Новости

Apr 06, 2024

Экологичные тепловые насосы и накопители для эффективного отопления и охлаждения

Использование солнечной энергии для обеспечения значительной доли потребностей в отоплении жилых помещений является значимым вариантом для многих климатических условий, но его нелегко достичь, будучи конкурентоспособным по цене.

Использование солнечной энергии для обеспечения значительной доли потребностей в отоплении жилых помещений является значимым вариантом для многих климатических условий, но его нелегко достичь, будучи конкурентоспособным по цене. Проект TRI-HP показывает, как можно эффективно обеспечить отопление зданий за счет солнечной энергии, используя так называемый солнечный лед, экономически эффективным способом. Эта концепция системы объединяет солнечные тепловые коллекторы, тепловые насосы и хранилище льда для обеспечения энергетических потребностей в регионах с преобладанием тепла и достаточным солнечным излучением, например, в Центральной Европе. Ледяная суспензия, производимая зимой и весной, может использоваться для естественного охлаждения в качестве дополнительной функции в климатических условиях с низкой потребностью в охлаждении.

Солнечно-ледяные системы используют солнечные тепловые коллекторы в качестве единственного источника тепла для теплового насоса, который дополнительно может питаться от фотоэлектрических систем (PV). Солнечные тепловые коллекторы также используются для непосредственного обеспечения потребностей в отоплении и горячей воде. Пока светит Солнце или температура окружающей среды не слишком низкая, солнечные коллекторы служат прямым источником тепла для теплового насоса. В холодные ночи или дни с низкой солнечной радиацией в качестве источника тепла используется хранилище льда. Ледяное хранилище действует как низкотемпературное солнечное сезонное хранилище (заряжается летом и разряжается зимой) с очень большой плотностью хранения энергии в диапазоне 80 кВтч/м3. Концептуальную схему солнечной ледяной системы можно увидеть на рис. 1.

Систему солнечно-ледяной суспензии можно сравнить с геотермальными тепловыми насосами (GSHP) с преимуществами отсутствия необходимости бурения скважин и, следовательно, отсутствия ограничений законами о защите воды. Более того, нет необходимости регенерировать землю, как в случае со скважинами, даже если хранилище закопано в землю, поскольку она ежегодно восстанавливается за счет солнечной энергии.

Основная инновация, предложенная TRI-HP, — это разработка концепции ледяной суспензии с методом переохлаждения, которая исключает использование теплообменников внутри хранилища льда, снижая стоимость установки системы на 10%. Кроме того, поверхность теплопередачи (суперохладитель) всегда свободна ото льда и имеет более высокий КПД по сравнению с традиционными системами «лед на змеевике». Ожидается, что благодаря этому нововведению системы солнечно-ледяной суспензии будут иметь такую ​​​​же стоимость, что и GSHP, при той же эффективности системы без необходимости бурения скважин или регенерации в будущих сценариях.

Одним из основных технологических барьеров для систем ледяной суспензии, использующих метод переохлаждения, является разработка теплообменников, позволяющих работать при температуре воды ниже 0°С без замерзания. В рамках проекта TRI-HP мы разработали прочные ледофобные покрытия, работающие в турбулентных потоках воды, позволяющие подавлять образование льда для необходимых условий работы. Как только вода переохлаждается в стабильной форме, ее перекачивают в кристаллизатор льда, где формируется ледяная суспензия, которая затем хранится в резервуаре для ледяной суспензии. Степень переохлаждения определяется как разница между фактической температурой замерзания и температурой плавления, которая в случае воды составляет 0°C.

Испытанные суперохладители TRI-HP на основе паяных теплообменников чрезвычайно компактны и достигают степени переохлаждения до 4°C, что значительно превышает 2°C, достигаемые современными японскими технологиями с использованием менее компактных теплообменников. Была оценена средняя температура переохлаждения за семь циклов замораживания для различных ледофобных покрытий, которые на рис. 2 отмечены точками.

Использование синтетических хладагентов началось примерно в 1930 году. С тех пор их использование регулируется из-за разрушения защитного озонового слоя Земли, высокого потенциала глобального потепления (ПГП) и воздействия на здоровье человека. Это привело к разработке трех поколений синтетических хладагентов. Последнее поколение, основанное на ГФО, разлагается в атмосфере, образуя трифторуксусную кислоту и образуя трифторацетат, который может загрязнять питьевую воду. Таким образом, единственным долговечным и устойчивым решением для тепловых насосов является использование натуральных и экологически чистых хладагентов с низким ПГП, таких как углеводороды, вода, аммиак и диоксид углерода (CO2). В этом контексте в рамках проекта TRI-HP были разработаны и испытаны новые тепловые насосы с природными хладагентами (пропаном и CO2).