Centrali elettriche che utilizzano fonti energetiche a bassa temperatura. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Gli scambiatori di calore geotermici in pozzi verticali sono stati ampiamente utilizzati negli ultimi 10-15 anni come fonte di calore a bassa temperatura per impianti di riscaldamento e fornitura di acqua calda mediante pompe di calore. Questa fonte di calore rispettosa dell'ambiente viene utilizzata abbastanza spesso, ad esempio, in Svizzera, dove sono attualmente in funzione circa quattromila impianti di questo tipo.

Il Centro regionale dell'Altai per l'energia non tradizionale e il risparmio energetico ha condotto una ricerca sull'influenza reciproca di uno scambiatore di calore a terra verticale e di una pompa di calore. Come base è stata presa l'unità automatizzata della pompa di calore ATNU-10 (fluido di lavoro - R22), sviluppata da AK "INSOLAR" nell'ambito del programma scientifico e tecnico statale della Russia "Environmentally Clean Energy" e prodotta da "ECOMASH" impresa (Saratov). Il sistema comprende anche uno scambiatore di calore a terra verticale in un pozzo con una profondità non superiore a 100 m (come hanno dimostrato studi idrogeologici, il 67% della popolazione del territorio dell'Altai vive nel territorio in cui la profondità della prima falda acquifera è inferiore di 30 m). Si presume che la temperatura del suolo di base sia di 280 K, che corrisponde alla stima della temperatura media a una profondità superiore a 5 m per le condizioni del territorio dell'Altai.

Il sistema di controllo automatizzato della pompa di calore tipo ATNU è progettato in modo tale da funzionare in condizioni ottimali con un valore costante del flusso termico determinato dal flusso termico dalla fonte di calore primaria, la temperatura di ingresso del circuito ad alta temperatura e la velocità di massa del portatore di calore del circuito ad alta temperatura. Se il carico termico richiesto diminuisce, la pompa di calore deve essere spenta fino al ripristino della temperatura impostata. Se la potenza dello scambiatore geotermico non è sufficiente a coprire le dispersioni termiche nel circuito ad alta temperatura, è necessario attivare un picco più vicino.

I risultati hanno mostrato che l’energia termica estratta dal terreno dipende linearmente dal logaritmo della lunghezza utile dello scambiatore di calore. In queste condizioni (velocità di filtrazione 10 m/giorno), per ottenere 5-6 kW di potenza termica dal terreno, la profondità richiesta dello scambiatore di calore sarà di 50-60 m Le caratteristiche costruttive dell'ATNU richiedono determinate condizioni per la flusso del liquido refrigerante nel circuito ad alta temperatura. La portata minima del refrigerante nel circuito di riscaldamento dovrebbe essere 0,3 kg/s (1 m3/h). Con volumi inferiori, nel sistema inizierà l'accumulo di calore e, come hanno dimostrato i test su un'installazione su scala reale, ciò porterà ad un aumento della temperatura e della pressione del refrigerante, a un deterioramento del funzionamento dell'evaporatore e ad una diminuzione nella rimozione del calore nello scambiatore di calore geotermico. E sebbene la temperatura del liquido di raffreddamento del circuito ad alta temperatura aumenti, l'efficienza dell'intero circuito, determinata dal coefficiente di riscaldamento, diminuisce.

In Europa si registra un grande interesse per l'uso del suolo come fonte di calore. Il design dell'evaporatore è proposto sotto forma di una serpentina di tubi con un diametro di circa 25 mm, posati a una profondità costante su un'area di diverse centinaia di metri quadrati. Per ridurre i costi di capitale, i tubi sono posizionati il ​​più vicino possibile alla superficie.

Lo studio del suolo come fonte di calore condotto in Europa ha dimostrato che il flusso di calore dal suolo all'evaporatore è di 20-25 W/m, il valore minimo per l'Europa è di 10 W/m, il massimo è di 50-60 W/m .

La profondità e la spaziatura ottimali dei tubi sono rispettivamente di 1,5 e 2 m In alcuni casi, a causa dell'influenza reciproca, il limite di 2 m viene esteso. I tubi possono essere posizionati a una profondità minore, ma le prestazioni della pompa di calore possono essere ridotte del 5% per ogni grado di abbassamento della temperatura dell'evaporatore.

Oltre all'opzione di evaporazione diretta del refrigerante, è possibile utilizzare un vettore di calore intermedio - la salamoia che circola attraverso i tubi nel terreno e cede calore al refrigerante in uno speciale scambiatore di calore. La temperatura media della salamoia in inverno è di -3°C.

Se il contenuto d'acqua del terreno è elevato, le prestazioni aumentano grazie all'aumento della conducibilità termica e al buon contatto con i tubi. Una grande concentrazione di ghiaia nel terreno provoca un deterioramento delle prestazioni.

In Danimarca è stata presa in considerazione la possibilità di utilizzare tubi non orizzontali, ma verticali, che possono essere utilizzati non solo per riscaldare, ma anche per raffreddare l'edificio in estate, quando si utilizza una pompa di calore reversibile.

È stato scoperto anche un dettaglio interessante. La temperatura minima del suolo è sempre superiore alla temperatura dell'aria e viene raggiunta due mesi dopo, quando la potenza termica richiesta diminuisce.

I tubi verticali occupano meno spazio e consentono un certo utilizzo del calore immagazzinato durante i mesi estivi, il che conferisce loro un vantaggio economico. Gli studi sui tubi a U verticali hanno mostrato la possibilità di un significativo recupero di calore. Un evaporatore orizzontale da un'area di 150-200 m consente di ottenere 12 kW di calore. Tubi ad U posti in pozzi del diametro di 127 mm e profondi 8 m hanno permesso di ottenere 12 kW da due soli pozzi. Si può vedere da ciò che i tubi a forma di U riducono la superficie del suolo richiesta di 10-20 volte rispetto a quelli orizzontali.

Nonostante il prezzo relativamente basso delle pompe di calore domestiche rispetto a quelle straniere, data l'attuale debole situazione finanziaria delle imprese, l'introduzione delle pompe di calore incontra alcune difficoltà. Non ultimo ruolo è giocato dalla grande novità e dalla scarsa familiarità di questa tecnologia per i nostri consumatori. All'estero questi problemi sono stati superati garantendo vantaggi per diversi anni alle imprese che introducono unità a pompa di calore. Nella maggior parte dei paesi dell’Europa occidentale è stata istituita un’imposta più bassa sui profitti ottenuti dall’uso delle pompe di calore e in alcuni paesi sono stati concessi sussidi finanziari diretti. Così, in Austria, sono stati istituiti sussidi finanziari fino a 100mila scellini per le aziende che utilizzano pompe di calore, e in Germania, all'inizio degli anni '90, a tali aziende è stato concesso uno sconto fiscale fino al 7,5% dei costi di capitale (soggetto a la loro capitalizzazione), che equivale ad un sussidio finanziario fino al 20% dei costi degli impianti di pompe di calore. Di conseguenza, in Austria sono attualmente in funzione 105mila pompe di carburante, che consentono un risparmio annuo di 116mila tonnellate di olio combustibile.

Oltre all'uso del calore del suolo, la più interessante per l'uso nelle applicazioni domestiche con pompe di calore è la fonte di calore "gratuita" per creare condizioni confortevoli all'interno della casa: l'aria. È pubblicamente disponibile e ha attirato la massima attenzione nella produzione di massa. Dove l'acqua è disponibile, ha diversi vantaggi rispetto all'aria. L'uso del calore residuo o dei collettori solari viene attivamente esplorato, per il quale vi è interesse sia in Europa che in America.

Le pompe di calore più utilizzate con l'aria come fonte di calore fin dall'inizio del loro utilizzo in casa. Fondamentalmente, l'aria è anche un dissipatore di calore. Come fonte di calore, l'aria presenta una serie di svantaggi, pertanto è necessaria un'attenta ottimizzazione del design a seconda del luogo di installazione, dove la temperatura dell'aria può variare in modo significativo.

Le prestazioni della pompa di calore, e in particolare il COP, diminuiscono all'aumentare della differenza di temperatura tra l'evaporatore e il condensatore. Ciò ha un effetto particolarmente sfavorevole sulle pompe di calore ad aria. Al diminuire della temperatura ambiente, la quantità di calore richiesta per il riscaldamento aumenta, ma la capacità della pompa di calore di mantenere anche una potenza termica costante si riduce notevolmente. Per ovviare a questo inconveniente, viene spesso applicato un riscaldamento aggiuntivo.

Per le condizioni dell'Inghilterra e della maggior parte dei paesi europei, il costo di una pompa di calore con qualsiasi fonte di calore è notevolmente superiore a quello di una caldaia centrale convenzionale. Maggiore è la quota della pompa di calore nel carico termico domestico, maggiore è la differenza di investimento, quindi le pompe di calore vengono solitamente calcolate solo per una parte del carico termico annuale e il resto è fornito da un riscaldatore aggiuntivo, il più delle volte elettrico (negli USA) e combustibili fossili (in Europa). La scelta tra loro è determinata dal rapporto tra capitale e costi operativi. Se una pompa di calore provvede anche alla climatizzazione estiva, le sue dimensioni e la sua potenza possono essere dettate da questa particolare applicazione.

È necessario un ulteriore riscaldamento quando la temperatura ambiente scende sotto lo zero e la perdita di calore dell'edificio supera la potenza termica della pompa. Per aumentare l'efficienza economica dell'impianto, l'inserimento di un riscaldatore aggiuntivo, in questo caso elettrico, è consigliato solo quando la pompa di calore non è in grado di coprire il pieno carico.

Tutte le fonti di calore per le pompe di calore sono in un modo o nell'altro esposte all'influenza dell'energia solare, ma possono anche essere utilizzate direttamente utilizzando collettori solari con circolazione del refrigerante, riscaldando l'aria che entra nell'evaporatore utilizzando concentratori solari. Anche se i concentratori solari sembrano essere più adatti per le pompe di calore ad assorbimento. Sono ancora poco utilizzati in ambito domestico, ma sono oggetto di un notevole lavoro di ricerca. Per preriscaldare il generatore nel ciclo ad assorbimento sono necessarie temperature più elevate di quelle raggiungibili dai tradizionali collettori piani. Tuttavia, l'utilizzo di un ciclo ad assorbimento per il condizionamento consente il riscaldamento da collettori piani, poiché qui la temperatura deve essere più bassa e quindi il raffrescamento dell'aria viene effettuato in estate, proprio quando l'irraggiamento solare è intenso e la temperatura dei collettori aumenta.

Insieme ad altre fonti di calore per pompe di calore, trovano largo impiego i collettori piani posti sui tetti. In generale, i collettori solari sono intensamente studiati per l'utilizzo non solo con pompe di calore, ma anche autonomamente, nonché in circuiti con accumulatori di calore. Questi ultimi sono interessanti anche per le pompe di calore come fonte di calore nelle giornate nuvolose o di notte.

Fornendo calore all'evaporatore a una temperatura superiore a quella dell'aria ambiente, del suolo o dell'acqua, i collettori solari aumentano il COP della pompa di calore.

Di solito il refrigerante intermedio - l'acqua trasferisce il calore dal collettore all'evaporatore. Ma potrebbe esserci una combinazione completa del collettore con l'evaporatore, dove il refrigerante evapora direttamente all'interno dei tubi del collettore solare.

Spesso il calore del collettore solare viene immesso in un accumulo di calore liquido in cui sono immersi i tubi dell'evaporatore. L'accumulo di calore svolge un ruolo essenziale in qualsiasi sistema a pompa di calore solare. In una casa Phillips, ad esempio, un collettore solare (20m2) raccoglie 36-44 GJ di calore all'anno (con un'efficienza media del 50%) immagazzinato in un serbatoio di 40m3 a temperature fino a 95°C.

È stato proposto uno schema di casa a minimo consumo energetico utilizzando tre pompe di calore: una per trasferire il calore all'aumentare della temperatura dal collettore solare alla batteria, la seconda dalla batteria all'impianto di riscaldamento e la terza dalla batteria all'impianto di acqua calda.

Vengono considerati anche i collettori solari in abbinamento a quelli a terra. È stato stabilito che le dimensioni del collettore solare devono essere superiori a 3 m2 per 1 kW di perdita di calore dell'abitazione. Con un collettore solare di superficie 30 m3 con un evaporatore a terra che occupa solo 100 m si ottiene COP = 3,4. Se si utilizza solo un evaporatore a terreno, è necessaria una superficie di 300 m2,7 e da ciò risulta un COP = XNUMX.

Tuttavia, è possibile che, nonostante l'aumento del COP, il risparmio di carburante non giustifichi il costo dell'installazione, in particolare il collettore solare. Altri lavori in quest'area dimostrano che con una potenza termica di HPI di 6 kW è necessaria una superficie di 20 mq.

Inoltre, la termovalorizzazione può utilizzare gli scarichi termici dell'abitazione stessa, ad esempio i gas di scarico dei fornelli delle cucine o della cucina in genere, le acque reflue. In Olanda, TN è stato applicato a un asciugapiatti domestico. Il calore dell'aria umida espulsa viene utilizzato per riscaldare l'aria secca fornita all'essiccatore. L'aria calda e umida proveniente dall'essiccatore passa nell'evaporatore HP e viene raffreddata. Una volta raffreddato, l'umidità ne fuoriesce e l'aria diventa adatta al ricircolo. L'evaporatore utilizza sia il calore sensibile che quello latente dell'aria in uscita. L'aria di ricircolo passa attraverso il condensatore e viene riscaldata dal calore di condensazione. Il risparmio energetico raggiunge circa il 48%. Di seguito alcune caratteristiche degli idropulitrici largamente utilizzate all'estero.

Tavolo 2.1.2. Caratteristiche dell'unità Carrier HP (USA) - una semplice pompa di calore aria-aria reversibile.

Le caratteristiche di Lennox HP sono combinate con un sistema di riscaldamento a fuoco, che elimina il sistema di riscaldamento aggiuntivo. Tavolo 2.1.3.

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