Математическая модель теплонаносной системы автономного теплоснабжения

В работе описана математическая модель теплонасосной системы автономного теплоснабжения. Приведены расчеты потребной площади теплоприемника воздушного солнечного коллектора, температуры в теплоаккумулирующим устройстве.

Введение

Теплонасосная система автономного теплоснабжения жилых и производственных зданий представляет собой различные теплообменные аппараты, утилизирующие низкопотенциальные теплоты окружающего воздуха, солнечной энергии, воды и грунта поверхностных слоев Земли, включенные в единый с испарителем теплонасосной установки (ТНУ) контур.

Преимуществом таких систем является доступность низкопотенциального источника теплоты (НИТ). Однако использование лишь теплоты окружающего воздуха или солнечной энергии, грунта поверхностных слоев Земли в качестве единственных источников НИТ в комбинации с ТНУ малоэффективно. Это, прежде всего, связано с сезонными и суточными колебаниями температуры наружного воздуха в зависимости от погодных условий и неравномерности прихода солнечной радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий, которая влечет за собой колебания режимов работы теплового насоса, снижающего его эффективность. Так, изменение температуры наружного воздуха с +7оС до минус 10оС приводит к снижение производительности ТНУ в 1,5…2,0 раза.

В силу недостаточной изученности вопроса и отсутствием надежного, согласующегося с опытными данными математического описания, в настоящее время практически отсутствует технологий теплонасосной системы теплоснабжения (ТСТ), удовлетворяющие природно-климатических условий различной зоны Казахстана.

Основная часть

Принимая во внимание результатов НИР [1], а также оценки характеристики метеорологических условий в период отопительного сезона юго-восточной зоны республики, нами предлагается следующая гибридная ТСТ, состоящая из воздушных солнечных коллекторов, грунтового теплообменника и теплоаккумулятора, используемая для предварительного нагрева наружного воздуха, который впоследствии поступает в испаритель теплового насоса. Предлагаемая модель ТСТ представлена на рисунок 1.

В модели предлагаемая технология ТСТ рассматривается как система, включающая теплоутилизирующие, аккумулирующие, генерирующие компоненты и компоненты потребления теплоты.

Параметрами системы являются количественный состав и свойства каждого из ее компонентов. Состояние компонента,- есть некоторая функция времени, зависящая от его параметров. Входными энергетическими потоками системы являются энергия солнца и поверхностных  слоев Земли, утилизирующие соответственно солнечными  коллекторами и  грунтовыми  теплообменниками НИТ.

Энергетические потоки в теплонасосоной системе автономного теплоснабжения.

Рисунок 1 – Энергетические потоки в теплонасосоной системе автономного теплоснабжения.

Сгенерированные потоки тепловой энергии после преобразования направляются в испаритель теплового насоса. Часть энергии накапливается в тепловом аккумуляторе для компенсации, не достающейся теплоты.

Основной показатель работоспособности приведенной теплонасосной системы теплоснабжения – возможность обеспечения стабильной работы и производительности теплового насоса, удовлетворяющих потребителей теплоты не ниже требуемой:

Эффективность ТСТ – целый набор значений показателей, определяющих не только его работоспособность, но и надежность, характеристики экономического плана: стоимость, себестоимость тепловой энергии, срок окупаемости, площадь размещения, удобство обслуживания и многие другие.

Решение задачи проектирования действительно эффективного теплогенерирующего комплекса, как показали результаты анализа состояния данного вопроса, выполненного в [1], может быть осуществлено путем применения методов моделирования и оптимизации.

Вместе с тем, из-за сложности установления ряда теплотехнических параметров получаемого полезного тепла, как от солнечной энергии, так и энергии поверхностных слоев Земли, многомерную модель, изображенную на рис.1, проанализируем в упрощенным виде по отдельности.

Методика теоретического расчета потребной площади теплоприемника воздушного солнечного коллектора для теплонасосной системы теплоснабжения

Для построения математической модели и упрощения анализа процесса конвективного теплообмена в системе НИТ – ТНУ – потребитель теплоты принимаем, что рабочее тело несжимаемо, перенос теплоты осуществляется конвективно,  перенос теплоты за счет теплопроводности незначителен и им можно пренебречь. Исходя изложенного, многомерную модель (рисунок 1), представим в виде простой модели сопряженной гелиосистемы с тепловым насосом, показанной на рисунке 2.

Проектированию любой гелиосистемы предшествует теплотехнический расчет теплоприемника. Потребная площадь теплоприемника обычно определяется экспериментально по количеству теплопотерь в установке, что сопряжено с большими трудностями.

Схема сопряжения гелиосистемы  с тепловым насосом

Рисунок 2- Схема сопряжения гелиосистемы  с тепловым насосом

 

 

 

Таким образом, можно определить температуру в конце условного интервала ∆τ, при условии, что температура была неизменна в течение этого интервала.

Выводы

Предложена методика построения математической модели теплонасосной системы автономного теплоснабжения, составлены уравнения теплового баланса, проведены расчеты потребной площади теплоприемника воздушного солнечного коллектора, средней температуры теплоаккумулирующего устройства.

 

Литература 

  1. Отчет о научно-исследовательской работе: «Разработка энергосберегающей системы отопления жилых домов и зданий на базе использования тепловых насосов «воздух-вода» с дистанционным контролем и управлением». Алматы, 2013 г. – 131 с.
  2. Бекман У., Клейн С., Даффи Дж. Расчет систем солнечного теплоснабжения.- М.: Энергоиздат, 1982.-80 с.
  3. Амерханов Р.А., Долинский А.А., Морозюк Т.В. Аккумулирование теплоты в системах теплоснабжения сельского хозяйства //Пром.теплотехника. – 2002.-Т.24.- №1. С.106-108.
  4. Solar engineering of thermal processes/John A. Duffie, William A. Beckman. – 2nd Wiley, John&Sons, Incorporated, 1991.-918 p.
Фамилия автора: Ш.К. Сыдыков,  Р.А. Омаров
Год: 2014
Город: Алматы
Яндекс.Метрика