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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Usinas de energia que usam fontes de energia de baixa temperatura. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa Os trocadores de calor do solo em poços verticais têm sido amplamente utilizados nos últimos 10 a 15 anos como fonte de calor de baixa temperatura para sistemas de aquecimento e abastecimento de água quente usando bombas de calor. Essa fonte de calor ecológica é usada com bastante frequência, por exemplo, na Suíça, onde cerca de quatro mil dessas instalações estão atualmente em operação. O Centro Regional de Altai para Energia Não-tradicional e Economia de Energia realizou pesquisas sobre a influência mútua de um trocador de calor vertical do solo e uma bomba de calor. A unidade de bomba de calor automatizada ATNU-10 (fluido de trabalho - R22) foi tomada como base, desenvolvida pela AK "INSOLAR" no âmbito do Programa Científico e Técnico do Estado da Rússia "Energia Ambientalmente Limpa" e fabricada pela "ECOMASH" empresa (Saratov). O sistema também inclui um trocador de calor vertical do solo em um poço com profundidade não superior a 100 m (como mostraram estudos hidrogeológicos, 67% da população do Território de Altai vive no território onde a profundidade do primeiro aquífero é menor superior a 30 metros). A temperatura base do solo é assumida em 280 K, o que corresponde à estimativa de temperatura média a uma profundidade de mais de 5 m para as condições do Território de Altai. O sistema de controle automatizado da bomba de calor do tipo ATNU é projetado de forma que funcione em condições ideais com um valor constante do fluxo de calor determinado pelo fluxo de calor da fonte de calor primária, a temperatura de entrada do circuito de alta temperatura e a velocidade de massa do transportador de calor do circuito de alta temperatura. Se a carga de calor necessária diminuir, a bomba de calor deve ser desligada até que a temperatura definida seja restaurada. Se a potência do trocador de calor do solo for insuficiente para cobrir as perdas de calor no circuito de alta temperatura, um pico mais próximo deve ser ligado. Os resultados mostraram que a energia térmica extraída do solo depende linearmente do logaritmo do comprimento de trabalho do trocador de calor. Nestas condições (taxa de filtração 10 m/dia), para obter 5-6 kW de potência térmica do solo, a profundidade necessária do trocador de calor será de 50-60 m. O caudal mínimo no circuito de aquecimento deve ser de 0,3 kg/s (1 m*/h). Em volumes menores, o acúmulo de calor começará no sistema e, como mostraram os testes em uma instalação em escala real, isso levará a um aumento na temperatura e pressão do freon, uma deterioração na operação do evaporador e uma diminuição no remoção de calor no trocador de calor do solo. E embora ao mesmo tempo a temperatura do refrigerante do circuito de alta temperatura aumente, a eficiência de todo o circuito, determinada pelo coeficiente de aquecimento, diminui. Grande interesse no uso do solo como fonte de calor é mostrado na Europa. O design do evaporador é proposto na forma de uma serpentina de tubos com diâmetro de cerca de 25 mm, dispostos a uma profundidade constante em uma área de várias centenas de metros quadrados. A fim de reduzir os custos de capital, os tubos estão localizados o mais próximo possível da superfície. O estudo do solo como fonte de calor realizado na Europa mostrou que o fluxo de calor do solo para o evaporador é de 20-25 W/m, o valor mínimo para a Europa é de 10 W/m, o máximo é de 50-60 W/m . A profundidade e o espaçamento ideais dos tubos são de 1,5 e 2 m, respectivamente, sendo que em alguns casos, por influência mútua, o limite de 2 m é estendido. Os tubos podem ser colocados a uma profundidade menor, mas o desempenho da bomba de calor pode ser reduzido em 5% para cada grau de queda de temperatura do evaporador. Além da opção de evaporar o refrigerante diretamente, é possível utilizar um transportador de calor intermediário - salmoura circulando por tubulações no solo e cedendo calor ao refrigerante em um trocador de calor especial. A temperatura média da salmoura no inverno é de -3°C. Se o teor de água do solo for alto, o desempenho aumenta devido ao aumento da condutividade térmica e ao bom contato com os tubos. Uma grande concentração de cascalho no solo causa deterioração no desempenho. Na Dinamarca, foi considerada a possibilidade de usar tubos não horizontais, mas verticais, que podem ser usados não apenas para aquecer, mas também para resfriar o edifício no verão, quando uma bomba de calor reversível é usada. Um detalhe interessante também foi descoberto. A temperatura mínima do solo é sempre superior à temperatura do ar e é alcançada dois meses depois, quando a potência de aquecimento necessária diminui. Os tubos verticais ocupam menos espaço e permitem algum aproveitamento do calor armazenado durante os meses de verão, o que lhes confere uma vantagem económica. Estudos de tubos em U verticais mostraram a possibilidade de recuperação significativa de calor. Um evaporador horizontal de uma área de 150-200 m permite obter 12 kW de calor. Tubos em U colocados em poços de 127 mm de diâmetro e 8 m de profundidade permitiram obter 12 kW de apenas dois poços. Pode-se ver que os tubos em forma de U reduzem a superfície necessária do solo em 10 a 20 vezes em comparação com os horizontais. Apesar do baixo custo relativo das bombas de calor domésticas em comparação com as estrangeiras, dada a atual situação financeira fraca das empresas, a introdução de bombas de calor encontra certas dificuldades. Não é o último papel desempenhado pela grande novidade e incomum dessa técnica para nossos consumidores. Estes problemas foram ultrapassados no estrangeiro através da concessão de privilégios durante vários anos a empresas que implementassem instalações de bombas de calor. Na maioria dos países da Europa Ocidental, a renda gerada pelo uso de bombas de calor foi tributada menos e, em alguns países, foram concedidos subsídios financeiros diretos. Assim, na Áustria, as empresas que utilizam bombas de calor recebiam um subsídio financeiro de até 100 mil xelins e, na RFA, no início dos anos 90, essas empresas tinham direito a um desconto fiscal de até 7,5% dos custos de capital (sujeito à sua capitalização ), o que equivale a um subsídio financeiro até 20% do custo das instalações de bombas de calor. Como resultado, 105 UHEs estão operando atualmente na Áustria, economizando 116 toneladas de óleo combustível anualmente. Além do uso do calor do solo, o mais atraente para uso em aplicações de bombas de calor domésticas é a fonte de calor "gratuita" para criar condições confortáveis dentro da casa - o ar. Está disponível publicamente e atraiu mais atenção na produção em massa. Onde a água está disponível, ela tem várias vantagens sobre o ar. O uso de calor residual ou coletores solares está sendo explorado ativamente, o que desperta interesse tanto na Europa quanto na América. As bombas de calor mais utilizadas com ar como fonte de calor desde o início da sua utilização em casa. Basicamente, o ar também é um dissipador de calor. Como fonte de calor, o ar tem uma série de desvantagens, portanto, é necessária uma otimização cuidadosa do projeto, dependendo do local de instalação, onde a temperatura do ar pode variar significativamente. O desempenho da bomba de calor, e especialmente o COP, diminui à medida que a diferença de temperatura entre o evaporador e o condensador aumenta. Isto tem um efeito particularmente desfavorável nas bombas de calor de fonte de ar. À medida que a temperatura ambiente cai, a quantidade de calor necessária para o aquecimento aumenta, mas a capacidade da bomba de calor de manter uma saída de calor constante é significativamente reduzida. Para superar essa deficiência, geralmente é aplicado aquecimento adicional. Para as condições da Inglaterra e da maioria dos países europeus, o custo de uma bomba de calor com qualquer fonte de calor é visivelmente maior do que o de uma caldeira central convencional. Quanto maior a participação da bomba de calor na carga de calor doméstico, maior a diferença no investimento; portanto, as bombas de calor geralmente são calculadas para apenas uma parte da carga de calor anual e o restante é fornecido por um aquecedor adicional, geralmente elétrico (nos EUA) e combustível fóssil (na Europa). A escolha entre eles é determinada pela proporção de capital e custos operacionais. Se uma bomba de calor também fornecer ar condicionado no verão, seu tamanho e potência podem ser ditados por essa aplicação específica. O aquecimento adicional é necessário quando a temperatura ambiente cai abaixo de zero e a perda de calor do edifício excede a saída de calor da bomba. De modo a aumentar a eficiência económica do sistema, recomenda-se a inclusão de um aquecedor adicional, neste caso elétrico, apenas quando a bomba de calor não consegue cobrir a carga total. Todas as fontes de calor para bombas de calor são mais ou menos afetadas pela energia solar, mas também podem ser usadas diretamente com a ajuda de coletores solares com circulação de calor, aquecendo o ar que entra no evaporador com a ajuda de concentradores solares. Embora os concentradores solares pareçam ser mais adequados para bombas de calor de absorção. Eles ainda são pouco utilizados em casa, mas são objeto de um trabalho de pesquisa significativo. Para aquecer um gerador em um ciclo de absorção, são necessárias temperaturas mais altas do que as alcançadas com os coletores de placa plana convencionais. No entanto, a utilização de um ciclo de absorção para ar condicionado permite o aquecimento a partir de coletores de placa plana, pois a temperatura aqui deve ser menor e, portanto, o resfriamento do ar é feito no verão, justamente quando a radiação solar é intensa e a temperatura do coletor é aumentou. Juntamente com outras fontes de calor para bombas de calor, os coletores de placa plana colocados nos telhados são amplamente utilizados. Em geral, os coletores solares são intensamente estudados para uso não apenas com bombas de calor, mas também de forma independente, bem como em circuitos com acumuladores de calor. Estes últimos também são interessantes para bombas de calor como fonte de calor em dias nublados ou à noite. Ao fornecer calor ao evaporador a uma temperatura superior à do ar ambiente, solo ou água, os coletores solares aumentam o COP da bomba de calor. Normalmente, o refrigerante intermediário - a água transfere calor do coletor para o evaporador. Mas pode haver uma combinação completa do coletor com o evaporador, onde o refrigerante evapora diretamente dentro dos tubos do coletor solar. Freqüentemente, o calor do coletor solar é alimentado em um armazenamento de calor líquido onde os tubos do evaporador estão imersos. O armazenamento de calor desempenha um papel essencial em qualquer sistema de bomba de calor solar. Em uma casa Phillips, por exemplo, um coletor solar (20m2) coleta 36-44 GJ de calor por ano (com uma eficiência média de 50%) armazenado em um tanque de 40m3 em temperaturas de até 95°C. Foi proposto um esquema de casa de energia mínima usando três bombas de calor: uma para transferir calor com temperatura crescente do coletor solar para a bateria, a segunda da bateria para o sistema de aquecimento e a terceira da bateria para o sistema de água quente. Coletores solares também são considerados em combinação com coletores de solo. Foi estabelecido que as dimensões do coletor solar devem ser superiores a 3 m2 por 1 kW de perda de calor da residência. Com um coletor solar com área de 30 m3 com evaporador de solo ocupando apenas 100 m, consegue-se COP = 3,4. Se apenas um evaporador de solo for usado, então uma superfície de 300 m é necessária, e isso resulta em um COP = 2,7. Porém, pode ser que apesar do aumento do COP, a economia de combustível não justifique o custo da instalação, principalmente do coletor solar. Outros trabalhos nesta área mostram que com uma potência térmica de HPI de 6 kW, é necessária uma superfície de 20m2. Além disso, o HPP pode utilizar descargas de calor da própria habitação, por exemplo, gases de exaustão de fogões de cozinha ou da cozinha em geral, águas residuais. Na Holanda, o TN foi aplicado a um secador de louça doméstico. O calor do ar úmido ejetado é usado para aquecer o ar seco fornecido ao secador. O ar quente e úmido do secador passa para o evaporador HP e é resfriado. Quando resfriado, a umidade cai e o ar se torna adequado para recirculação. O evaporador usa o calor sensível e latente do ar que sai. O ar recirculado passa pelo condensador e é aquecido pelo calor da condensação. A poupança energética atinge cerca de 48%. A seguir estão algumas características dos HPPs que são amplamente utilizados no exterior. Aba. 2.1.2. Características da instalação HP "Carrier" (EUA) - uma bomba de calor ar-ar reversível simples
Aba. 2.1.3. Características do Lennox HP, combinadas com um sistema de aquecimento a fogo, que elimina o sistema de aquecimento adicional
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