低温エネルギー源を使用する発電所。スキーム、説明

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低温エネルギー源を利用した発電所。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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垂直井戸の地中熱交換器は、ヒートポンプを使用した暖房や給湯システムの低温熱源として、ここ10～15年で広く使用されてきました。この環境に優しい熱源は、たとえばスイスで頻繁に使用されており、現在約 XNUMX 基のこのような設備が稼働しています。

アルタイ地域非伝統的エネルギーおよび省エネルギーセンターは、垂直型地中熱交換器とヒートポンプの相互影響に関する研究を実施しました。自動ヒートポンプユニットATNU-10（作動流体 - R22）は、ロシア国家科学技術プログラム「環境クリーンエネルギー」の枠組みの中でAK「INSOLAR」によって開発され、「ECOMASH」によって製造されたものです。企業（サラトフ）。このシステムには、深さ 100 m 以下の井戸内の垂直型地中熱交換器も含まれています (水文地質学的研究が示しているように、アルタイ地方の人口の 67% は、第一帯水層の深さがそれより浅い地域に住んでいます) 30メートル以上）。基礎土壌温度は 280 K と想定されており、これはアルタイ地方の条件における深さ 5 m 以上の平均温度推定値に相当します。

ATNU 型ヒートポンプの自動制御システムは、一次熱源からの熱流束、高温回路の入口温度によって決まる熱流束の一定値で最適な条件で動作するように設計されています。および高温回路の熱媒体の質量速度。必要な熱負荷が低下した場合は、設定温度に戻るまでヒートポンプをオフにする必要があります。地上熱交換器の出力が高温回路での熱損失をカバーするには不十分な場合は、ピーククローザーをオンにする必要があります。

結果は、土壌から抽出される熱エネルギーが熱交換器の作動長の対数に直線的に依存することを示しました。これらの条件（濾過速度10 m/日）下で、土壌から5〜6 kWの熱出力を得るには、必要な熱交換器の深さは50〜60 mになります。加熱回路内の最小流量は 0,3 kg/s (1 m*/h) である必要があります。体積が小さくなると、システム内で熱の蓄積が始まり、本格的な設備でのテストで示されているように、これはフレオンの温度と圧力の上昇、蒸発器の動作の悪化、およびフレオンの減少につながります。地中熱交換器での熱の除去。また、同時に高温回路の冷却液の温度は上昇しますが、発熱係数によって決まる回路全体の効率は低下します。

ヨーロッパでは、熱源としての土壌の利用に大きな関心が示されています。蒸発器の設計は、数百平方メートルの面積にわたって一定の深さに敷設された、直径約25 mmの蛇行した管の形で提案されています。資本コストを削減するために、チューブは可能な限り表面に近い位置に配置されます。

ヨーロッパで行われた熱源としての土壌の研究では、土壌から蒸発器への熱流量が 20 ～ 25 W/m、ヨーロッパの最小値は 10 W/m、最大値は 50 ～ 60 W/m であることが示されました。。

チューブの深さは1,5m、チューブの間隔は2mが最適ですが、相互影響により2mの限界が伸びる場合もあります。パイプはより浅い深さに配置できますが、蒸発器の温度が低下するごとにヒートポンプの性能が 5% 低下する可能性があります。

冷媒を直接蒸発させるオプションに加えて、中間熱媒体（地中のパイプを循環し、特別な熱交換器で冷媒に熱を放出するブライン）を使用することも可能です。冬の平均塩水温度は-3℃です。

土壌の含水率が高いと熱伝導率が高まり、チューブとの接触性が良くなるため性能が向上します。土壌中の砂利の濃度が高くなると、性能の低下を引き起こします。

デンマークでは、水平管ではなく垂直管を使用する可能性が検討されており、リバーシブルヒートポンプを使用する場合、夏には建物の暖房だけでなく冷房にも使用できます。

興味深い詳細も発見されました。最低地温は常に気温より高く、必要な暖房出力が減少する XNUMX か月後に最低地温に達します。

垂直チューブは占有スペースが少なく、夏の間に蓄えられた熱をある程度利用できるため、経済的利点が得られます。垂直 U 字管の研究では、大幅な熱回収の可能性が示されています。 150〜200 mのエリアから水平蒸発器を使用すると、12 kWの熱を得ることができます。直径 127 mm、深さ 8 m の井戸に U 字管を配置すると、わずか 12 つの井戸から 10 kW を得ることができました。このことから、U 字型チューブは水平型チューブと比較して、必要な土壌表面積が 20 ～ XNUMX 倍減少することがわかります。

国内のヒートポンプは海外のヒートポンプに比べて相対的に安価であるにもかかわらず、現在の企業の弱い財務状況を考慮すると、ヒートポンプの導入は一定の困難に直面しています。消費者にとって、この技術の大きな目新しさと珍しさが最後の役割を果たしているわけではありません。これらの問題は、海外ではヒートポンプ設置を導入する企業に数年間の特権を与えることで克服されました。ほとんどの西ヨーロッパ諸国では、ヒートポンプの使用から得られる収入に対する税金が軽減され、一部の国では直接財政補助金が支給されました。したがって、オーストリアでは、ヒートポンプを使用する企業に最大 100 万シリングの財政補助金が与えられ、90 年代初頭の FRG では、そのような企業は資本コストの最大 7,5% の税還付を受ける権利がありました (資本金に応じて)。 )、これはヒートポンプ設置費用の最大 20% の補助金に相当します。その結果、現在オーストリアでは 105 基の HPP が稼働しており、年間 116 トンの燃料油を節約しています。

地熱の利用に加えて、家庭用ヒートポンプ用途での使用にとって最も魅力的なのは、家の中に快適な状態を作り出すための「無料」熱源、つまり空気です。一般に入手可能であり、量産化において最も注目を集めている。水が利用できる場所では、空気に比べていくつかの利点があります。廃熱や太陽熱収集器の利用は積極的に検討されており、ヨーロッパとアメリカの両方で関心が寄せられています。

家庭での使用の初期から、熱源として空気を使用する最も広く使用されているヒートポンプ。基本的に、空気はヒートシンクでもあります。熱源としての空気には多くの欠点があるため、空気温度が大きく変化する可能性がある設置場所に応じて、設計を慎重に最適化する必要があります。

ヒートポンプの性能、特に COP は、蒸発器と凝縮器の間の温度差が大きくなるにつれて低下します。これは、空気源ヒートポンプに特に悪影響を及ぼします。周囲温度が低下すると、暖房に必要な熱量が増加しますが、一定の熱出力を維持するヒートポンプの能力は大幅に低下します。この欠点を克服するために、多くの場合、追加の加熱が適用されます。

英国およびほとんどのヨーロッパ諸国の状況では、あらゆる熱源を備えたヒートポンプのコストは、従来の中央ボイラーのコストよりも著しく高くなります。家庭の熱負荷に占めるヒートポンプの割合が大きければ大きいほど、投資の差は大きくなります。そのため、ヒートポンプは通常、年間熱負荷の一部のみについて計算され、残りは追加のヒーター（ほとんどの場合は電気）によって提供されます。（米国）および化石燃料（欧州）。どちらを選択するかは、資本コストと運営コストの比率によって決まります。ヒートポンプが夏場の空調も行う場合、そのサイズと電力はこの特定の用途によって決まる可能性があります。

周囲温度が氷点下に低下し、建物の熱損失がポンプの熱出力を超える場合は、追加の暖房が必要になります。システムの経済効率を高めるために、ヒートポンプが全負荷をカバーできない場合にのみ、追加のヒーター (この場合は電気) を組み込むことをお勧めします。

ヒートポンプのすべての熱源は多かれ少なかれ太陽エネルギーの影響を受けますが、熱媒体循環を備えた太陽熱収集器の助けを借りて直接使用することもでき、太陽集光器の助けを借りて蒸発器に入る空気を加熱します。ただし、太陽光集光器は吸収式ヒートポンプにより適しているようです。家庭ではまだほとんど使用されていませんが、重要な研究作業の対象となっています。吸収サイクルで発電機を加熱するには、従来の平板コレクターで達成できる温度よりも高い温度が必要です。ただし、空調に吸収サイクルを使用すると、平板コレクタからの加熱が可能になります。これは、ここの温度を低くする必要があるため、日射が強くコレクタの温度が高くなる夏に空冷が行われるためです。増えた。

ヒートポンプ用の他の熱源と合わせて、屋根上に設置される平板コレクターが広く使用されています。一般に、ソーラーコレクタは、ヒートポンプと併用するだけでなく、単独で使用したり、蓄熱器を備えた回路で使用したりするために集中的に研究されています。後者は、曇りの日や夜間の熱源としてヒートポンプにも興味深いものです。

太陽熱集熱器は、周囲の空気、地面、水よりも高い温度で蒸発器に熱を供給することで、ヒートポンプの COP を高めます。

通常、中間冷却材である水は、コレクターから蒸発器に熱を伝達します。しかし、コレクタと蒸発器の完全な組み合わせもあり得ます。その場合、冷媒はソーラーコレクタのチューブ内で直接蒸発します。

多くの場合、太陽熱集熱器からの熱は、蒸発管が浸漬されている液体蓄熱器に供給されます。蓄熱は、太陽熱ヒートポンプシステムにおいて重要な役割を果たします。たとえば、フィリップスの住宅では、太陽熱集熱器 (20m2) が年間 36 ～ 44 GJ の熱を収集し (平均効率 50%)、最高 40°C の温度で 3m95 のタンクに蓄えられます。

ミニマル・エネルギー・ハウス計画は、XNUMX つのヒートポンプを使用して提案されました。XNUMX つは温度の上昇とともに太陽熱集熱器からバッテリーに熱を伝達し、XNUMX つ目はバッテリーから暖房システムに、そして XNUMX つ目はバッテリーから温水システムに伝達します。

ソーラーコレクターは、地上コレクターと組み合わせて検討することもできます。太陽熱収集器の寸法は、住宅からの熱損失 3 kW あたり 2 m1 以上である必要があることが確立されています。面積 30 m3 の太陽熱集熱器と地上蒸発器の占有距離がわずか 100 m の場合、COP = 3,4 が達成されます。地上蒸発器のみを使用する場合、300 m の表面が必要となり、COP = 2,7 となります。

ただし、COP が増加したにもかかわらず、燃料の節約が設置、特に太陽熱集熱器のコストに見合わない可能性があります。この分野の他の研究では、6 kW の HPI の火力では、20 平方メートルの表面積が必要であることが示されています。

さらに、HPP は、ハウジング自体からの熱放出、たとえば、台所のコンロや台所からの排気ガス、一般的には廃水などを利用することができます。オランダでは、TN が家庭用食器乾燥機に適用されました。噴出する湿り空気の熱は、乾燥機に供給される乾燥空気の加熱に利用されます。乾燥機からの暖かく湿った空気は HP エバポレーターに入り、冷却されます。冷却されると湿気が抜け、空気が再循環に適した状態になります。蒸発器は、流出空気の顕熱と潜熱の両方を使用します。再循環空気は凝縮器を通過し、凝縮熱によって加熱されます。省エネ効果は約48%に達します。海外で広く使われているHPPの特徴は以下のとおりです。

タブ。 2.1.2. HP設置型「Carrier」（米国）の特徴 - シンプルな空対空可逆ヒートポンプ

低温エネルギー源を使用する発電所

タブ。 2.1.3. Lennox HP の特徴は、追加の加熱システムを不要にする加熱加熱システムと組み合わせたものです。

低温エネルギー源を使用する発電所

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