Автор В.Ф. Гершкович, канд. техн. наук, Центр энергосбережения КиевЗНИИЭП

6. «Загадочные» температурные кривые

Внимательный читатель уже обратил внимание на загадочный характер экспериментальных температурных кривых рис. 4 (см.№ 10), зафиксировавших повышение температуры этиленгликоля ночью. Действительно, от основного источника тепла — сточно-гликолевого теплообменника среди ночи толку мало, он холоден, и протекающее через него ничтожно малое количество стоков с температурой 7°С не может нагреть этиленгликоль в течение ночи до 20 °С. Грунт, который перед этим интенсивно охлаждался, тоже не может подогреть жидкость до столь высокой температуры.

Возможно, некоторое количество тепла передается этиленгликолю в процессе конденсации водяных паров из влажного воздуха, которым, в основном, заполнено в это время пространство внутренней трубы сточногликолевого теплообменника. И это вполне вероятно, потому что параметры влажного воздуха в этом случае определяются сточной жидкостью вентилируемых через теплообменник наружных канализационных сетей, где температуры стоков могут быть более высокими, чем в исследуемом доме. В пользу этой версии свидетельствуют температурные кривые, характеризующие процесс в 13-15 часов. В это время сточная жидкость холоднее этиленгликоля, но несмотря на это, его температура в процессе прохождения через теплообменник заметно повышается.

Но, все же, ночью температура этиленгликоля повышается, главным образом, вследствие теплообмена на поверхности неизолированных трубопроводов. Этиленгликоля в системе немного, всего около 100 л. Чтобы его нагреть на пятнадцать градусов, нужно всего 1400 ккал, или примерно 280 ккал/ч. Примерно столько холода теряют неизолированные трубопроводы, транспортирующие этиленгликоль через относительно теплые помещения подвала от теплового насоса к теплообменникам.

7. Тепловой поток от канализационных стоков

Для вычисления величин теплового потока в сточногликолевом теплообменнике и коэффициента теплопередачи использована информация о температурах этиленгликоля (на рис. 2…4 , см. № 10) о его расходе, который в течение всего времени опытной эксплуатации был неизменным и составлял 1,2 т/ч.

В табл. 1 представлены результаты этих вычислений. При этом учитывалось, что величина удельной теплоемкости водного раствора этиленгликоля с концентрацией 20% составляет 3,87 кДж/(кг . К), а расход стоков вычислялся, исходя из теплового баланса жидкостей, участвующих в теплообмене.

Величина теплового потока колеблется в диапазоне 4,26-9,29 кВт. Удельная тепловая мощность сточногликолевого теплообменника, отнесенная к одному погонному метру его длины находится в интервале 0,53…1,16 кВт/м. Наибольшие значения величин теплового потока отмечены, как и можно было предположить, при самых низких температурах этиленгликоля и самых высоких температурах сточной жидкости. Величина коэффициента теплопередачи в сточно-гликолевом теплообменнике колеблется в диапазоне 125-211 Вт/(м 2 . К).

8. Тепловой поток от грунта

Тепловой поток от грунтового теплообменника вычислялся при постоянном значении расхода этиленгликоля, равном 3,5 т/ч, и измеренных его температурах на входе в теплообменник и на выходе из него. В табл. 2 представлены результаты этих вычислений. Величина теплового потока от грунтового теплообменника колеблется в диапазоне 4,59-9,43 кВт.

Удельная тепловая мощность грунтового теплообменника, отнесенная к одному погонному метру скважин, находится в интервале 24…52 Вт/м. Для практических целей может представлять интерес удельный тепловой поток от грунтового теплообменника, составленного из скважин глубиною 3 м, отнесенный к площади подвала здания, в котором эти скважины пробурены. Эти величины находятся в диапазоне значений 39…86 Вт/м 2 . Наибольшие значения величин теплового потока отмечены при самых низких температурах этиленгликоля.

9. Коэффициент преобразования

Коэффициент преобразования теплового насоса представляет собой отношение его тепловой мощности Q T к мощности электрической N :

ç = Q T / N . (1)

Тепловая мощность теплового насоса складывается из его холодильной мощности Q X и мощности электрической:

Q T = Q X + N . (2)

Холодильная мощность теплового насоса, установленного на испытательном стенде общежития аспирантов вычисляется по формуле:

Q X = Q TO + Q ГР + Q ПОТ , (3) где Q TO и Q ГР — измеренные тепловые потоки в сточно-гликолевом и грунтовом теплообменниках;

Q ПОТ — вычисленные потери холода в трубопроводах, транспортирующих этиленгликоль от теплового

насоса к сточно-гликолевому и грунтовому теплообменникам.

Сводная информация о тепловых потоках и о коэффициентах преобразования теплового насоса в характерных режимах работы экспериментальной установки приведена в табл. 3 .

Данные, приведенные в таблице, дают лишь относительное представление об эффективности тепловых процессов, поскольку фактические величины потребляемой мощности при проведении исследования не измерялись, и величины N , кВт, приведенные в таблице, вычислялись по паспортным характеристикам теплового насоса в зависимости от температур кипения и конденсации холодильного агента.

Значения коэффициента преобразования находятся в диапазоне величин 2,75 < ç < 3,61, что отвечает известным представлениям об эффективности тепловых насосов, реализованных на других объектах.

Наиболее высокие значения коэффициента преобразования получены 17 ноября, в день, когда тепловой насос работал практически непрерывно в течение 20 ч, и режимы теплообмена были близки к стационарным. В этих режимах ошибки измерений, связанные с нестационарностью теплообмена в условиях замеров с 10-минутным интервалом, минимальны. Поэтому средневзвешенная величина коэффициента преобразования теплового насоса близка к 3,5.

10. Основные результаты исследования

1. Технические решения обеспечения теплом системы горячего водоснабжения жилого дома от теплового насоса, использующего низкопотенциальную энергию канализационных стоков этого дома и

грунта, расположенного под ним, в том виде, как они реализованы в общежитии аспирантов КиевЗНИИЭП, продемонстрировали работоспособность экспериментальной установки и ее эффективность*.

2. Температура сточной жидкости, которую обычно сливают в канализацию, достигает среди зимы 31 °С, и ее тепловой потенциал можно использовать. Сточно-гликолевые теплообменники, общая длина которых в экспериментальной системе была ограничена 8 м, используя этот потенциал далеко не в полной мере, обеспечили около половины тепловой мощности теплового насоса.

3. Величина удельного теплового потока от поверхности сточно-гликолевого теплообменника, выполненного из стальной нержавеющей трубы диаметром 100 мм, отнесенная к одному метру его длины, находится в интервале значений 0,53…1,16 кВт/м, а коэффициент теплопередачи в процессе исследований колебался в диапазоне 125-211 Вт/(м 2 . К).

4. Удельная тепловая мощность расположенного в подвале дома грунтового теплообменника, отнесенная к одному погонному метру трехметровых скважин с U-образными полиэтиленовыми

трубками диаметром 16 х 2 мм, находится в интервале 24…52 Вт/м. Величина удельного теплового потока из грунта, отнесенная к площади той части подвала здания, в которой пробурены скважины, находится в диапазоне значений 39…86 Вт/м 2 .

5. Тепловой насос работал со средней величиной коэффициента преобразования 3,5.

6. Совместная работа [2] сточно-гликолевого и грунтового теплообменников в едином гликолевом

контуре циркуляции, работающем безостановочно, предотвращает переохлаждение грунта, который при неработающем компрессоре теплового насоса прогревается теплотою стоков, способствуя более эффективной выработке тепловой энергии.

7. При работе теплового насоса в течение 20 ч в сутки температура этиленгликоля понижается до минимального значения минус 1 °С. Среднее значение температуры охлажденного этиленгликоля

+5…8 °С.

8. Время выхода установки на стационарный температурный режим — от 2,5 до 4 ч от начала работы

теплового насоса.

9. Максимальная температура воды, подогретой в конденсаторе теплового насоса 57 °С. Среднее значение 51 °С.

10. Изменения температуры наружного воздуха в период проведения исследований в интервале значений от +28 до -15 °С не оказали заметного влияния на величину теплового потока от грунта, расположенного под пятном здания.

11. Для обеспечения полностью автономного и независимого от тепловой сети горячего водоснабжения общежития аспирантов Киев-ЗНИИЭП необходимо дополнительно установить тепловой насос тепловой мощностью 20 кВт и увеличить протяженность сточно-гликолевых теплообменников до 26 м.

12. Научная информация, полученная в результате исследования экспериментальной установки, достаточна для того, чтобы на ее основе проектировать и строить здания с тепловыми насосами, эффективно использующими энергию канализационных стоков и грунта.

Литература

1. От простого погодного регулятора до нулевого теплопотребления. Этапы модернизации теплоснабжения жилого дома // Энергосбережение в зданияx. — 2006. — № 2 (№ 29).

2. Неожиданный подарок от экспериментальной теплонасосной системы // Энергосбережение в зданиях. — 2006. — № 4 (№ 31).