Теплові насоси

       Ці  дослідження не претендують на повноту, тому що теплова потужність установленого  теплового насоса була недостатньої для того, щоб він міг повністю забезпечувати всі потреби будинку  в гарячій воді в зимовий період, коли температура водопровідної води була близька до нуля градусів. Узимку разом з тепловим насосом працював паралельно включений теплообмінник, у якому вода підігрівалася теплоносієм з теплової мережі, і тепловий насос автоматично включався лише в годинники підвищеного водоразбора.

       Проте, отримані в результаті досліджень дані, особливо, що ставляться до роботи сточно-гликолевого  теплообмінника, можуть бути цікаві фахівцям, оскільки самі теплообмінники такого роду в літературі не описані, і вуж зовсім було неведомо, на що вони здатні.

       У роботі описані призначення й особливості установки гарячого водопостачання гуртожитку аспірантів КиївЗНІІЕП, де було проведене дослідження роботи теплового насоса, що працює на низькій-потенційній енергії ґрунту й каналізаційних стоків. На рис.3 представлена схема фрагменту теплового пункту цього будинку, що використався як іспитовий стенд для дослідження теплового насосу.

       Два стічно-гликолевих теплообмінники 1 , виконані з нержавіючих коаксиально встановлених труб діаметром 100 й 125 мм, працюють у загальному циркуляційному контурі з 60-тю ґрунтовими теплообмінниками 2 , виконаними з поліетиленових U-образної форми труб діаметром 14 мм, занурених у ґрунт триметровими петлями. Водяний розчин этиленгликоля циркулює за допомогою насоса 6 між джерелами низького-потенційного тепла 1 й 2 і випарником теплового насоса 5. При роботі компресора теплового насоса в його конденсаторі підігрівається вода, що циркулює за допомогою насоса 7 , що подає підігріту воду в баки-накопичувачі 9 . Паралельно конденсатору теплового насоса встановлений теплообмінник 3 , приєднаний по воді, що гріє, до вузла уведення теплової мережі 4. Для регулювання теплового потоку, крім регулятора, убудованого в тепловий насос 5 , використані регулятори 11 , 12 й 13.

       Рис.3 Схема стенду іспитів теплової установки 

       Регулятор, убудований у тепловий насос 5 , настроєний для роботи в системі гарячого водопостачання таким чином, що він автоматично включає компресор теплового насоса при температурі вступник на конденсатор води нижче 26 °С, а при надходженні з бака води з більше високою температурою компресор автоматично відключається. Таким чином, якщо баки-накопичувачі настільки заповнені гарячою водою, що в самій холодній крапці бака температура перевищує 26 °С, те тепловий насос працювати не буде.

       Інший автомат, убудований виготовлювачем у  тепловий насос, не дозволить компресору за умовами його захисту включиться раніше, ніж через 7 хвилин після  того, як він виключився. Тому в схему  включений електромагнітний клапан 12 , що сблокирован з компресором теплового насоса так, що при роботі компресора він відкритий, а при останове клапан закривається. Якби цього клапана не було, то холодна вода могла б протягом семи хвилин, вільно протікаючи через конденсатор непрацюючого теплового насоса, надходити прямо в саму гарячу частину бака-накопичувача, у результаті чого жителі, що приймають теплий душ, могли раптово виявитися під струменем холодної води. Конструктивно клапан 12 виконаний з можливістю пропуску невеликої витрати води при закритому клапані. Це зроблено для того, щоб датчик температури убудованого в тепловий насос регулятора міг уловити момент, коли на конденсатор почне надходити поду з температурою нижче 26 °С, щоб тепловий насос міг вчасно включитися.

       Тімпература холодної води, що надходить на підігрів у конденсатор теплового насоса, змінюється в інтервалі від 1 до 26 °С, у той час як температура  підігрітої води повинна перебувати в більше вузькому діапазоні припустимих  температур 50…55…55 °С.

       Забезпечити такий діапазон удалося за допомогою  регулятора температури прямої дії  11 і ручного балансувального вентиля на байпасной лінії. Головка балансувального вентиля встановлена таким чином, що при відкритті електромагнітного клапана 12 у той час, коли клапан 11 закритий, через балансувальний вентиль проходить мінімальна витрата води. Якби байпаса не було, то при пуску компресора й відсутності протоки води через конденсатор спрацював би автомат захисту, що при підвищенні тиску конденсації холодильного агента відключає компресор без можливості наступного автоматичного запуску.

       При наявності байпасної лінії холодна вода відразу після пуску компресора починає надходити на підігрів у невеликому обсязі, обмеженому положенням балансувального вентиля. Через кілька секунд, після того як температура підігрітої води досягне 50 °С, автоматично й поступово відкривається регулятор температури прямої дії 11 , і витрата підігріває воды, що, збільшується, у той час як її температура залишається увесь час на рівні 50...55…55 °С. Регулятор 11 підтримує цю температуру протягом усього часу роботи компресора, збільшуючи витрату нагріває воды, що, при підвищенні температури й зменшуючи його при зниженні температури. Компресор теплового насоса виключиться автоматично при надходженні на підігрів з бака-накопичувача 9 щодо теплої (26 °С) води.

       Як тільки це відбудеться, через електромагнітний клапан, що автоматично закрився, 12 почне просочуватися невелику кількість не підігрітої води. Це обумовить закриття клапана 11 , і тільки балансувальний клапан на байпасе буде перебувати завжди в частково відкритому зафіксованому положенні. Циркуляційні насоси 6 й 7 працюють неспинно. При випадковій зупинці насоса 6 убудоване в тепловий насос реле протоки не дозволить йому включитися. Насос 7 подає воду не тільки в конденсатор теплового насоса, але й у теплообмінник 3 , теплова потужність якого регулюється клапаном 13 по звичайній для теплових пунктів схемі.

       Основними теплофізичними параметрами теплонасосної установки є витрати й температури рідин, що циркулюють у різних контурах. Витрати стічної води в каналізаційних трубах виміряти практично неможливо, але вони визначалися непрямим шляхом на основі теплового балансу сточно-гликолевого теплообмінника.

       Витрати водяного розчину этиленгликоля вимірялися по різниці тиску до й після балансувальних вентилів 10 , дросельні органи яких були зафіксовані в положеннях з відомою пропускною здатністю.

       Для виміру температур рідин були встановлені  датчики температури ДТ1…ДТ5 у місцях, зазначених на рис.3. Електронні датчики системи Smart Reader записували температури через кожні 10 хвилин протягом 200 днів із серпня 2006 по лютий 2007 року. Після зняття датчиків зі стенда значення температур були переписані за допомогою комп'ютерної програми Trend, трансформовані в Excel і представлені графічно.

       Рис. 4 наочно демонструє, як змінювалися 17 серпня 2006 року температури рідин, що брали участь у процесі перетворення теплової енергії в тепловому насосі. Температури стічної рідини двічі показані на одному малюнку, для того щоб можна було більш чітко розглянути в більшому масштабі (на верхній частині малюнка) характер зміни температур.  

       Рис.4 Коливання зміни температур влітку 

       По  кривих рис.4 , що графічно отобразили показання температурних датчиків ДТ1…ДТ5 , неважко відтворити динаміку процесів перетворення теплоти, що відбувалися в той день.

       Тепловий  насос відключився за кілька хвилин до напівночі, і протягом шести нічних годин він не працював, тому що баки-накопичувачі були заповнені гарячою водою.

       Тільки  приблизно без двадцяти три хтось  із жителів, що прийняли серед ночі душ, викликав короткочасне зниження температури  води на вході в тепловий насос, що при цьому автоматично включився, але ненадовго.

       В 5.45 ранку прокинулися самі активні пожильці, і почався водоразбор. Холодна вода хлинула в конденсатор теплового насоса, у результаті чого він автоматично включився, і температура охолодженого етиленгликоля спочатку знижуватися. За чверть восьма тепловий насос двічі відключався на короткий час, (швидше за все, на сім хвилин, передбачених заводськими установками програми керування) і це видно по характері зміни температур этиленгликоля. Після цього тепловий насос працював безперервно аж до 11.30, коли послу ранкового пікового водоразбора баки заповнилися гарячою водою, що послужило сигналом для його відключення.

       Вечірній  раунд активної роботи теплового  насоса почався приблизно в 16.30, а  до цього часу він включався всього лише кілька разів і ненадовго. Цей  раунд тривав аж до напівночі, коли баки заповнилися гарячою водою після вечірнього пікового водоразбора. Протягом цього періоду тепловий насос кілька разів відключався, але після 20.30 уже ніяких відключень не було, і тепловий насос працював з повною віддачею.

       За  кілька хвилин до напівночі тепловий насос, що справно виконував протягом дня свою незвичайну роботу, відключився до ранку.

       Температура в каналізаційній трубі протягом ночі залишалася на рівні 23 °С, тому що було літо, і вода з водопроводу, що попадає в невеликій кількості в каналізацію через нещільності змивних бачків, мала приблизно таку ж температуру. Надалі температура стоків, що надходять у контур, що гріє, сточно-гликолевого теплообмінника, змінювалася в діапазоні від 23 до °31 С, а температура стоків, що залишають будинок, була на…4 градуса нижче.

       Коливання температур стічної рідини носять випадковий характер, і укласти ці коливання в рамки строгих математичних залежностей навряд чи можливо. Самі теплі стоки відзначені під час пікових водоразборов, і це цілком природно, а досить різкі коливання температур у цей час можна пояснити тим, що споживачів гарячої води в будинку, де проживає 150 чоловік, відносно небагато, і вплив кожного відкритого крана тут більш помітно, ніж це було б у великому будинку.

       Температура охолодженого этиленгликоля в день 17 серпня коливалася від 8 до 19 °С. Ці значення можна розглядати як рівноважні в режимах працюючого й зупиненого теплового насоса. Тривалість виходу на нижчу (8 °С) рівноважну температуру — близько 2,5 годин (від 5.45 до 8.15), а на вищу (19 °С) — приблизно друга година (від 11.30 до 13.30). Протягом доби 17 серпня тепловий насос працював 12 годин й 45 хвилин.

       На  відміну від режиму активного  охолодження теплообмінників, коли температура на вході этиленгликоля  в теплообмінники була самою низкою в системі, у режимі підвищення температур, що возникли при зупинці теплового насоса, самою низкою температурою стає температура этиленгликоля після ґрунтового теплообмінника.

       Це  відбувається через те, що при працюючому тепловому насосі на температуру этиленгликоля роблять вплив три теплообмінних апарати - випарник, а також ґрунтовий і сточно-гликолевый теплообмінники, у той час як при непрацюючому компресорі випарник виключений із цього процесу, і теплообмін відбувається між ґрунтом і стоками. Реалізується цей процес за посередництвом этиленгликоля, що при непрацюючому компресорі продовжує циркулювати у своєму контурі, відіграючи роль проміжного теплоносія.

       Як  виявилося, важливість цієї ролі важко  переоцінити, тому що, завдяки саме цієї незвичайної* ролі,  ґрунт, що постійно підігріває теплими стоками, легко відновлює свій температурний потенціал, сприяючи роботі теплового насоса з незмінно високим коефіцієнтом перетворення. Відомо, що ґрунтові теплообмінники, що прохолоджують ґрунт постійно протягом зими, до кінця опалювального сезону обростають крижаними наростами, що помітно погіршує коефіцієнт перетворення теплового насоса, і навіть за літній період споконвічний тепловий потенціал ґрунту не завжди відновлюється повністю. У нашій схемі досить двох з половиною годин, протягом яких тепловий насос «відпочиває», для того, щоб ґрунт відновив свою природну температуру, що, як це видно із кривих на мал. 2 , перебуває поблизу +17 °С. Нагадаємо, що в цьому випадку мова йде не про ґрунт взагалі, а про триметровий шар ґрунту, розташованому безпосередньо під плямою будинку.

       На  рис.4 не нанесені температури води на виході з конденсатора теплового насоса, які автоматично підтримувалися на рівні 47...52…52 °С.

       До  кінця осіни експериментальний  тепловий насос, номінальна теплова потужність якого становить усього 25 квт, перестав справлятися із завданням забезпечення безперебійного гарячого водопостачання шестиповерхового гуртожитку, для якого по діючих нормах проектування необхідний (з урахуванням наявних ємностей) водоподогреватель потужністю 35 квт. Коли вода стала надходити з міського водопроводу з температурою 10 °С и нижче, у конденсаторі не вдавалося підігрівати її до температури 50 °С. Тому взимку паралельно тепловому насосу був включений водоподогреватель, що працює на мережній воді ТЕЦ, і день 17 листопада був останнім днем пізньої осені, коли тепловий насос грів воду самостійно ( рис. 5 ).