Тепловой насос и солнечная панель: эксергетический метод термодинамического анализа

Эксергетический анализ проектируемой системы необходим для определения степени ее термодинамического совершенства. С целью оценки эффективности технологического процесса на примере повышения КПД установки на экспериментальном стенде теплового насоса, предназначенном для исследования процесса отбора тепла с тыльной поверхности солнечной панели, и преобразовании ее в полезную произведен анализ двух методов: подбор холодильного агента и анализ внешних источников. Анализ методов позволил сравнить эксергетический КПД модернизированной установки, включающей в себя тепловой насос и солнечную панель в качестве дополнительного низкопотенциального источника теплоты с лабораторной установкой теплового насоса до модернизации. Произведены эксергетический расчет, подбор жидкости, анализ внешних источников. Выявлено, что наиболее эффективным методом оценки эксергетического КПД новых технических решений является метод анализа источников внешних источников. Расчетами установлено, что энергоэффективная схема работы теплового насоса совместно с солнечной панелью приводит к наивысшему коэффициенту полезного действия, равному 23,4%. Однако данное значение достигается при большом количестве солнечного света, температуре воздуха порядка 25 ℃ и перпендикулярном падении солнечных лучей на панель. Эксергия электроэнергии, потребляемой электродвигателем, по сравнению с тепловым насосом до модернизации снижена на 8,92 кДж/кг, а эксергетический КПД модернизированной установки вырос на 7,5%, что доказывает эффективность перенаправления электрической энергии на питание компрессора. Установка солнечной панели и теплового насоса приведет к улучшению экологической ситуации и экономии денежных средств в связи с отсутствием затрат на топливо.

1. Шоронов Д.В. Модернизация индивидуальных тепловых пунктов // Международный студенческий научный вестник. 2020. № 3. С. 15. EDN: YFDJVA

2. Solomin E., Salah Z., Osintsev K., Aliukov S., Kuskarbekova S., Konchakov V., Olinichenko A., Karelin A., Tarasova T. Ecological hydrogen production and water sterilization: an innovative approach to the trigeneration of renewable energy sources for water desalination: A Review. Energies. 2023;16(17):6118. https://doi.org/10.3390/en16176118

3. Osintsev K., Aliukov S., Kovalev A., Bolkov Ya., Kuskarbekova S.I., Olinichenko A. Scientific approaches to solving the problem of joint processes of bubble boiling of refrigerant and its movement in a heat pump heat exchanger. Energies. 2023;16(11):4405. https://doi.org/10.3390/en16114405

4. Möller S., Kaucic D., Sattler C. Hydrogen production by solar reforming of natural gas: A comparison study of two possible process configurations. Journal of Solar Energy Engineering. 2006;128(1):16 23. https://doi.org/10.1115/1.2164447

5. Spath P.L., Amos W.A. Using a concentrating solar reactor to produce hydrogen and carbon black via thermal decomposition of natural gas: Feasibility and economics. Journal of Solar Energy Engineering. 2003;125(2):159 164. https://doi.org/10.1115/1.1565083

6. Ильина Т.Н., Саввин Н.Ю., Орлов П.А., Уваров В.А. Тепловые насосы с испарителями различных конструкций // Вестник Евразийской науки. 2023. Т. 15, № 5. EDN: SRCVAS https://esj.today/PDF/06SAVN523.pdf

7. Лунева С.К., Чистович А.С., Эмиров И.Х. К вопросу применения тепловых насосов // Технико-технологические проблемы сервиса. 2013. № 4 (26). С. 45-52. EDN: RNIWSL

8. Полякова В.Ю., Калинина Т.О., Кичин К.В. Анализ энергоэффективности тепловых насосов в системах теплоснабжения по территориально-климатическому признаку // Молодой ученый. 2016. № 27 (131). С. 142-146. EDN: XEODXH

9. Graf D., Monnerie N., Roeb M., Schmitz M., Sattler C. Economic comparison of solar hydrogen generation by means of thermochemical cycles and electrolysis. International Journal of Hydrogen Energy. 2008;33(17):4511 4519. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.05.086

10. Объедкова О.И., Кондратов И.С., Семиненко А.С. Эффективность применения тепловых насосов // Современные наукоемкие технологии. 2013. № 8 1. С. 43 44. EDN: QYYPPP

11. Osintsev K., Aliukov S., Kuskarbekova S., Tarasova T., Karelin A., Konchakov V., Kornyakova O. Increasing thermal efficiency: Methods, case studies, and integration of heat exchangers with renewable energy sources and heat pumps for desalination. Energies. 2023;16(13):4930. https://doi.org/10.3390/en16134930