необходимо двойное преобразование энергии (тепловой в электрическую, а затем - электрической в холод, для чего используется электродвигатель).
Наиболее близким к предложенному способу является способ использования солнечной энергии двигателем с внешним подводом теплоты (двигателем Стерлинга) [«Двигатель с внешним подводом теплоты». Патент №2105156 от 23 июня 1995 г., РФ], в результате осуществления которого получается механическая работа. Двигатель Стерлинга более эффективен в преобразовании солнечного излучения в электроэнергию (КПД 31%), чем большинство современных фотоэлектрических элементов (в продаже элементы с КПД 14-18%, в стадии испытаний с КПД в 24-41%) и солнечных электростанций концентрационного типа (параболические желоба, башенные конструкции - КПД 16%).
Недостатками известного способа являются:
- недоиспользование теплового потенциала солнечного коллектора в летнее время;
- используется только для выработки электроэнергии (необходим электрогенератор).
Технический результат заявляемого способа заключается в увеличении коэффициента использования солнечной энергии и уменьшении арсенала технических средств для осуществления способа (отсутствие более дорогостоящих фотоэлектрических элементов, электрического преобразователя, электрического аккумулятора и электродвигателя для привода компрессора парокомпрессорной холодильной машины). Таким образом, использование солнечной энергии по предлагаемому способу эффективнее ее использования путем получения электрической энергии на фотоэлектрических панелях, а затем использования ее для привода парокомпрессорной холодильной машины, т.к. их КПД, как отмечалось ранее, ниже КПД двигателя Стерлинга.
Указанный технический результат заявляемого способа достигается за счет реализации совокупности признаков, при которых достигается новый эффект - увеличение коэффициента использования солнечной энергии в 1,2÷2,1 раза (с учетом того, что КПД двигателя Стерлинга - более 30% (а большинство современных фотоэлектрических элементов имеют КПД 14-18%), коэффициент трансформации тепла парокомпрессорной холодильной машины в зависимости от температуры сред (наружного воздуха и воздуха в помещении) - 4÷7 (при использовании абсорбционного теплового насоса, коэффициент трансформации тепла не превышает 0,6) и отсутствует двойное преобразование энергии (тепловой в электрическую с помощью электрогенератора, а затем - электрической в холод, с помощью электродвигателя, обеспечивающего работу парокомпрессорной холодильной машины) и, соответственно, уменьшается арсенал технических средств (отсутствие электрогенератора и электродвигателя).
Технический результат достигается за счет того, что в способе использования солнечной энергии для систем кондиционирования воздуха на основе солнечного коллектора, двигателя с внешним подводом теплоты, термальной скважины с теплосъемными трубами, парокомпрессорной холодильной машины, вырабатываемая солнечным коллектором тепловая энергия посредством промежуточного теплоносителя солнечного коллектора передается в двигатель с внешним подводом теплоты для выработки механической энергии, которую используют для привода парокомпрессорной холодильной машины для выработки холода для системы кондиционирования воздуха помещений, а отработанное тепло от двигателя с внешним подводом теплоты посредством теплосъемных труб отводят в термальную скважину.
В теплый период тепловую энергию, вырабатываемую солнечным коллектором, используют в двигателе с внешним подводом теплоты для выработки механической энергии, которую используют для привода парокомпрессорной холодильной машины для выработки холода для системы кондиционирования воздуха помещений. Отводимую (низкопотенциальную) теплоту от двигателя с внешним подводом теплоты отводят посредством теплосъемных труб в термальную скважину глубиной 15-25 м, имеющую высокую теплоаккумулирующую способность и относительно постоянную температуру, что будет обеспечивать максимальный КПД двигателя (на глубине 15-25 м температура грунта практически не зависит от колебаний температуры наружного воздуха).
Конкурентоспособность предложенного способа определяется целым рядом технических, экономических и социально-экологических факторов.
Технические факторы
Отличительной особенностью предлагаемого способа на основе солнечного коллектора является:
а) применение двигателя с внешним подводом теплоты, с помощью которого обеспечивают использование получаемой от солнечного коллектора механической работы для привода парокомпрессорной холодильной машины;
б) применение парокомпрессорной холодильной машины (ПКХМ), с помощью которой обеспечивают использование получаемой от двигателя с внешним подводом теплоты работы для кондиционирования помещений в теплый период.
Экономические факторы определяются единовременными капитальными затратами и снижением эксплуатационных затрат, за счет которых окупаемость капитальных затрат не более 15 лет.
Социально-экологические факторы характеризуются возможностью обеспечения более дешевым холодом систем кондиционирования воздуха, а также снижением уровня загрязнения атмосферы.
На фиг. 1 показана принципиальная схема энергетической установки для осуществления способа использования солнечной энергии для систем кондиционирования воздуха.
Схема включает в себя следующие элементы: 1 - солнечный коллектор с контуром промежуточного теплоносителя (антифриза); 2 - двигатель с внешним подводом теплоты; 3 - парокомпрессорную холодильную машину; 4 - теплосъемные трубы (с антифризом) двигателя с внешним подводом теплоты; 5 - термальную скважину, а также показаны тепловые потоки: 6 - солнечной энергии; 7 - теплоносителя контура солнечного коллектора; 8 - хладоносителя системы кондиционирования воздуха помещения.
Способ осуществляется следующим образом.
Теплоту солнечного коллектора 1 посредством теплоносителя (антифриза) контура солнечного коллектора используют для нагрева рабочего тела в двигателе с внешним подводом теплоты 2; двигатель с внешним подводом теплоты вырабатывает механическую энергию, которая используется непосредственно для привода парокомпрессорной холодильной машины 3, вырабатывающей холод для системы кондиционирования воздуха помещения (в теплый период года). Отработанную теплоту от двигателя с внешним подводом теплоты с помощью теплосъемных труб, заполненных антифризом, отводят в термальную скважину 5 глубиной 15-25 м, имеющую высокую теплоаккумулирующую способность и относительно постоянную температуру, что будет обеспечивать максимальный КПД двигателя (на глубине 15-25 м температура грунта практически не зависит от колебаний температуры наружного воздуха). Теплоноситель, отдавший свое тепло в двигателе с внешним подводом тепла, возвращается на нагрев в солнечный коллектор.
2
Технические характеристики эффективности предлагаемого способа, в качестве примера, определены для солнечного коллектора площадью 100 м.
max
2
2
Максимальную удельную мощность солнечного коллектора при температуре наружного воздуха 20°С можно принять q=550 Вт/м. Технические характеристики модуля, площадью 100 м, используемого по предлагаемому способу: максимальная тепловая мощность солнечного коллектора - 55 кВт; среднесуточная тепловая мощность солнечного коллектора летняя (май - сентябрь) - 28,7 кВт. Тепловая мощность установки, работающей по предлагаемому способу, для системы кондиционирования воздуха в теплый период увеличивается в 1,2-2,1 раза.
2
2
Исходя из среднего потребления холода для кондиционирования офисных помещений 44 Вт/м [Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика. Уч. Пособие. / Ананьев В.А., Балуева Л.П., Гальперин А.Д., Городов А.К., Еремин М.Ю., Звягинцева С.М., Мурашко В.П., Седых И.В.: М.: «Евроклимат», издательство «Арина», 2000. - 416 с.], возможно кондиционирование помещений площадью 720-1370 м.
Предполагаемая область применения способа для кондиционирования воздуха на основе солнечного коллектора, двигателя с внешним подводом теплоты, парокомпрессорной холодильной машины и термальной скважины: для зданий с переменным тепловым режимом, т.е. с тепловым режимом, поддерживаемым не круглосуточно, а только в рабочее время (рыночные и торговые комплексы; санаторно-курортные комплексы; административные здания). В нерабочее время температура в помещениях такого назначения может поддерживаться на более высоком уровне от температуры, установленной нормативными документами (строительными нормами и правилами). При этом одновременно с увеличением теплопритоков в помещение в течение дня в связи с увеличением солнечной радиации, увеличивается мощность системы кондиционирования.
Вырабатываемая солнечным коллектором в холодный период года тепловая энергия может использоваться для нагрева воды в системе горячего водоснабжения.