Ледяные накопители тепла: широкое применение

Тепловой насос с ледовым аккумулятором как альтернатива традиционным грунтовым зондам и грунтовым коллекторам имеет широкие перспективы использования для отопления и охлаждения в жилищном и гражданском строительстве

Источники тепла для тепловых насосов

Принцип действия тепловых насосов уже общеизвестный. Если коротко: тепловые насосы (ТН) используют энергию окружающей среды с низкой температурой и через процесс обратного холодильного цикла переводят ее на тепло с более высоким уровнем температуры, достаточной для работы системы отопления или для нагрева горячей воды.

Почву и грунтовые воды является классическим надежным источником первичной энергии для теплового насоса. Температура из этих источников относительно стабильна в течение года, обеспечивает постоянную высокую эффективность работы ТН. Для использования энергии земли обустраивают грунтовые коллекторы или грунтовые зонды; для использования энергии из воды необходимые водяные скважины. Для установки тепловых насосов «почва-вода» или «грунтовые воды-вода» необходимо выполнить значительный объем земляных работ, требует больших затрат в зависимости от местных условий. Такие подземные работы, что наиболее важно, подлежат согласованию с местными надзорными органами, а иногда это просто невозможно (городская застройка с подземной инфраструктурой или особые геологические обстоятельства).

Наружный воздух в качестве источника тепла является наиболее доступным. В системах отопления и охлаждения с тепловыми насосами «воздух - вода» или «воздух-воздух» нет необходимости в земляных работах, также они просты в монтаже. Но они менее эффективны по сравнению с тепловыми насосами «почва-вода» или «вода-вода», поскольку мощность и эффективность работы ТН "воздух-вода» значительно уменьшается при снижении температуры наружного воздуха. Такие системы обычно требуют использования дополнительного источника тепловой энергии (газовый или электрический котел), которое будет включаться в работу при критически низких температурах наружного воздуха и, соответственно, при максимальной потребности в тепловой энергии.

Альтернативные схемы тепловых насосов

Поскольку тепловые насосы используются для отопления домов, производители и научно-исследовательские институты всегда ищут новые способы оптимизации источников энергии, снижение инвестиционных затрат и повышения эффективности систем на основе тепловых насосив.Це включая и попытки использования солнечной энергии непосредственно в тепловых насосах. Это собственно не новая идея. Незастекленные солнечные коллекторы как источник первичного тепла использовались для тепловых насосов «рассол-вода» еще с 1970-х годов.

Однако эти решения не были очень эффективными, поскольку поступления солнечной энергии в течение отопительного периода является очень низким.

Эффективным вариантом выглядит комбинация с использованием обоих видов энергии - солнца и земли. Для этого на рынке существуют различные решения, но они делают невозможным контролируемое хранение и накопление солнечного тепла. Варианты с аккумулированием солнечного тепла в течение солнечных летних месяцев в грунтовых зондах практически не используются, поскольку они очень зависят от геологических условий. Как только грунтовые зонды пересекают подземные водные слои, то тепло из них теряется через поток подземных вод.

Альтернативой грунтовым зондам, грунтовым коллекторам или бурению скважин являются массивные поглотители и так называемые энергетические ограждения.

Массивные поглотители - это бетонные сегменты, в которых циркуляционные трубопроводы расположены в виде регистров. Бетонные сегменты должны иметь определенную тепловую емкость за счет своей массы. Энергетические ограждения - это простые регистры труб без теплоизоляционной обшивки. Оба типа теплообменников монтируются таким образом, чтобы примерно треть их поверхности находилась под землей и примерно две трети располагались над земной поверхностью. Наземная часть работает как поглотитель тепла от окружающего воздуха и солнечной радиации, подземная часть поглощает геотермальную энергию. Для эффективной работы системы в холодные зимние дни без значительного поступления солнечной энергии, достаточно большая часть поверхности теплообменника должна обладать способностью поглощать тепло из почвы. Однако это невозможно из-за ограниченной поверхность теплообменника, углубленную в грунт.

Другое решение - «энергетические корзины» - считаются альтернативой земляным коллекторам, потому что они нуждаются для размещения значительно меньшей площади земли. Они обычно цилиндрической формы и устанавливаются на глубине до четырех метров. Однако мощность таких теплообменников редко существенно отличается от мощности обычных грунтовых коллекторов.

Ледяные накопители тепла

Новый подход к организации поглотителей и аккумуляторов тепла из окружающей среды - так называемые ледяные аккумуляторы. Именно практической реализации такой концепции предлагает Viessmann. Ледяные аккумуляторы здесь выступают как альтернативный источник тепла для тепловых насосов типа «рассол-вода».

Система состоит из водяного резервуара и абсорберов типа «воздух-солнце». Такая система позволяет использовать одновременно все три источника энергии природной среды - тепло окружающего воздуха, солнечную энергию и энергию земли. В летний период такая система работает также и как источник холода.

Система с ледяным аккумулятором работает по простому принципу: энергия, полученная от солнца, воздуха и почвы, передается с низкой температурой воде содержится в подземной бетонной емкости - аккумуляторе льда. Вода как основной теплоноситель делает такую ​​систему абсолютно экологической и безопасной для окружающей среды, поэтому может использоваться везде, без каких-либо ограничений. Тепловой насос обеспечивает здание теплом. Тепловая энергия, необходимая для его работы, получается или от воды в резервуаре, или непосредственно из специальных солнечных абсорберов, расположенных на открытом воздухе.

Основой в работе такой системы является использование «скрытого» тепла фазового перехода воды при замерзании. Энергия кристаллизации воды выделяется при переходе воды с температурой 0 ° C в твердое состояние (лед) также с температурой 0 ° C. Для работы используется физический эффект, при замерзании воды выделяется столько же тепловой энергии, сколько ее нужно для нагрева такого же количества воды от 0 ° C до + 80 ° C. На рис. 1 изображен диаграмму фазовых переходов для воды. Из нее видно, что на фазовый переход «лед-вода» тратится почти столько же энергии, как и на нагрев воды до закипания.

Рис. 1. Диаграмма затрат энергии на фазовые переходы для воды

С другой стороны, такая система может использоваться и летом - для охлаждения здания ( «естественное охлаждение»). Для этого воду в резервуаре специально максимально замораживают в конце отопительного сезона. Полученный лед является естественным бесплатным источником для охлаждения. По сравнению с обычными концепциями охлаждения расходы на обеспечение энергии охлаждения дома могут быть уменьшены на 99%. Благодаря управлению процессом замерзания и оттаивания процесс замораживания можно повторять несколько раз в течение одного отопительного периода, что позволяет использовать скрытую энергию кристаллизации / оттаивания бесконечно долго.

Привлекательность решения по льодоакумулятором обосновывается несколькими факторами:

отсутствием жестких требований для установления водного резервуара и абсорберов типа «воздух-солнце». Нет нужды в сложных бурильных и подземных работах и ​​согласовании такой системы с надзорными органами;
высокой энергоэффективностью в среднегодовом расчете за счет использования энергии из трех природных источников тепла: солнца, воздуха, земли,
экологичностью и энергоэффективностью системы отопления и охлаждения.
В отличие от систем «вода-вода», использующие первичный теплообменник, расположенный в природном водохранилище (река или пруд), в закрытых теплообменных емкостях льодоакумулятора используется очищенная питьевая вода, в которой не происходит размножение водорослей и обрастания ними теплообменных трубопроводов.

Абсорберы типа «воздух-солнце» можно использовать даже летом - в это время можно задействовать низкие ночные температуры окружающего воздуха для охлаждения воды в льодоакумулятори или для охлаждения самого дома. Таким образом, период «естественного охлаждения» может быть значительно продлен. Льодоакумулятор можно использовать и в схемах с «активным» охлаждением от тепловых насосов. Итак, с помощью льдоаккумулятори можно создать технически единую систему и для отопления, и для охлаждения.

Техническая реализация системы отопления с льдоаккумуляторамы

Компоненты системы с ледовым аккумулятором показаны на рис. 2, рис. 3, она состоит из следующих основных компонентов:

резервуара для хранения льда;
теплообменника первичного контура теплового насоса;
теплообменника регенерации;
абсорбера (поглотителя энергии) «воздух-солнце»;
теплового насоса «рассол-вода»;
автоматикой управления источником тепла.
Стандартная система мощностью до 20 кВт состоит из одного или двух бетонных цилиндров (диаметр-2,5 м, высота-3,56 м), объемом по 10 м³ каждый. Они полностью монтируются ниже уровня земли и заполняются водой.

Рис. 2. Пример реализации установки ТН и льдоаккумуляторамы

Рис. 3. Схема тепловых потоков установки с льдоаккумулятором 120 м3

В резервуаре установлены теплообменники из пластиковых труб, которые укладываются в спирали на разных уровнях. Спирали из труб подключены к первичному контуру теплового насоса и предназначены для отбора тепла воды во время работы ТН. Внешне резервуара расположен регенерационный теплообменник из абсорбера «воздух-солнце», благодаря чему тепло окружающего воздуха и солнца также передается воде (рис. 4).

Рис. 4. Поглощение энергии от воздуха и солнца регенерационные теплообменником и резервуаром с водой от земли

Конструкция резервуара для льда

Резервуар для воды, которая будет находиться в состоянии фазового перехода ото льда к жидкости и наоборот, может быть как круглой, так и прямоугольной формы (в зависимости от местных условий для ее установки). Минимальная высота емкости обычно должна быть 2 м, а максимальная может достигать 6 м.

Чтобы избежать эффекта повреждения емкости при расширении льда, инженеры Viessmann изменили направление замерзания льда на противоположный благодаря специальному расположению системы теплообменника в резервуаре (рис. 5): вода замерзает снизу вверх и изнутри наружу. Таким образом, вода, еще не замерзла, выжимается в свободный объем, и после замерзания воды собственно резервуар не разрушается.

Рис. 5. Расположение труб теплообменника в резервуаре

Абсорбер «воздух-солнце»

Абсорбер (поглотитель энергии) типа «воздух-солнце» представляет собой открытый незастекленный коллектор для монтажа на плоской крыше. Им поглощается тепло от окружающего воздуха и солнечного света, служит как для регенерации льда в хранилище, так и как прямой источник тепла для теплового насоса. Абсорберы также могут быть установлены на наклонной крыше или на фасаде дома. Возможно также установить абсорберы в виде энергетической ограждения.

Основным преимуществом абсорберов «воздух-солнце» является то, что они используют тепло окружающего воздуха, которое доступно и днем, и ночью. Такие абсорберы особенно подходят для системы хранения льда том, что они обеспечивают энергию для системы даже при отсутствии солнечного света. Солнечное излучение является дополнительным источником тепла, еще увеличивает эффективность системы. Абсорберы «воздух-солнце» непрерывно используют свободное тепло окружающей среды: ночью- из окружающего воздуха, а в течение дня- также и от солнечных лучей.

Рекуперативные поглотители энергии «воздух-солнце» специально разработаны именно для совместной работы с льодоакумуляторамы. Трубы абсорберов изготовлены из специального пластика, устойчивого к воздействию ультрафиолета. Абсорберы в форме подковы имеют специальную незмочувану матовую поверхность (на которой не задерживается атмосферная вода, что может препятствовать эффективному теплоотвода или поглощению тепла) и выполнены таким образом, чтобы иметь наименьший гидравлическое сопротивление и поддерживать поток теплоносителя даже в условиях малейшего перепада давления.

Как это работает?

Центральным элементом установки является резервуар для хранения льда. Он служит главным (первичным) накопителем тепловой энергии. При запуске системы сначала резервуар заполняется питьевой водой. ТН насос «забирает» энергию из воды, чем охлаждает ее. При этом, при охлаждении 1 кг воды на 1 К выделяется 1,163 Вт • ч энергии. Во время работы теплового насоса тепловая энергия забирается из резервуара, а вода в нем охлаждается до температуры 0 ° С. Постепенно трубы теплообменника начинают обмерзать. Этот процесс является намеренным и желанным, так как именно в процессе замерзания воды появляется ожидаемый выигрыш в энергии через скрытое тепло фазового переходу- 93 Вт • ч энергии с 1 кг воды. Образование льда начинается на трубах теплообменника. Слой льда на пластиковой трубе теплообменника выступает дополнительным термическим сопротивлением для теплопередачи от воды в резервуаре до рассола внутри теплообменника. Но при этом слой льда и увеличивает общую площадь теплопередачи. Оба процесса происходят управляемо и примерно пропорционально, а собственно тепловой поток остается практически неизменным.

В это время от абсорбера «солнце-воздух» в резервуар поступает определенное количество энергии из окружающей среды, снова растапливает лед или нагревает воду.

В дополнение к теплу от солнечно-воздушного поглотителя, хранилище льда получает также геотермальную энергию. Как только температура воды в хранилище льда падает ниже уровня температуры почвы, окружающей резервуар, система хранения льда начинает получать тепло от земли. Если резервуар даже полностью оледенел, то к нему все же продолжает поступать земное тепло, возвращая систему в рабочее состояние. Правда, количество такого тепла зависит от состояния и состава почвы. Летом, с другой стороны, избыточное тепло также выделяется через стенки резервуара в окружающий грунт. Таким образом действует саморегуляция, что предотвращает перегрев объема льодоакумулятора.

Использование холода в льодоакумулятори летом - очень эффективный способ сохранения энергии для кондиционирования помещений естественным путем. Для этого в конце отопительного сезона все резервуар подземного накопителя намеренно переохлаждается и весь объем воды в нем превращается в лед, чтобы использовать его как источник холода. К тому же в дополнение к естественному образу (если требуется охлаждение с большей интенсивностью) вся система ТН может быть переключена в режим активного охлаждения «active cooling». Постепенно (до начала следующего отопительного сезона) тепло, было отобрано из помещений при активном охлаждении, становится при случае для обогрева в новом отопительном цикле.

Рис. 6. Абсорберы «воздух-солнце»:
а) на плоской крыше; б) на фасаде дома

Широкое применение

Система хранения льда подходит для всех типов зданий с высокими потребностями тепла и / или для охлаждения. Нагрева или охлаждения можно осуществлять периодически или непрерывно. Использование ТН и высокий общий среднегодовой показатель эффективности системы позволяет на 1 кВт затраченной электроэнергии получить до 6-7 кВт полезной энергии тепла и холода.

Для эффективной работы теплового насоса с льодоакумулятором требует очень тщательного расчета всех тепловых потоков и расчетов энергобаланса как в целом, так и отдельно каждого из энергопотоков. Это требует профессионального проектирования системы отопления и охлаждения в целом. Хранение льда и поддержания его в состоянии фазового перехода максимально раскрывает свой потенциал только тогда, когда учитываются все индивидуальные особенности проекта, а все элементы оптимизированы друг к другу.

Благодаря тому, что уже существуют типовые гидравлические схемы и варианты практической реализации, существует очень широкий спектр использования ТН с ледовыми аккумуляторами не только в индивидуальном жилищном строительстве. Кроме коттеджей, ТН с льодоакумуляторамы могут использоваться для отопления / охлаждения:

производственных цехов;
офисных зданий;
торговых помещений и гипермаркетов;
систем хранения пищевых продуктов на складах и в холодильных камерах торговых заведений;
гостиниц и санаториев;
бассейнов и других спортивных сооружений;
школ / детских учреждений, социальных учреждений;
других зданий различного назначения.

Особенности теплового насоса «рассол-вода»

Конечно, тепловой насос для работы с льодоакумулятором имеет свои определенные особенности. В таких системах используются тепловые насосы типа «рассол-вода» с автоматикой управления, которая управляет не только работой системы отопления, самого теплового насоса, но и контролирует все процессы в льодоакумулятори: температурные уровне в резервуаре, регенерацию аккумулятора, оптимизацию цикличности работы теплового насоса для максимально-эффективного использования тепла фазового перехода воды и тому подобное.

Холодильный контур теплового насоса имеет буди оптимизированным для работы с теплоносителем в первичном контуре (рассол) от + 25 ° C до минус 10 ° C, и быть оптимизированным для системы хранения льда, при том, что основной режим работы ТН с льодоакумулятором происходит при температуре фазового перехода воды, то есть 0 ° C.

Тепловой насос типа «рассол-вода» Viessmann серии Vitocal 300-G или 350-G (рис. 7) с регулятором Vitotronic 200 WO1Cпрацюе как первичный контур ТН с грунтовыми коллекторами, грунтовыми зондами, водяными скважинами и льодоакумуляторамы. Он имеет высокую эффективность работы (COP- до 5,0 при B0 / W35 ° C, в соответствии с EN 14511), что гарантирует низкие эксплуатационные расходы во время работы системы.

Тепловой насос оснащен електроннимтерморегулюючим вентилем EEV и системой диагностики работы холодильного контура RCD-System, гарантирует его высокую энергоэффективность в работе с любым источником первичной энергии - почва, воздух, вода и т. д.

Рис. 7. Схема внутреннего расположения компонентов ТН «рассол-вода» Vitocal 350-G

Электронный терморегулирующий вентиль EEV имеет диапазон работы от 10 до 100% и обеспечивает точную подачу хладагента на компрессор с минимальным перегревом. Благодаря этому тепловой насос имеет высокий КПД в каждой рабочей точке и максимальную эффективность работы при любых температурных режимах.

Система диагностики работы холодильного контура RCD-System значительно облегчает эксплуатацию теплового насоса, позволяет контролировать параметры хладагента в основных рабочих точках холодильного цикла, сохраняет все необходимые данные о работе теплового насоса. Благодаря этой системе регулятор рассчитывает и энергобалансы - потребление электроэнергии и произведенную тепловую энергию для различных режимов работы. Это особенно важно при работе с льодоакумуляторамы и позволяет анализировать работу в целом всей системы на базе теплового насоса, оптимизировать ее для уменьшения эксплуатационных расходов. Надо обратить внимание, что единая система для отопления / охлаждения с льодоакумуляторамы - это система, в которой для работы не используются вентиляторы или другие со временем механически изнашиваемые компоненты, подобно систем с ТН типа «воздух-вода» или «воздух-воздух», в процессе эксплуатации которых возможно увеличение шума.

Все преимущества, которые предоставляет система «отопление льдом» по сравнению с классическими системами отопления / охлаждения на базе тепловых насосов, гарантирует им вскоре широчайшее использование в различных секторах жилищного и гражданского строительства.