Термодинамическая эффективность теплонасосных схем низкотемпературного отопления с использованием солнечной энергии

Abstract

Рассмотрена принципиальная схема теплонасосной системы низкотемпературного отопления с использованием солнечной радиации как нижнего источника энергии. На основе анализа зависимости суммарных удельных затрат внешней энергии на тепловой насос и нагнетатель теплоносителя нижнего источника теплоты определены оптимальные условия работы теплонасосной установки с использованием плоских и вакуумных солнечных коллекторов. Анализ функции суммарных удельных затрат внешней энергии на теплонасосную систему отопления показал, что она имеет экстремум, которому соответствует минимум затрат энергии при оптимальной степени охлаждения теплоносителя нижнего источника теплоты в испарителе теплового насоса. Приведена графическая интерпретация зависимостей оптимальной степени охлаждения теплоносителя и минимальных удельных суммарных затрат внешней энергии на теплонасосную систему отопления в целом. Определено, что при использовании солнечной энергии для теплонасосной системы низкотемпературного отопления более целесообразно сочетать ее с вакуумными коллекторами, поскольку они позволяют повысить температуру соляного раствора на входе в испаритель теплового насоса и тем самым уменьшают затраты внешней энергии на систему отопления.

Розглянуто принципову схему теплонасосної системи низькотемпературного опалення з використанням сонячної радіації як нижнього джерела енергії. На основі аналізу залежності сумарних питомих затрат зовнішньої енергії на тепловий насос та нагнітач теплоносія нижнього джерела теплоти визначено оптимальні умови роботи теплонасосної установки з використанням плоских та вакуумних сонячних колекторів. Аналіз функції сумарних питомих затрат зовнішньої енергії на теплонасосну систему опалення показав, що вона має екстремум, якому відповідає мінімум затрат енергії при оптимальному ступені охолодження теплоносія нижнього джерела теплоти у випарнику теплового насоса. Наведено графічну інтерпретацію залежностей оптимального ступеня охолодження теплоносія та мінімальних питомих сумарних затрат зовнішньої енергії на теплонасосну систему опалення в цілому. Визначено, що при використанні сонячної енергії для теплонасосної системи низькотемпературного опалення більш доцільно поєднувати її з вакуумними колекторами, оскільки вони дають змогу підвищити температуру соляного розчину на вході до випарника теплового насоса та цим самим зменшують затрати зовнішньої енергії на систему опалення.

In this article principle scheme of low temperature heat pump heating system with solar energy as a low energy source is considered. Having analyzed total unit costs of external energy for heat pump and lower heat source agent blower, optimal conditions for a heat pump system using flat and vacuum solar collectors are defined. Analysis of the function of total unit costs of external energy for heat pump heating system showed that there is an extreme, which corresponds to minimum energy consumption at the optimum stage of cooling lower source heat agent in the evaporator of the heat pump. The graphic interpretation of optimal degree dependencies of agent’s cooling and minimum total unit costs of external energy for heat pump heating system as a whole is shown. It is determined that for the use of solar energy for heat pump low temperature heating system it is more useful to combine them with vacuum collectors, since they allow to increase the temperature of brine on heat pump evaporator inlet and thereby reduce the cost of external energy of a heating system.