저온 에너지원을 사용하는 발전소. 계획, 설명

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저온 에너지원을 사용하는 발전소. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전

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수직 우물의 지상 열교환기는 히트펌프를 이용한 난방 및 온수 공급 시스템을 위한 저온 열원으로 지난 10-15년 동안 널리 사용되어 왔다. 이 환경 친화적인 열원은 예를 들어 현재 약 XNUMX개의 시설이 운영되고 있는 스위스에서 자주 사용됩니다.

비전통적 에너지 및 에너지 절약을 위한 알타이 지역 센터는 수직 지반 열 교환기와 열 펌프의 상호 영향에 대한 연구를 수행했습니다. 자동 열 펌프 장치 ATNU-10(작동 유체 - R22)은 러시아의 국가 과학 및 기술 프로그램 "환경 청정 에너지"의 틀 내에서 AK "INSOLAR"에 의해 개발되고 "ECOMASH"에 의해 제조된 기본으로 사용되었습니다. 기업 (Saratov). 이 시스템은 또한 깊이가 100m 이하인 우물에 수직 지상 열교환기를 포함합니다. 67m 이하). 기본 토양 온도는 30K로 가정하며, 이는 알타이 영토의 조건에 대해 280m 이상의 깊이에서 평균 온도 추정치에 해당합니다.

ATNU형 히트펌프의 자동제어시스템은 고온회로의 입구온도인 XNUMX차 열원으로부터의 열유속으로 결정되는 열유속의 일정한 값으로 최적의 조건에서 작동하도록 설계되어 있다. 및 고온 회로의 열 운반체의 질량 속도. 필요한 열 부하가 감소하면 설정 온도가 복원될 때까지 열 펌프를 꺼야 합니다. 접지 열교환기의 전력이 고온 회로의 열 손실을 감당하기에 불충분한 경우 피크 클로저를 켜야 합니다.

결과는 토양에서 추출된 열에너지가 열교환기 작동 길이의 대수에 선형적으로 의존한다는 것을 보여주었습니다. 이러한 조건(여과율 10m/일)에서 토양에서 5-6kW의 화력을 얻기 위해 필요한 열 교환기 깊이는 50-60m입니다. 가열 회로의 최소 유량은 0,3kg/s(1m*/h)여야 합니다. 더 작은 부피에서 열 축적은 시스템에서 시작되며 본격적인 설치에 대한 테스트에서 알 수 있듯이 프레온의 온도와 압력이 증가하고 증발기 작동이 저하되며 지상 열 교환기에서 열 제거. 그리고 동시에 고온 회로의 냉각수 온도가 상승하지만 가열 계수에 의해 결정되는 전체 회로의 효율이 감소합니다.

유럽에서는 토양을 열원으로 사용하는 데 큰 관심을 보이고 있습니다. 증발기의 디자인은 수백 평방 미터의 면적에 걸쳐 일정한 깊이로 놓인 약 25mm 직경의 구불 구불 한 튜브 형태로 제안됩니다. 자본 비용을 줄이기 위해 튜브는 가능한 한 표면에 가깝게 위치합니다.

유럽에서 수행된 열원으로서 토양에 대한 연구에 따르면 토양에서 증발기로의 열 흐름은 20-25 W/m이고 유럽의 최소값은 10 W/m이며 최대값은 50-60 W/m입니다. .

튜브의 최적 깊이와 간격은 각각 1,5m와 2m이며, 경우에 따라 상호 영향으로 2m의 한계가 확장됩니다. 파이프는 더 얕은 깊이에 배치될 수 있지만 열 펌프 성능은 증발기 온도가 5도 떨어질 때마다 XNUMX%씩 감소할 수 있습니다.

냉매를 직접 증발시키는 옵션 외에도 중간 열 운반체를 사용할 수 있습니다. 염수는 지하 파이프를 통해 순환하고 특수 열 교환기에서 냉매에 열을 발산합니다. 겨울철 평균 소금물 온도는 -3°C입니다.

토양의 수분 함량이 높으면 열전도율이 증가하고 관과의 접촉이 좋아 성능이 향상됩니다. 토양에 자갈이 많이 집중되면 성능이 저하됩니다.

덴마크에서는 가역 히트 펌프를 사용하는 경우 난방뿐만 아니라 여름에 건물 냉방 모드로 사용할 수있는 수평이 아닌 수직 튜브를 사용할 가능성이 고려되었습니다.

흥미로운 세부 사항도 발견되었습니다. 최소 지면 온도는 항상 공기 온도보다 높으며 필요한 난방 출력이 감소하면 XNUMX개월 후에 도달합니다.

수직 튜브는 공간을 덜 차지하고 여름철에 저장된 열을 어느 정도 사용할 수 있어 경제적 이점이 있습니다. 수직 U-튜브에 대한 연구는 상당한 열 회수 가능성을 보여주었습니다. 150-200m 면적의 수평 증발기로 12kW의 열을 얻을 수 있습니다. 직경 127mm, 깊이 8m의 우물에 U-튜브를 배치하여 단 12개의 우물에서 10kW를 얻을 수 있었습니다. U자형 튜브는 수평 튜브에 비해 필요한 토양 표면을 20-XNUMX배 줄인다는 것을 알 수 있습니다.

국산 히트펌프는 외국산에 비해 상대적으로 저렴함에도 불구하고 현재 기업의 취약한 재정 상황을 감안할 때 히트펌프 도입에 어려움을 겪고 있다. 마지막 역할은 소비자를위한이 기술의 참신함과 특이성에 의해 수행됩니다. 이러한 문제는 히트 펌프 설치를 구현하는 기업에 수년간 특권을 부여함으로써 해외에서 극복되었습니다. 대부분의 서유럽 국가에서는 열 펌프 사용으로 발생하는 소득에 대해 세금이 덜 부과되었으며 일부 국가에서는 직접적인 재정 지원이 이루어졌습니다. 따라서 오스트리아에서는 열 펌프를 사용하는 회사에 최대 100만 실링의 재정 보조금이 제공되었으며, 90년대 초 FRG에서는 이러한 회사가 자본 비용의 최대 7,5%에 해당하는 세금 환급을 받을 수 있었습니다(자본화에 따라 다름). ), 이는 히트펌프 설치 비용의 최대 20%에 해당하는 재정 보조금에 해당합니다. 그 결과 현재 오스트리아에서 105개의 HPP가 가동되고 있어 연간 116톤의 연료유를 절약하고 있습니다.

지중 열의 사용 외에도 가정용 열 펌프 응용 분야에서 가장 매력적인 것은 집 내부의 쾌적한 조건을 만들기 위한 "무료" 열원인 공기입니다. 대중에게 공개되어 대량 생산에 가장 많은 관심을 끌었습니다. 물을 사용할 수 있는 곳에서는 공기보다 몇 가지 이점이 있습니다. 폐열 또는 태양열 집열기의 사용이 활발히 연구되고 있으며 유럽과 미국 모두에서 관심이 있습니다.

가정에서 사용 초기부터 공기를 열원으로 사용하는 가장 널리 사용되는 히트 펌프. 기본적으로 공기도 방열판입니다. 열원으로서 공기는 여러 가지 단점이 있으므로 공기 온도가 크게 달라질 수 있는 설치 위치에 따라 신중한 설계 최적화가 필요합니다.

히트펌프, 특히 COP의 성능은 증발기와 응축기의 온도차가 커질수록 저하된다. 이는 공기열원 히트펌프에 특히 불리한 영향을 미칩니다. 주변 온도가 떨어지면 난방에 필요한 열량이 증가하지만 일정한 열 출력을 유지하는 히트 펌프의 능력은 크게 감소합니다. 이러한 단점을 극복하기 위해 종종 추가 가열이 적용됩니다.

영국과 대부분의 유럽 국가의 경우 열원이 있는 열 펌프의 비용은 기존의 중앙 보일러보다 훨씬 높습니다. 국내 열부하에서 히트펌프의 비중이 클수록 투자의 차이가 커지므로 히트펌프는 일반적으로 연간 열부하의 일부에 대해서만 계산되고 나머지는 추가 히터로 제공되며 대부분 전기식 (미국) 및 화석 연료(유럽). 그들 사이의 선택은 자본과 운영 비용의 비율에 의해 결정됩니다. 히트 펌프가 여름에 에어컨을 제공하는 경우 이 특정 응용 프로그램에 따라 크기와 전력이 결정될 수 있습니다.

주변 온도가 영하로 떨어지고 건물의 열 손실이 펌프의 열 출력을 초과하면 추가 난방이 필요합니다. 시스템의 경제적 효율성을 높이기 위해 히트 펌프가 전체 부하를 감당할 수 없는 경우에만 추가 히터(이 경우 전기식)를 포함하는 것이 좋습니다.

열 펌프의 모든 열원은 태양 에너지의 영향을 다소 받지만 태양열 집중 장치의 도움으로 증발기로 들어가는 공기를 가열하는 열 운반체 순환이 있는 태양열 수집기의 도움으로 직접 사용할 수도 있습니다. 태양열 집중 장치가 흡수 열 펌프에 더 적합한 것처럼 보이지만. 그들은 여전히 집에서 거의 사용되지 않지만 중요한 연구 작업의 대상입니다. 흡수 사이클에서 발생기를 가열하려면 기존 평판 수집기로 달성할 수 있는 것보다 더 높은 온도가 필요합니다. 그러나 공조용 흡수 사이클을 사용하면 플랫 플레이트 집열기에서 가열할 수 있습니다. 여기의 온도는 더 낮아야 하므로 태양 복사가 강하고 집열기의 온도가 낮은 여름에 공기 냉각이 수행되기 때문입니다. 증가했습니다.

열 펌프의 다른 열원과 함께 지붕에 배치된 평판 집열기가 널리 사용됩니다. 일반적으로 태양열 집열기는 열 펌프뿐만 아니라 독립적으로, 축열 장치가 있는 회로에서도 사용하기 위해 집중적으로 연구되고 있습니다. 후자는 또한 흐린 날이나 밤에 열원으로 열 펌프에 관심이 있습니다.

주변 공기, 지표 또는 물보다 높은 온도에서 증발기에 열을 공급함으로써 태양열 집열기는 열 펌프의 COP를 증가시킵니다.

일반적으로 중간 냉각수 - 물은 수집기에서 증발기로 열을 전달합니다. 그러나 냉매가 태양열 수집기의 튜브 내부에서 직접 증발하는 증발기와 수집기의 완전한 조합이 있을 수 있습니다.

종종 태양열 집열기의 열은 증발기 튜브가 잠겨 있는 액체 열 저장소로 공급됩니다. 열 저장은 모든 태양열 히트 펌프 시스템에서 필수적인 역할을 합니다. 예를 들어 Phillips 주택에서 태양열 집열기(20m2)는 최대 36°C의 온도에서 44m50 탱크에 저장된 연간 40-3GJ의 열(평균 효율 95%)을 수집합니다.

XNUMX개의 열 펌프를 사용하여 최소 에너지 하우스 계획이 제안되었습니다. 하나는 태양열 집열기에서 배터리로 온도가 증가함에 따라 열을 전달하고, 두 번째는 배터리에서 난방 시스템으로, 세 번째는 배터리에서 온수 시스템으로 전달합니다.

태양열 수집기는 또한 지상 수집기와 함께 고려됩니다. 태양열 집열기의 치수는 주택에서 열 손실 3kW당 2m1 이상이어야 한다는 것이 확립되었습니다. 지상 증발기가 30m에 불과한 3m100 면적의 태양열 집열기로 COP = 3,4가 달성됩니다. 지상 증발기만 사용하는 경우 300m의 표면이 필요하므로 COP = 2,7이 됩니다.

그러나 COP의 증가에도 불구하고 연료 절약이 설치 비용, 특히 태양열 집열기를 정당화하지 못할 수 있습니다. 이 분야의 다른 작업에서는 6kW의 HPI 화력으로 20m2의 표면이 필요함을 보여줍니다.

또한 HPP는 주방 스토브의 배기 가스 또는 일반적으로 주방의 폐수와 같이 하우징 자체에서 배출되는 열을 사용할 수 있습니다. 네덜란드에서는 가정용 식기건조기에 TN을 적용하였다. 토출된 습한 공기의 열은 건조기에 공급되는 건조한 공기를 가열하는 데 사용됩니다. 건조기의 따뜻하고 습한 공기는 HP 증발기로 들어가 냉각됩니다. 냉각되면 수분이 떨어지고 공기가 재순환에 적합해집니다. 증발기는 나가는 공기의 현열과 잠열을 모두 사용합니다. 재순환 공기는 응축기를 통과하고 응축열에 의해 가열됩니다. 에너지 절약은 약 48%에 이릅니다. 다음은 해외에서 널리 사용되는 HPP의 몇 가지 특징입니다.

탭. 2.1.2. HP 설치 "캐리어"(미국)의 특성 - 간단한 가역 공랭식 히트 펌프

저온 에너지원을 사용하는 발전소

탭. 2.1.3. 추가 가열 시스템이 필요 없는 소성 가열 시스템과 결합된 Lennox HP의 특징

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