Как известно, из-за неравномерности солнечного излу­чения возникает необходимость аккумулирования теплоты солнечной радиации в теплое время года и эффективного ее использования в холодное время. Для этого нужны значи­тельные тепловые емкости накопителей энергии. Наиболее целесообразное решение заключается в использовании для этой цели естественных грунтовых массивов [37].

Существенно повысить потенциал аккумулированной энергии можно только при организации встречно направ­ленных тепловых потоков, разместив в грунте «куст» из к теплообменников. При этом создается основной массив аккумулирования с высокой температурой и буферный под массив, примыкающий к основному. С увеличением емкости основного массива влияние буферной подобласти уменьшается, и эффективность аккумулирования воз­растает. Поэтому наиболее перспективным может быть аккумулирование-разрядка для энергоемких потреби­телей, например, для поселка с несколькими тысячами жителей.

Экспериментальный модуль состоит из подземного грунтового аккумулятора теплоты (ПАТ), системы солнеч-

БА2

Рис. 1.20.

Принципиальная схема гелиогеотермаль­ного экспериментального модуля:

СК — солнечные коллекторы; БА — бак — аккумулятор; HI, Н2 — циркуляционные насо­сы; ТН — тепловой насос; Р — расходомер; ПАТ — подземный аккумулятор теплоты ных коллекторов (СК), теплового насоса (ТН) (рис. 1.20). Аккумулированная в грунтовом массиве в течение полуго­да солнечная энергия извлекается в холодное время года и расходуется на отопление и горячее водоснабжение [38].

Как объект выбран грунтовый массив на территории Института технической теплофизики НАН Украины. Ис­ходя из минимального расстояния между скважинами под теплообменники (примерно 1 м), были намечены два вари­анта псевдоцилиндрического «куста» из 7-ми и 12-ти вер­тикальных теплообменников (рис. 1.21). В первом случае создается цилиндр основной области аккумулирования с D = 3,0 м, а во втором — D = 3,66 м. На рис. 1.22 нанесены границы действия каждого из теплообменников. Для по­становки задачи в цилиндрической системе координат не­обходимо, чтобы рабочая длина (высота) теплообменников Z была больше D на десятичный порядок. В данном случае Z = 15 м.

В испытуемой территории на глубине h = 5,0 м темпера­тура грунта постоянная и равна Тгр = 8 °С. В связи с этим на глубину Н = 5,0 + 11 = 16 м от поверхности земли теплооб-

менная поверхность была теплоизолирована. Глубина буре­ния под теплообменники составила Z + Н = 31 м (рис. 1.22).

Рассмотрены три схемы теплообменников, представ­ленные нарис. 1.23.

Согласно анализу, наибольшее отношение теплообмен­ного периметра к трубному будет у U-образного теплооб­менника. Однако при этом неполно используется буровое пространство. Поэтому ориентировались на схемы айв. Учитывая реальные возможности проведения буровых ра­бот, диаметр скважины ограничивали D < 0,3 м.

Для повышения температурного потенциала теплоты при разрядке грунтового аккумулятора использовался те­пловой насос компрессорного типа с рабочим телом R22. Тепловой насос включает соединенные последовательно компрессор, воздушный конденсатор с принудительной вентиляцией, дроссель и испаритель в виде теплообмен­ника фреон-вода. Параллельно испарителю подключен дополнительный теплообменник фреон-воздух. Такая компоновка теплонасосного агрегата позволяет реализо­вать разные схемы отопления и летом осуществлять кон­диционирование с одновременной утилизацией конденсата хладагента.

1. Теплонасосное отопление с использованием низко­потенциальной теплоты грунтового аккумулятора.

Работа установки происходит следующим образом. Компрессор нагнетает пары фреона в воздушный конден­сатор, где они конденсируются при температуре около 35 °С. Теплота конденсации отводится циркулирующим через конденсатор воздухом и используется для воздушно­го отопления помещений. Сконденсировавшийся жидкий
фреон поступает через дроссель в испаритель и начинает кипеть, отбирая теплоту от воды, которая циркулирует по контуру испаритель — грунтовый теплообменник. Об­разовавшиеся в испарителе пары хладагента откачивают­ся компрессором и нагнетаются в конденсатор, после чего цикл повторяется.

Выбор оптимальных температурных режимов работы теплового насоса необходимо осуществлять с учетом соот­ношения технико-экономических показателей системы солнечный коллектор — грунтовый теплообменник, так как с повышением температуры грунтового аккумулято­ра эффективность теплового насоса увеличивается, а КПД подземного аккумулирования и КПД солнечного приемни­ка, наоборот, уменьшается.

2. Теплонасосное отопление с использованием теплоты окружающей среды.

При данном режиме работы теплонасосного агрегата параллельно основному испарителю включается в работу дополнительный теплообменник. Испарение хладагента осуществляется (частично или полностью) за счет теплоты окружающей среды. В остальном теплонасосный цикл ана­логичен предыдущему.

3. Летнее кондиционирование воздуха.

Переключение установки на режим кондиционирова­ния воздуха в летнее время осуществляется путем ревер­сирования циркуляции хладагента. При этом воздушный конденсатор работает в режиме испарителя, а теплообмен­ники — и как конденсаторы.

Работа кондиционера происходит следующим образом. Жидкий хладагент кипит в теплообменном аппарате и от­бирает теплоту от воздуха в помещении. Образовавшиеся при кипении пары хладагента нагнетаются компрессором в теплообменник и конденсируются. Теплота конденсации отводится водой в грунтовый аккумулятор (или рассеива­ется в окружающую среду).

Использование теплоты конденсации хладагента для зарядки сезонного теплового аккумулятора увеличивает эффективность установки и повышает надежность ее рабо­ты при неблагоприятных погодных условиях.

Анализ приведенных выше вариантов указывает, что для отопления, горячего водоснабжения и кондициониро­вания общежитий или небольших поселков наиболее эф­фективно применение установок с использованием грунто­вого теплообменника.