Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление, 2002
.pdf
лота накапливается за счет теплоемкости материала заполнителя. В фазовых теплоаккумуляторах накопление теплоты происходит при плавлении или изменении кристаллической структуры заполнителя, а высвобождение - при его твердении. В термохимических аккумуляторах теплота накапливается при прохождении эндотермических реакций и высвобождается при экзотермических.
Всистему низкотемпературного водяного отопления теплоаккумуляторы включают по зависимой (рис. 20.1) и независимой (рис. 20.2) схемам. Конструктивно теплоаккумуляторы выполняют в виде металлических емкостей, используя серийно выпускаемые аккумуляторы систем горячего водоснабжения или расширительные баки систем отопления.
Вслучае значительной сезонной неравномерности в поступлении теплоты от нетрадиционных теплоисточников (солнечная энергия, атмосферный воздух и др.) можно использовать фунтовые, скальные сезонные теплоаккумуляторы, подземные озера. Грунтовые теплоаккумуляторы устраивают путем закладки в грунт горизонтальных трубных регистров с шагом труб 1,5...2 м. В скальный массив теплоту подают по трубам в скважины, пробуренные вертикально или наклонно на глубину 10...50 м. В подземные озера или заполненные водой горные выработки теплоту подают через гладкотрубные регистры, помещаемые на дне, а отбирают через аналогичные по конструкции теплообменники вблизи поверхности.
Всистемах низкотемпературного парового отопления используют теплоту конденса-
ции паров теплоносителя, что, как известно, способствует уменьшению площади отопительных приборов.
Вквартирной системе отопления с одним отопительным прибором возможно использование его в качестве конденсатора теплового насоса (рис. 20.3), что уменьшает бесполезные теплопотери.
С увеличением тепловой мощности системы и числа отопительных приборов (особенно отключаемых) затрудняется отвод конденсата. В качестве теплоносителя используют пары низкокипящих жидкостей, так как при водяном паре и средней температуре 30 °С давление в системе потребовалось бы снизить до 0,0043 МПа, что технически сложно. Используют пары хладона, который не горюч, не взрывоопасен, не ядовит и не имеет запаха. Низкая температура твердения хладона исключает замерзание теплоносителя в системе. Кроме того, хладон химически устойчив и не вызывает коррозии металлов.
Рис. 20.1. Зависимое включение теплоаккумулятора в контур системы отопления: а - с зависимым подключением греющего контура; б - с независимым подключением греющего контура; 1 - греющий контур; 2 - контур системы отопления
491
Рис. 20.2. Независимое включение теплоаккумулятора в контур системы отопления: обозначения - см. рис. 20.1
Рис. 20.3. Система низкотемпературного отопления с теплообменником в виде конденсатора теплового насоса: 1 - циркуляционный насос; 2 - испаритель теплового насоса; 3 - компрессор; 4 - вентилятор системы воздушного отопления; 5 - теплообменник - конденсатор теплового насоса; б - дроссельный вентиль
В низкотемпературных системах парового отопления регулирование теплоотдачи отопительных приборов осуществляют воздействием на давление пара, причем расчет ведется на давление, соответствующее максимально возможной температуре. Конденсат из приборов без конденсатоотводчиков самотеком возвращается в испаритель под воздействием подпора в мокрых конденсатопроводах.
Низкотемпературные системы парового отопления устраивают двухтрубными горизонтальными и вертикальными, с верхней и нижней разводками (см. § 9.1). Принцип присоединения приборов в горизонтальной системе представлен на рис. 20.4. Для регулирования теплоотдачи отопительных приборов применяют паровые мембранные или игольчатые вентили.
492
Рис. 20.4. Горизонтальная двухтрубная низкотемпературная система парового отопления
Применение низкотемпературных систем воздушного отопления малоэффективно при незначительном перепаде температуры теплоносителя, который к тому же обладает малой теплоемкостью. Для одинаковой теплопередачи площадь теплообмена приходится увеличивать в 2...2,5 раза по сравнению с традиционными системами. Поэтому низкотемпературные системы воздушного отопления применяют только с искусственным побуждением движения воздуха и при малых мощности и протяженности систем. Их используют в основном для отопления одноквартирных домов, причем устраивают централизованное или местное нагревание воздуха для групп помещений или одного большого помещения.
При малом перепаде температуры воздуха основным способом регулирования теплоподачи в помещение является количественное регулирование. В системах низкотемпературного воздушного отопления применяют теплоаккумуляторы с твердыми заполнителями - гравием или галькой, обращая серьезное внимание на их антисептическую обработку, предотвращающую развитие микробов на их поверхности. В настоящее время ведутся экспериментальные разработки по применению в системах низкотемпературного воздушного отопления теплоаккумулирующих насадок, использующих теплоту фазовых переходов, что значительно сокращает объем теплоаккумулятора.
В том случае, когда температура теплоисточника ниже температуры обслуживаемого помещения, а также для снижения расхода металла на нагревательные поверхности, в низкотемпературные системы отопления включают тепловой насос. Применяют тепловые насосы практически всех типов (см. §§ 14.4 и 19.3), однако наибольшее распространение получили компрессионные тепловые насосы, работающие на хладоне, что позволяет получить температуру конденсации 60...80 °С. Для получения более высокой температуры используют смеси хладонов различных марок.
При использовании в низкотемпературных системах отопления с тепловыми насосами теплоисточников периодического действия теплоаккумуляторы устанавливают, как правило, в контур испарителя теплового насоса, что стабилизирует температуру испарения и способствует более эффективной работе теплового насоса. Тепловую мощность системы при этом регулируют, изменяя теплоотдачу теплового насоса. В системах, работающих от теплоисточников со стабильными параметрами (геотермальные воды), теплоаккумуляторы устанавливают в контуре конденсатора теплового насоса.
Использование того или иного теплоисточника вносит специфику в конструкцию низкотемпературных систем отопления. В связи с этим рассмотрим подробнее особенности ис-
493
пользования наиболее распространенных нетрадиционных и, плавным образом, возобновляемых источников тепловой энергии, учитывая расширение в будущем области их применения.
§ 20.2. Системы солнечного отопления
Системами солнечного отопления называются системы, использующие в качестве теплоисточника энергию солнечной радиации. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента - гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию.
По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные. Пассивными называются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т.п.).
В пассивной системе солнечного низкотемпературного отопления "здание-коллектор" солнечная радиация, проникая через световые проемы в помещение, попадает как бы в тепловую ловушку. Коротковолновое солнечное излучение свободно проходит через оконное стекло (коэффициент пропускания 0,85... 1,0) и, попадая на внутренние ограждения помещения и мебель, преобразуется в теплоту. Температура поверхностей повышается, и теплота отдается воздуху и необлученным поверхностям помещения конвекцией и излучением. Собственное излучение поверхностей при этом происходит в длинноволновом диапазоне и плохо пропускается оконным стеклом (коэффициент пропускания 0,1...0,15), которое отражает его внутрь помещения. Таким образом, почти вся солнечная радиация, попавшая в помещение, преобразуется в нем в теплоту и способна частично или полностью (в зависимости от географических и климатических условий, архитектурнопланировочных решений) компенсировать его тепловые потери. Массивные внутренние ограждения способны аккумулировать часть теплоты, образовавшейся на их поверхности, и отдавать ее помещению постепенно, даже спустя 6...8 ч после прекращения воздействия на них солнечной радиации. Для повышения эффективности работы системы "зданиеколлектор" световые проемы большой площади помещают на южном фасаде, снабжая их жалюзи, которые при закрытии должны препятствовать в темное время суток потерям с противоизлучением, а в жаркий период в сочетании с другими солнцезащитными устройствами - перегреву помещения. Внутренние поверхности окрашивают в темные тона.
Задачей расчета при данном способе обогрева является определение минимально необходимой площади световых проемов для пропускания в помещение потока солнечной радиации, необходимого с учетом аккумулирования для компенсации тепловых потерь. Как правило, мощности пассивной системы "здание-коллектор" (особенно в холодный период) оказывается недостаточно. В этом случае в здании устанавливают дополнительный теплоисточник, превращая систему отопления в комбинированную (см. § 20.1). Расчетом при этом определяют экономически целесообразные площади световых проемов и мощность дополнительного теплоисточника.
Пассивная солнечная система воздушного низкотемпературного отопления "стенаколлектор" (рис. 20.5) включает массивную наружную стену, перед которой на небольшом расстоянии устанавливают лучепрозрачный экран с жалюзи. У пола и под потолком в стене устраивают щелевидные отверстия с клапанами. Солнечные лучи, пройдя через лучепрозрачный экран, поглощаются поверхностью массивной стены и преобразуются в
494
теплоту, которая конвекцией передается воздуху, находящемуся в пространстве между экраном и стеной. Воздух нагревается и поднимается вверх, попадая через щелевое отверстие под потолком в обслуживаемое помещение, а его место занимает остывший воздух из помещения, проникающий в пространство между стеной и экраном через щелевое отверстие у пола помещения. Подачу нагретого воздуха в помещение регулируют открытием клапана. Если клапан закрыт, происходит аккумуляция теплоты массивом стены. Эту теплоту можно отобрать конвективным потоком воздуха, открывая клапан в ночное время или в пасмурную погоду.
Рис. 20.5. Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления "стенаколлектор": 1 - солнечные лучи; 2 - лучепрозрачный экран; 3 - воздушная заслонка; 4 - нагретый воздух, подаваемый в помещение; 5 - охлажденный воздух из помещения; б - собственное длинноволновое тепловое излучение массива стены; 7 - черная лучевоспринимающая поверхность стены; 8 - жалюзи
При расчете пассивного низкотемпературного солнечного воздушного отопления со "сте- ной-коллектором" определяют необходимую площадь поверхности стены и рассматривают подобную конструкцию как вентилируемую воздушную прослойку с лучепрозрачным экраном. Данную систему, как правило, дублируют дополнительным источником теплоты.
Активными называются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию. В настоящее время для активных систем солнечного отопления применяют гелиоприемники двух типов: концентрирующие и плоские.
Концентрирующие гелиоприемники представляют собой сферические или параболические зеркала, параболоцилиндры (рис. 20.6), выполненные из полированного металла, в фокус которых помещают тепловоспринимающий элемент (солнечный котел), заполненный теплоносителем. В качестве теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости. При использовании в качестве теплоносителя воды в ночные часы и в холодный период систему обязательно опорожняют для предотвращения ее замерзания.
495
Рис. 20.6. Концентрирующие гелиоприемники: а - параболический концентратор; б - параболоцилиндрический концентратор; 1 - солнечные лучи; 2 - тепловоспринимающий элемент (солнечный котел); 3 - зеркало; 4 - механизм привода системы слежения; 5 - теплопроводы, подводящие и отводящие теплоноситель
Для обеспечения высокой эффективности процесса улавливания и преобразования солнечной радиации концентрирующий гелиоприемник должен быть постоянно направлен строго на Солнце. С этой целью гелиоприемник снабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце, электронный блок преобразования сигналов, электродвигатель с редуктором для поворота конструкции гелиоприемника в двух плоскостях.
На рис. 20.7 представлена принципиальная схема жидкостной комбинированной двухконтурной низкотемпературной системы солнечного отопления с параболоцилиндрическим концентратором и жидкостным теплоаккумулятором. В контуре гелиоприемника в качестве теплоносителя применен антифриз, а в контуре системы отопления - вода.
Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемииками является способность выработки теплоты с относительно высокой температурой (40...80 °С) и даже пара. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции, работу только в светлое время суток, а следовательно, потребность в аккумуляторах большого объема, большие энергозатраты на привод системы слежения за ходом Солнца, соизмеримые с вырабатываемой энергией. Эти недостатки сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками.
Рис. 20.7. Жидкостная комбинированная двухконтурная низкотемпературная система отопления с параболоцилиндрическим концентратором и жидкостным теплоаккумулятором: 1 - параболоцилиндрический концентратор; 2 - жидкостный теплоаккумулятор; 3 -
496
дополнительный теплоисточник; 4 - термометр; 5 - контур системы отопления; 6 - регулирующий вентиль; 7 - циркуляционный насос
Плоские гелиоприемники, получившие наибольшее распространение, бывают двух видов: плоские коллекторы и плоские абсорберы.
Плоские коллекторы (рис. 20.8) изготовляют в виде пластины с каналами для транспорта теплоносителя, помещаемой в металлический или пластмассовый корпус. Для предотвращения собственного длинноволнового излучения в окружающее пространство, а также для снижения конвективных теплопотерь пластину покрывают с наружной стороны одним или несколькими слоями остекления на расстоянии 30...50 мм от пластины и между слоями, а с обратной стороны теплоизолируют. В качестве теплоносителя используют воду, антифризы, воздух. Выпускаемые в настоящее время коллекторы обладают достаточно высокой мгновенной эффективностью (ηмгн=0,9), т.е. отношением падающей на поверхность гелиоприемника солнечной радиации к полезно усвоенной теплоте, но относительно низкой суточной (ηсут=0,5) и годовой (ηгод=0,25) эффективностью.
Рис. 20.8. Плоский солнечный коллектор: 1 - солнечные лучи; 2 - остекление; 3 - корпус; 4 - тепловоспринимающая пластина; 5 - теплоизоляция; 6 - уплотнение; 7 - собственное длинноволновое излучение тепловоспринимающей пластины
Для лучшего поглощения солнечной радиации коллекторы устанавливают на кровле здания или рядом с ним зимой под углом 80...90° к горизонту, летом - 20...30°, а при круглогодичной эксплуатации под углом, равным широте местности. Коллекторы позволяют нагревать теплоноситель максимально до 90 °С.
Для повышения эффективности коллекторов поверхность теплопоглощающей пластины покрывают спектрально-селективными слоями, хорошо пропускающими коротковолновое
497
излучение и препятствующими собственному длинноволновому излучению, а также вакуумируют межстекольное пространство.
На рис. 20.9 представлена принципиальная схема водяной низкотемпературной системы отопления с солнечными коллекторами, в которой предусмотрен автоматический дренаж коллекторов при прекращении воздействия солнечной радиации.
Рис. 20.9. Схема водяной низкотемпературной системы солнечного отопления с плоскими коллекторами и автоматическим дренажем при прекращении циркуляции: 1 - солнечные плоские коллекторы; 2 - расширительный бак; 3 - дополнительный теплоисточник; 4 - теплообменник; 5 - отопительные приборы; 6, 8 - циркуляционные насосы; 7 - бактеплоаккумулятор
В условиях России применение системы отопления с солнечными коллекторами, рассчитанной на покрытие теплопотребления в течение всего отопительного сезона на основе существующих схем, экономически невыгодно. Поэтому такие системы дублируют традиционными теплоисточниками, а также включают в схему системы тепловой насос (рис. 20.10). На долю гелиоконтура оставляют примерно 30...50 % теплопотребностей обслуживаемого объекта.
Плоские абсорберы не имеют остекления, а часто и теплоизоляции с обратной стороны. В них подают теплоноситель с температурой на 3...5 °С ниже температуры окружающего воздуха. За счет этого не только сводятся к минимуму бесполезные потери теплоты в окружающую среду, но и дополнительно усваивается теплота атмосферного воздуха, осадков, а также фазовых превращений при конденсации и инееобразовании на поверхности абсорбера. Это дополнительное количество теплоты, например, для условий Москвы, примерно равно количеству теплоты, получаемому от солнечной радиации.
498
Рис. 20.10. Жидкостная двухконтурная комбинированная низкотемпературная система солнечного отопления с плоскими коллекторами, тепловым насосом и двумя жидкостными теплоаккумуляторами: 1 - солнечные коллекторы; 2 - воздухосборник; 3 - низкотемпературный жидкостный теплоаккумулятор; 4 - испаритель теплового насоса; 5 - компрессор; 6 - дроссельный вентиль; 7 - высокотемпературный жидкостной теплоаккумулятор; 8 - конденсатор теплового насоса; 9 - дополнительный теплоисточник; 10 - магнитный вентиль; 11 - датчик температуры; 12 - отопительные приборы; 13 - циркуляционный насос
Вкачестве абсорберов используют различные конструкции типа лист-труба, штампованные алюминиевые или стальные радиаторы. Теплоносителем для них служит глизантин. Плоские абсорберы в 5 раз легче и в 8 раз дешевле коллекторов. Они обладают более вы-
сокой суточной (ηсут=0,7) и годовой (ηгод=0,85) эффективностью, не требуют очистки от пыли.
Взарубежной практике абсорберы широко используют в качестве элементов наружных ограждений - покрытия кровли, облицовки фасадов, балконных ограждений, элементов ограды. Абсорберы устанавливают под углом, близким к 90°, к горизонту, так как максимум теплопотребления приходится на зимние месяцы. Вертикальное положение способствует также удалению конденсата, инея и снега с их поверхности.
Единственным недостатком абсорберов является низкий уровень температуры нагреваемого теплоносителя, что требует при их применении обязательного включения в схему системы отопления теплового насоса.
Регулирование тепловой мощности систем солнечного низкотемпературного отопления с плоскими абсорберами и тепловым насосом осуществляют отключением части абсорберов или части цилиндров компрессора, дросселированием потока хладагента (при применении регулируемого дроссельного вентиля), сбросом избыточной теплоты в теплоаккумуляторы.
§ 20.3. Системы геотермального отопления
В качестве теплоисточника низкотемпературных систем отопления может использоваться теплота подземных нагретых вод или горных пород. Такое отопление называют геотермальным.
Наша страна имеет большие запасы геотермальных вод, температура которых значительно выше температуры воздуха. Вместе с тем геотермальные воды содержат большое количество растворенных минеральных солей, вызывающих коррозию металлов, а также зарас-
499
тание труб и аппаратов, что обусловливает особенности конструирования и эксплуатации систем отопления, использующих такую воду.
По степени минерализации геотермальные воды разделяют на две группы: с низкой (до 10 г/л) и высокой (свыше 10 г/л) минерализацией. По данным специалистов, запасы нагретых вод оцениваются как эквивалентные 4...5 млн. тонн условного топлива (т у.т.) в год при фонтанной добыче, 30...40 - при насосном водозаборе и 130. ..140 млн. т у.т. при возвращении отработавшей воды для поддержания внутрипластового давления.
При подаче геотермальной нагретой воды из скважины в тепловую сеть системы отопления присоединяют к сети в основном по двум схемам: зависимой и независимой. Независимую схему присоединения применяют при высокой степени минерализации геотермальной воды. При этом качество геотермальной воды не влияет на выбор и эксплуатацию систем отопления.
Геотермальные воды со степенью минерализации до 10 г/л можно использовать непосредственно в системах отопления и горячего водоснабжения. В этом случае системы отопления присоединяют к тепловым сетям геотермальных вод по зависимой схеме с центральным регулированием температуры воды, а также со смешением в тепловых пунктах зданий, если температура воды в сети выше, чем требуется для системы отопления. Охлажденную в системах отопления воду, как правило, сбрасывают или закачивают обратно в пласт.
При зависимом присоединении систем отопления к сетям геотермального теплоснабжения срок их службы снижается до 15 лет. Учитывая образование накипи, рекомендуется при расчете принимать заниженные на 30 % коэффициенты теплопередачи отопительных приборов и труб.
Если температура геотермальной воды недостаточна для нагревания воды в системе отопления, то систему низкотемпературного отопления устраивают комбинированной (см. § 20.1). При том дополнительное "пиковое" нагревание используют как в геотермальной теплосети, так и непосредственно в системе отопления. Дополнительное нагревание геотермальных вод осуществляют в периодически действующих паровых котлах с пароводяными теплообменниками, в водогрейных котлах или электрических теплообменниках.
Наиболее экономична бессливная система теплоснабжения с геотермальными водами и "пиковым" догреванием (рис. 20.11). В систему включен бак-аккумулятор отработавшей воды, откуда она забирается для смешения с горячей водой при центральном регулировании температуры. Вместимость бака-аккумулятора устанавливается в зависимости от дебита скважины, температуры нагретой геотермальной воды, требуемой температуры воды в подающем теплопроводе системы отопления. Баки-аккумуляторы выполняют в виде железобетонных резервуаров, заглубленных в землю.
500