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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Centrales eléctricas que utilizan fuentes de energía de baja temperatura. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía En los últimos 10 a 15 años, los intercambiadores de calor terrestres en pozos verticales se han utilizado ampliamente como fuente de calor de baja temperatura para sistemas de calefacción y suministro de agua caliente mediante bombas de calor. Esta fuente de calor respetuosa con el medio ambiente se utiliza con bastante frecuencia, por ejemplo, en Suiza, donde actualmente están en funcionamiento unas cuatro mil instalaciones de este tipo. El Centro Regional de Altai para la Energía No Tradicional y el Ahorro de Energía realizó una investigación sobre la influencia mutua de un intercambiador de calor vertical de suelo y una bomba de calor. La base fue la instalación automatizada de bomba de calor ATNU-10 (fluido de trabajo - R22), desarrollada por AK "INSOLAR" en el marco del Programa Científico y Técnico Estatal Ruso "Energía Ambientalmente Limpia" y producida por la empresa EKOMASH (Saratov). El sistema también incluye un intercambiador de calor de suelo vertical en un pozo de no más de 100 m de profundidad (como han demostrado los estudios hidrogeológicos, el 67% de la población del territorio de Altai vive en una zona donde la profundidad del primer acuífero es inferior a 30 m). ). La temperatura base del suelo se considera 280 K, lo que corresponde a la estimación promedio de temperaturas a una profundidad de más de 5 m para las condiciones del territorio de Altai. El sistema de control automatizado de la bomba de calor tipo ATNU está diseñado para funcionar en condiciones óptimas con un valor de flujo de calor constante determinado por el flujo de calor de la fuente de calor primaria, la temperatura de entrada del circuito de alta temperatura y la velocidad másica de el refrigerante del circuito de alta temperatura. Cuando la carga de calor requerida disminuye, la bomba de calor debe apagarse hasta que se restablezca la temperatura establecida. Si la potencia del intercambiador de calor de tierra es insuficiente para cubrir las pérdidas de calor en el circuito de alta temperatura, se debe encender la bobina de pico. Los resultados mostraron que la energía térmica extraída del suelo depende linealmente del logaritmo de la longitud de trabajo del intercambiador de calor. En estas condiciones (velocidad de filtración 10 m/día), para obtener 5-6 kW de potencia térmica del suelo, la profundidad requerida del intercambiador de calor será de 50-60 m. Las características de diseño del ATNU requieren ciertas condiciones para la flujo de refrigerante en el circuito de alta temperatura. El caudal mínimo de refrigerante en el circuito de calefacción debe ser de 0,3 kg/s (1 m*/h). Con volúmenes más pequeños, comenzará la acumulación de calor en el sistema y, como han demostrado las pruebas en una instalación a gran escala, esto conducirá a un aumento de la temperatura y presión del refrigerante, un deterioro del funcionamiento del evaporador y una disminución. en la eliminación de calor en el intercambiador de calor del suelo. Y aunque aumenta la temperatura del refrigerante del circuito de alta temperatura, disminuye la eficiencia de todo el circuito, determinada por el coeficiente de calentamiento. En Europa existe un gran interés en utilizar el suelo como fuente de calor. El diseño del evaporador se propone en forma de una serpentina de tubos con un diámetro de aproximadamente 25 mm, colocados a una profundidad constante sobre un área de varios cientos de metros cuadrados. Para reducir los costes de capital, los tubos se ubican lo más cerca posible de la superficie. Un estudio del suelo como fuente de calor realizado en Europa mostró que el flujo de calor del suelo al evaporador es de 20-25 W/m, el valor mínimo para Europa es de 10 W/m, el máximo es de 50-60 W/m. metro. La profundidad y separación óptimas de los tubos son 1,5 y 2 m, respectivamente, en algunos casos, por influencia mutua, se amplía el límite de 2 m. Los tubos se pueden colocar a menor profundidad, pero el rendimiento de la bomba de calor puede disminuir un 5% por cada grado que baje la temperatura del evaporador. Además de la opción de evaporar el refrigerante directamente, se puede utilizar un refrigerante intermedio: salmuera, que circula a través de tubos en el suelo y transfiere calor al refrigerante en un intercambiador de calor especial. La temperatura media de la salmuera en invierno es de -3°C. Si el contenido de agua en el suelo es alto, el rendimiento aumenta debido a una mayor conductividad térmica y un buen contacto con los tubos. Una alta concentración de grava en el suelo provoca un deterioro de las características. En Dinamarca se ha considerado la posibilidad de utilizar tubos verticales, no horizontales, que pueden utilizarse no sólo para calentar, sino también para enfriar un edificio en verano, cuando se utiliza una bomba de calor reversible. También se descubrió un detalle interesante. La temperatura mínima del suelo es siempre superior a la temperatura del aire y se alcanza dos meses más tarde, cuando disminuye la potencia calorífica necesaria. Los tubos verticales ocupan menos espacio y permiten cierto aprovechamiento del calor almacenado durante los meses de verano, lo que les confiere ventajas económicas. Los estudios de tubos en U verticales han demostrado que tienen potencial para una importante recuperación de calor. Un evaporador horizontal con una superficie de 150-200 m12 permite obtener 127 kW de calor. Los tubos en forma de U colocados en pozos con un diámetro de 8 mm y una profundidad de 12 m permitieron obtener 10 kW de solo dos pozos. De esto se puede ver que los tubos en forma de U reducen la superficie requerida del suelo entre 20 y XNUMX veces en comparación con los horizontales. A pesar de que las bombas de calor nacionales son relativamente baratas en comparación con las extranjeras, dada la débil situación financiera actual de las empresas, la introducción de bombas de calor tropieza con ciertas dificultades. La gran novedad y el desconocimiento de esta tecnología para nuestros consumidores desempeñan un papel importante. Estos problemas se superaron en el extranjero ofreciendo beneficios durante varios años a las empresas que introdujeran unidades de bomba de calor. En la mayoría de los países de Europa occidental, se estableció un impuesto más bajo sobre los beneficios obtenidos por el uso de bombas de calor y, en algunos países, se otorgaron subvenciones financieras directas. Así, en Austria se establecieron subvenciones financieras de hasta 100 chelines para las empresas que utilizaban bombas de calor, y en Alemania, a principios de los años 90, se concedió a dichas empresas el derecho a un descuento fiscal de hasta el 7,5% de los costes de capital (sujeto a su capitalización), lo que equivale a una subvención financiera de hasta el 20% de los costes de las instalaciones de bombas de calor. Gracias a ello, actualmente en Austria funcionan 105 surtidores de combustible, lo que supone un ahorro anual de 116 toneladas de fueloil. Además del uso del calor subterráneo, la fuente más atractiva para el uso de bombas de calor en aplicaciones domésticas es la fuente de calor "gratuita" para crear condiciones confortables dentro del hogar: el aire. Está disponible públicamente y ha recibido la mayor atención en la producción en masa. Cuando hay agua disponible, tiene varias ventajas sobre el aire. Se está explorando activamente el uso del calor residual o de los colectores solares, y existe interés tanto en Europa como en América. Las bombas de calor con aire como fuente de calor se han convertido en las más extendidas desde el inicio de su uso en el hogar. Básicamente, el aire también es un disipador de calor. Como fuente de calor, el aire tiene una serie de desventajas, por lo que se requiere una cuidadosa optimización del diseño dependiendo del lugar de instalación, donde la temperatura del aire puede variar significativamente. El rendimiento de la bomba de calor y especialmente del COP disminuye a medida que aumenta la diferencia de temperatura entre el evaporador y el condensador. Esto tiene un efecto particularmente adverso en las bombas de calor aerotérmicas. A medida que disminuye la temperatura ambiente, aumenta la cantidad de calor necesaria para la calefacción, pero la capacidad de la bomba de calor para mantener una potencia de calefacción incluso constante disminuye significativamente. Para superar esta desventaja, a menudo se utiliza calefacción adicional. Para las condiciones de Inglaterra y la mayoría de los países europeos, el coste de una bomba de calor con cualquier fuente de calor es notablemente mayor que el de una sala de calderas central convencional. Cuanto mayor sea la proporción de la bomba de calor en la carga de calor de una casa, mayor será la diferencia en la inversión de capital, por lo que las bombas de calor generalmente están diseñadas para solo una parte de la carga de calor anual, y el resto lo proporciona un calentador adicional, generalmente eléctrico. (en EE.UU.) y combustibles fósiles (en Europa). La elección entre ellos está determinada por la relación entre capital y costos operativos. Si la bomba de calor también proporciona aire acondicionado en verano, su tamaño y potencia pueden depender de esta aplicación en particular. Se requiere calefacción adicional cuando la temperatura ambiente desciende por debajo de cero y la pérdida de calor del edificio excede la producción de calor de la bomba. Para aumentar la eficiencia económica del sistema, se recomienda la inclusión de un calentador adicional, en este caso eléctrico, sólo cuando la bomba de calor no pueda cubrir toda la carga. Todas las fuentes de calor para bombas de calor están en un grado u otro expuestas a la influencia de la energía solar, pero también se pueden utilizar directamente mediante colectores solares con circulación de refrigerante, calentando el aire que ingresa al evaporador mediante concentradores solares. Aunque los concentradores solares parecen ser más adecuados que las bombas de calor de absorción. Todavía se utilizan poco en casa, pero son objeto de un considerable trabajo de investigación. Para precalentar el generador en el ciclo de absorción, se requieren temperaturas más altas que las que se pueden alcanzar con los colectores de placa plana convencionales. Sin embargo, el uso de un ciclo de absorción para la climatización permite calentar a partir de colectores planos, ya que aquí la temperatura debe ser menor y por ello el enfriamiento del aire se realiza en verano, justo cuando la radiación solar es intensa y la temperatura del colector aumenta. Junto con otras fuentes de calor, los colectores planos colocados en los tejados se utilizan ampliamente para las bombas de calor. En general, se está estudiando intensamente el uso de colectores solares no sólo con bombas de calor, sino también de forma independiente, así como en circuitos con acumuladores de calor. Estos últimos también son interesantes para las bombas de calor como fuente de calor en días nublados o por la noche. Al suministrar calor al evaporador a una temperatura superior a la del aire, el suelo o el agua circundante, los colectores solares aumentan el COP de la bomba de calor. Normalmente, el refrigerante intermedio, el agua, transfiere calor del colector al evaporador. Pero también puede haber una combinación completa de colector y evaporador, donde el refrigerante se evapora directamente dentro de los tubos del colector solar. A menudo, el calor del colector solar se suministra a un acumulador térmico líquido, donde se sumergen los tubos del evaporador. El almacenamiento térmico juega un papel esencial en cualquier sistema de bomba de calor solar. En una casa Phillips, por ejemplo, un colector solar (20 m2) recoge entre 36 y 44 GJ de calor al año (con una eficiencia media del 50%), almacenado en un tanque de 40 m3 a temperaturas de hasta 95°C. Se propuso un diseño para una casa con un consumo mínimo de energía, utilizando tres bombas de calor: una para transferir calor con temperatura creciente desde el colector solar a la batería, la segunda de la batería al sistema de calefacción y la tercera de la batería al sistema de calefacción. sistema de suministro de agua caliente. También se consideran los colectores solares en combinación con los terrestres. Se ha establecido que las dimensiones del colector solar deben ser superiores a 3 m2 por 1 kW de pérdida de calor de la vivienda. Con un colector solar de una superficie de 30 m3 con un evaporador terrestre que ocupa sólo 100 m se consigue COP = 3,4. Si se utiliza sólo un evaporador terrestre, entonces se requiere una superficie de 300 m, lo que da como resultado COP = 2,7. Sin embargo, puede resultar que a pesar del aumento del COP, el ahorro de combustible no cubra el coste de la instalación, especialmente del colector solar. Otros trabajos en este ámbito muestran que con una unidad de potencia térmica de 6 kW se necesita una superficie de 20 m2. Además, las centrales hidroeléctricas pueden utilizar descargas térmicas de la propia vivienda, por ejemplo, gases de escape de las cocinas o de la cocina en general, aguas residuales. En Holanda, el TN se utilizaba para secar platos caseros. El calor del aire húmedo expulsado se utiliza para calentar el aire seco suministrado a la secadora. El aire cálido y húmedo de la secadora pasa al evaporador HP y se enfría. Cuando se enfría, la humedad sale y el aire se vuelve apto para la recirculación. El evaporador utiliza calor sensible y latente del aire de escape. El aire recirculado pasa a través del condensador y se calienta por el calor de condensación. El ahorro de energía alcanza alrededor del 48%. Las siguientes son algunas características de los HPI que se utilizan ampliamente en el extranjero. Mesa 2.1.2. Características de la unidad Carrier HP (EE. UU.): una sencilla bomba de calor aire-aire reversible
Mesa 2.1.3. Las características de Lennox HP se combinan con un sistema de calefacción contra incendios, que elimina el sistema de calefacción adicional.
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