Использование низкопотенциального тепла из получение тепловой энергии из альтернативных источников - перспективное направление современной энергетики. Использование тепловых насосов в мире неуклонно растет, как и области применения тепловых насосов.
В этой статье мы рассмотрим общие тенденции в мире и практику применения в отдельных странах. Периодически информация будет обновляться.
Статистика использования тепловых насосов в мире
Теплонасосные технологии известны более 150 лет, но широкое распространение они получили только в последние десятилетия. Основными предпосылками для этого являются:
- Перспективность возобновляемых источников энергии
- Повышение стоимости традиционных теплоносителей
- Борьба с загрязнением окружающей среды
- Повышение эффективности тепловых насосов
- Отсутствие негативного воздействия на окружающую среду
Для индивидуального использования наибольшей популярностью пользуются воздушные тепловые насосы благодаря низкой стоимости. Но в промышленных условиях широко распространены геотермальные тепловые насосы.
В странах, окруженных морями, для централизованного отопления создают теплонасосные станции мощностью в десятки и сотни киловатт.
Статистика производства тепловых насосов типа грунт-вода и воздух-вода за последние 8 лет.
Из графика выше видно, что уровень продаж тепловых насосов неуклонно растет. По объемам производства установок лидируют США и Китай. Первые - благодаря качеству продукции, вторые - из-за низкой стоимости.
Типы тепловых насосов и их популярность
Есть три основных типа теплонасосных установок:
- Воздушные;
- Водяные;
- Геотермальные (грунтовые).
Воздушные
Эти тепловые насосы популярны ввиду низкой стоимости, но их зависит от температуры воздуха снаружи здания. Установки типа воздух-воздух используются для отопления помещений, а воздух-вода - для отопления и/или ГВС .
Низкая стоимость привела к их широкому применению в жилых домах, владельцы которых редко рассчитывают на долгосрочную перспективу. Они часто используются как вспомогательный источник тепла.
Водяные
Тепловые насосы типа вода-вода или вода-воздух нагревают, соответственно, воду или воздух. Они более эффективны чем воздушные, но для их установки нужен водоем. Стоимость монтажа при этом существенно выше, чем воздушного, но ниже чем геотермального теплового насоса.
В основном используются водяные теплонасосы большой мощности, которые устанавливаются в морях и обеспечивают теплом прибрежные регионы. Реже их устанавливают владельцы частного жилья, многокваритных и промышленных зданий.
Геотермальные (грунтовые)
Монтаж таких установок наиболее дорогой из-за необходимости укладки геотермального поля или бурения скважин. Основною их плюс - устанавливать геотермальный насос можно практически в любой местности.
Высокий позволяет использовать низкопотенциальное тепло земли для отопления строений любого типа. Но высокая стоимость приводит к тому, что их чаще устанавливают владельцы жилья большой площади, либо промышленных и производственных зданий.
Укладка геотермального поля существенно удорожает стоимость монтажа геотермального теплового насоса.
Особенности использования тепловых насосов в разных странах
Во всем мире реализуются различные программы для поддержки производителей и внедрения теплонасосных технологий.
Госпрограмма в США
В Соединенных Штатах правительство обязало строительные компании устанавливать тепловые насосы в каждой новостройке. Благодаря этому в стране выпускается более 1 млн. установок ежегодно.
На 2017 год более 10% жилых зданий обеспечены тепловыми насосами. Для повышения их энергоэффективности, активно устанавливаются , которые позволяют снизить потребление электроэнергии на 25%.
Тепловые насосы в Норвегии
В этой стране 98% энергопотребления обеспечивается возобновляемыми источниками энергии. Поэтому около 80% домов отапливаются электричеством.
Из всех продающихся в Норвегии отопительных приборов и установок, 90% - воздушные тепловые насосы. Их доля на энергетическом рынке постоянно растет.
Государство субсидирует покупателей воздушных тепловых насосов (за исключением типа воздух-воздух), что позволяет жителям страны сэкономить до 20% стоимости.
Опыт Германии
Немцы традиционно отдают предпочтение индивидуальным источникам тепла, поэтому тепловые насосы здесь популярны. В разных регионах страны действуют программы по поддержанию альтернативной энергетики.
Популярностью среди владельцев жилых домов пользуются тепловые насосы с принципом работы воздух-вода, а владельцы многоквартирных, производственных зданий и коммерческой недвижимости пользуются геотермальными.
Тепло из моря в Швеции
Температура Балтийского моря на небольшой глубине не опускается ниже +2 градусов, поэтому в стране действуют несколько крупных тепловых станций. Сама большая мощностью более 300 МВт тепловой энергии обеспечивает отоплением дома Стокгольма. В частных домах, удаленных от побережья, популярные воздушные тепловые насосы.
В Швеции ранее действовала программа субсидий, позволившая снизить энергопотребление страны для отопления более чем наполовину. Сейчас она неактуальна, так как 95% жилых зданий отапливается тепловыми насосами.
Тепловой насос вода-вода в Швеции, мощностью 5,7 МВт.
Франция
В стране существует налоговый кредит для таких типов тепловых насосов:
- Геотермальные - 40%
- Воздушные - 25%
- Низкой мощности для ГВС - 40%
Также установлен минимальный коэффициент энергоэффективности COP геотермальных установок >3,4. Кроме этого существуют минимальные нормы производительности воздушных теплонасосов в зависимости от температуры воздуха.
Во Франции существуют отдельные программы от различных организаций, местные и региональные системы поощрения, субсидии и дотации.
Использование тепловых насосов в Японии
После катастрофы на АЭС Фукусима-1 правительство поддерживает развитие и использование альтернативных источников тепловой энергии. В стране действуют программы субсидирования и дотаций.
Самыми популярными являются тепловые насосы типа воздух-вода. Из-за того, что японцы традиционно нагревают воду ночью, когда тариф на электроэнергию ниже дневного, энергоэффективность установок повышается.
Перспективы применения тепловых насосов в мире
Снижение цен на нефть повлияло на другие теплоносители, поэтому спрос на тепловые насосы снизился. Тем не менее, он растет, что стимулирует производство. Во многом это зависит от того, что такие установки можно устанавливать без подключения инфраструктуры, за исключением электросети.
Использование альтернативных источников энергии в комплексе с тепловым насосом позволяет увеличить его КПД. Например, для его работы можно получать электроэнергию от солнечных батарей и ветрогенераторов, а для предварительного подогрева воды использовать солнечные вакуумные или плоские коллекторы.
По прогнозам специалистов, рынок тепловых насосов в ближайшие годы будет расти, несмотря на активную разработку новых месторождений ископаемого топлива. Как результат - будет повышаться конкуренция, что приведет к снижению стоимости оборудованя.
Во многих странах второго и третьего мира внедряются государственные программы, которые стимулируют область применения альтернативной энергетики. В итоге это приведет к широкому распространению и увеличению объемов продаж теплонасосных установок.
Тепловой насос был изобретен лордом Кельвином в 1852 году. Принципиально он имеет много общего с холодильником. Работа этих машин основывается на одних и тех же законах термодинамики. Если функцией холодильника является создание низкой отрицательной температуры и замораживание продуктов, то лорд Кельвин использовал его противоположным образом. Теплообменник, с которого сбрасывается тепло, был использован для нагрева жилого помещения. Морозильную камеру - теплообменник-испаритель - изобретатель разместил за наружной стеной дома. Машина продолжала работать в том же режиме, но теперь ее функцией стало повышение температуры и отопление, а не охлаждение помещения.
Любая промышленная деятельность, любой технологический процесс предполагает в конечном итоге превращение энергии, сконцентрированной в энергоносителях, в рассеянное тепло.
Это происходит практически при любых производственных циклах, за исключением получения некоторых химических веществ, где тепло расходуется на образование химических связей. Используя нефть, газ, уголь и дрова, в большинстве случаев, кроме продукции и отходов, мы получаем также нагретые до какой-то степени воздух и воду. Это низкотемпературное рассеянное тепло именуется множеством вторичных источников тепла. Их запасы огромны, а в количественном выражении их величина равна затраченной производством энергии.
Вся проблема заключается в том, что производству нужны большие температуры. Для концентрации энергии нужно затратить значительно большее ее количество.
Тепловой насос позволяет концентрировать низкотемпературное тепло для дальнейшего его использования при гораздо меньших первичных затратах энергии. Основная его характеристика - коэффициент теплопроизводительности - это отношение затраченной энергии к полученной. На каждый киловатт электрической мощности компрессора, насос, в зависимости от условий, может произвести от 1 до 10 киловатт тепла.
Закон сохранения энергии при этом не нарушается. Термин "произвести" несколько некорректен и не отражает сути происходящего. Тепловой насос не производит, а перекачивает тепло. Ситуация сходна с добычей угля или нефти, когда затраты энергии меньше, чем процент ее содержания в топливе.
По вышеописанной причине эти две машины стоят особняком в мире техники - они не имеют КПД. Вместо этого показателя у холодильника - коэффициент холодопроизводительности, у теплового насоса - теплопроизводительность. Оба они рассчитываются по той же формуле, что и КПД.
Использование теплового насоса возможно только в небольшом интервале температур. Нижний предел ограничен температурой источника вторичного тепла. В случае использования в этом качестве воды предел составляет 0° С, воздуха - -50° С. Ниже этих значений на теплообменнике начинает нарастать лед. Имея низкий коэффициент передачи тепла, он снижает теплопроизводительность. Расход электроэнергии начинает превышать количество полученного тепла. При таких условиях обычный электрообогреватель становится эффективнее теплового насоса.
Этих неприятных моментов стараются избежать, увеличивая рабочую площадь теплообменника. Применяются также и системы оттаивания, используемые для сброса льда и работающие в автоматическом режиме. В наших климатических условиях источник вторичного тепла должен быть достаточно стабильным.
Верхний предел использования - температура свыше 70° С. Проблемы возникают из-за химической неустойчивости масел, используемых для смазки компрессоров.
Работая в интервале от -5 до 70° С, тепловой насос имеет наименьший коэффициент теплопроизводительности. Чем меньше разница между источником вторичного тепла и температурой нагреваемого теплоносителя, тем выше эта характеристика. Наибольшее значение коэффициента достигается, если разница составляет 10-20° С.
Необходимость такого режима работы возникает также весьма редко.
Наиболее часто используется интервал температур от 0 до 50° С. Теплопроизводительность при таких режимах составляет 3-5 единиц. Такие показатели соответствуют потребностям температуры воды для санитарных нужд.
Экономические показатели работы оборудования прямо зависят от места установки, существующих коммуникаций и стабильности вторичного источника тепла. В настоящее время в связи со значительным ростом цен на энергоносители значительно возросли требования к эффективности. Если в 80-е годы сроки окупаемости были в пределах 7-10 лет, то сейчас норма составляет 0,5-3,5 года. Этот процесс может прогрессировать при дальнейшем удорожании энергоносителей.
Снижение затрат станет еще более значительным, если будет налажено собственное производство тепловых насосов. Сейчас можно приобрести только импортные образцы, стоимость которых держится в пределах $700-1200 на 1 кВт тепловой мощности.
При значении коэффициента теплопроизводительности, рав-ном 2,5, тепловой насос становится эффективным для экономики в целом. Лишь 40% производимой энергии превращается в электрический ток. Вся остальная энергия рассеивается в атмосфере в виде тепла.
Если теплопроизводительность насоса равна 2,5, то это значит, что сконцентрированное им количество тепла равно энергии сгорания топлива, израсходованного на производство нужной ему электроэнергии. Когда коэффициент доходит до значения 3,0, это означает, что энергии произведено на 20% больше, чем было израсходовано. Простой электрообогреватель ничего подобного произвести не может. Он дает тепло в количестве, эквивалентном потребляемой электроэнергии.
Тепловые насосы могут вернуть для повторного потребления огромное количество рассеянного тепла, выделившегося при использовании промышленностью различных видов топлива. На пути возможной реализации подобных замыслов стоит ряд ограничений, связанных с архитектурой и размещением предприятий.
Мощность источников вторичного тепла на некоторых из них колоссальна, но использование их проблематично из-за большого удаления от потребителей.
Сооружение теплотрасс для низкотемпературных теплоносителей требует значительных капитальных затрат. Наибольший эффект достигается, когда расстояние между вторичным источником тепла и потребителем не превышает нескольких десятков метров.
Использованию низкопотенциального тепла предприятий препятствует и режим их работы. В случае, когда нет непрерывного рабочего цикла, снабжение потребителя нарушается во время выходных и праздников.
Таким образом, использование вторичных источников предприятий возможно лишь для собственных их нужд, теплоснабжения собственных помещений, обеспечения горячей водой в санитарных и технологических целях.
Минский метрополитен имеет непрерывный технологический цикл за исключением нескольких ночных часов. На станции метро "Тракторный завод" белорусско-германское СП "Термоблок" установило теплонасосную установку производства "DUNHOM-BUSH" (США). Оборудование заменило приточно-вытяжную вентиляцию установленной мощностью 15 кВт.
Два тепловых насоса установки при потребляемой электрической мощности 10 кВт обеспечивают 30 кВт тепла. Источником низкотемпературной теплоты служат работающие трансформаторы питающей подстанции. Трансформаторный зал необходимо постоянно вентилировать и охлаждать, в противном случае КПД трансформации электрического тока значительно снизится.
Приточно-вытяжная вентиляция справлялась с проблемой достаточно хорошо, но тепловой насос оказался более эффективным. Отводя тепло на обогрев служебных помещений, он потребляет на 5 кВт меньше электроэнергии. При стоимости 1 кВт, равной $22 500, срок окупаемости не превышает 0,5 года. После запуска насоса в ноябре 1996 г. он выработает свой ресурс только через 10 лет, в соответствии с гарантиями фирмы-изготовителя.
В промышленно развитых странах мира тепловые насосы используются достаточно широко, ежегодно производится несколько миллионов единиц различных видов энегии. Часть технологических процессов и оборудования, которые РБ стремится приобрести, отличается от наших аналогов именно наличием тепловых насосов и фактом утилизации рассеянного тепла.
Наиболее широко используются установки с мощностью 1-10 кВт (для теплоснабжения отдельных помещений и коттеджей). Если позволяют климатические условия (температура наружного воздуха опускается ниже -5° С только в течение месяца), используется тепло атмосферного воздуха. Во всех подобных системах предусмотрено реверсирование с возможностью кондиционирования воздуха в летнее время. Пока Беларусь располагает тремя тепловыми насосами. Потенциал их возможностей для энергосбережения по разным оценкам колеблется в пределах 6 000 000-10 000 000 т. у. т. (тонн условного топлива). Они позволяют использовать одно и то же тепло несколько раз. При широком использовании тепловых насосов может произойти главное - промышленность Беларуси значительно снизит затраты энергии на единицу продукции и сможет достичь европейского уровня.
Подобный тепловой насос использован для теплоснабжения санатория "Белая Русь" в Туапсе, принадлежащего РБ. Тепловая мощность насоса составляет 3,6 МВт, в качестве источника низкотемпературного тепла используется морская вода Черного моря. (Зимняя температура черноморской воды не опускается ниже 8° С.)
В отличие от теплоутилизаторов, рекуператоров и воздухообменников тепловой насос способен поднять температуру используемой воды или воздуха до отметки, значительно превышающей температуру вторичного источника тепла. Кроме источников тепла техногенного происхождения, с помощью теплонасосных установок возможно утилизировать теплоту, запасенную грунтом и природными водами. Они получают ее в летнее время и отдают в течение зимы. Для теплового насоса и порода основания фундамента здания, и пруд, расположенный неподалеку, являются аккумуляторами тепла.
К освоению данного направления приступили специалисты БелНИИС. Здесь разработан и изготовлен тепловой насос с частично импортной комплектацией. Опытно-промышленный образец установлен в специально запроектированном энергоэффективном здании полезной площадью 200 м 2. Насос должен обеспечить создание 16 кВт тепла для теплоснабжения и прочих нужд.
Прием тепловой энергии подстилающего грунта осуществляется при помощи пласмассового теплообменника, проложенного на глубине 1,5 метра. Роль теплоносителя выполняет вода. Пластмассовая труба на протяжении всех 400 метров длины не имеет стыков. Долговечность ее в значительной степени превышает долговечность металла.
За рубежом подобные системы выполняют по другой схеме. Теплообменник заглубляют вертикально, иногда его глубина превышает 30 метров. В жаркую погоду тепловой насос, охлаждая помещение, передает тепло грунту. В холодное время года процесс идет в обратном направлении. За лето температура породы увеличивается на несколько градусов, зимой она выполняет роль аккумулятора тепла внушительной емкости.
Такой вариант применяют при отсутствии грунтовых вод или при большой глубине их залегания. Вода по сравнению со многими другими горными породами имеет гораздо большую теплоемкость. В условиях Беларуси подобный тепловой аккумулятор не имеет смысла - грунтовые воды вследствие своей миграции унесли бы создаваемый запас. По этой причине вертикальная схема расположения теплообменника в РБ малоэффективна.
Поэтому для энергоэффективного здания в Уручье-4 специалисты БелНИИС расположили теплообменник горизонтально. В самую жестокую зимнюю стужу температура грунта редко снижается до 3° С. Многие характеристики теплонасосной установки не подтверждены его работой. Вследствие отсутствия финансирования здание не достроено, что не позволяет в деле проверить характер его теплоснабжения.
В бывшем СССР вопрос использования тепловых насосов обсуждался с начала 20-х годов. Неоднократно проводились довольно представительные конференции, но дальше разговоров дело так и не пошло. В отличие от кибернетики саму идею не критиковали, никого из ее носителей не преследовали. Тем не менее не было налажено даже мелкосерийное производство необходимого оборудования.
Первый тепловой насос был установлен в крымском пансионате "Дружба" в начале 80-х годов. Затем еще один - на чайной фабрике в Грузии. Внедрение не выходило за рамки фактов единичного использования, при этом признавалась их достаточная эффективность. Такое невосприятие научно-технической общественностью этого вида техники совершенно непонятно, тем более что в других случаях наблюдалось запоздалое торжество здравого смысла.
Виктор ОСАДЧИЙ
С.П. Филиппов , член-корр. РАН; М.Д. Дильман , к.т.н.; М.С. Ионов , инженер; Институт энергетических исследований РАН (ИНЭИ РАН), г. Москва
Введение
Тепловые насосы как технология, позволяющая частично вытеснить органическое топливо и обеспечить теплоснабжение с минимальными затратами первичной энергии, находится в центре внимания зарубежных и отечественных исследователей и промышленных фирм.
Тепловой насос - экологически чистая система, позволяющая получать тепло для отопления и горячего водоснабжения коттеджей за счет использования низкопотенциальных источников и переноса его к теплоносителю с более высокой температурой. В качестве низкопотенциальных источников могут использоваться грунтовые и артезианские воды, озера, моря, тепло грунта, вторичные энергетические ресурсы - сбросы, сточные воды, вентиляционные выбросы и т.п. Затрачивая 1 кВт электрической мощности в приводе компрессионной теплонасосной установки (ТНУ), можно получить 3-4, а при определенных условиях и до 5-6 кВт тепловой мощности.
Применение ТНУ в мире и в России
За рубежом теплонасосная техника находит широкое применение для целей теплоснабжения жилых и офисных зданий более 30 лет. Толчком для ее массового применения стал энергетический кризис 1970-х годов. В 2009 г. в мире количество тепловых насосов, использующих тепло грунта, превысило 2,8 млн шт., их суммарная установленная тепловая мощность составила 35 ГВт, а ежегодное производство тепловой энергии - 214 тыс. ТДж. Лидерами по установке ТНУ данного типа стали США и Швеция, большое количество их эксплуатируется в Японии, Германии, Швейцарии. В последние годы ТНУ начали активно внедряться в Китае. Широкому распространению ТНУ во многих странах способствуют рост цен на энергию, а также законодательство по энергоэффективности, экологическое законодательство, требования по снижению выбросов парниковых газов. Но главным является то, что рынки ТНУ за рубежом формируются, как правило, при поддержке государства. Компании, предлагающие экологически чистые установки, пользуются налоговыми льготами, а домовладельцы, приобретающие такое оборудование, получают дотации, субсидии, льготные кредиты.
Опыт использования тепловых насосов в нашей стране пока невелик, однако условия для их внедрения есть. Во-первых, потому что с ростом цен на топливо и электроэнергию и повышением экологических требований возрастает целесообразность их использования. Во-вторых, в нашей стране активно развивается малоэтажное строительство, его доля в общем объеме сдаваемого жилья в последние годы находится на уровне 40-47% и имеет тенденцию к росту. В 2009 г. на нужды отопления и горячего водоснабжения (ГВС) малоэтажной застройки было израсходовано топливо в размере 52 млн т у.т.
Ограничения внедрения ТНУ
Исследование эффективности использования ТНУ для автономного отопления и горячего водоснабжения объектов малоэтажной застройки показало, что, по сравнению с традиционными системами автономного теплоснабжения - индивидуальными газовыми и электрическими котлами - ТНУ имеют ряд ограничений, для преодоления которых требуются дополнительные затраты.
Основными ограничениями внедрения тепловых насосов являются следующие.
1. Высокие удельные капитальные вложения. Рынок теплонасосной техники в России только формируется. В основном, представлены тепловые насосы зарубежного производства (Германия, Австрия, США), и они достаточно дороги. Кроме стоимости основного оборудования, его монтажа и наладки, для наиболее распространенных в области теплоснабжения грунтовых ТНУ требуются буровые работы на глубине 50-100 м, которые также являются дорогостоящими. Более экономичным решением являются ТНУ с горизонтальным коллектором. Однако для размещения горизонтального коллектора необходим свободный земельный участок значительной площади, который в дальнейшем выбывает из хозяйственного оборота: на нем нельзя возводить постройки, сажать деревья и кустарники. В настоящее время в системах индивидуального теплоснабжения более широкое распространение получают ТНУ с вертикальным зондом. Так, для условий центральных регионов только стоимость работ по бурению скважины оценивается в 1800-3000 руб. (в зависимости от геологических характеристик площадки) за погонный метр.
Из-за того, что удельные капиталовложения в ТНУ существенно выше, чем для альтернативных нагревателей, тепловой насос устанавливают лишь на часть расчетной отопительной нагрузки (т.н. базовую часть) с покрытием пиковой тепловой нагрузки от более дешевого нагревателя. Определение доли теплового насоса в покрытии общей тепловой нагрузки потребителя - это оптимизационная задача, которая решается в каждом конкретном случае. Ее результат зависит от схемы теплоснабжения дома, плотности графика продолжительности стояния температур наружного воздуха в регионе, соотношения стоимости теплового насоса и пикового нагревателя, стоимости электро-энергии в регионе.
Расчеты показывают, что комплект ТНУ с подключением и бурением скважины стоит дороже, чем установка газового или электрического котла. В целом, установка системы с ТНУ дороже теплоснабжения от котла в 2,4-2,8 раз.
2. Ограничения по температуре на выходе из теплового насоса. Максимальная температура, которую может обеспечить греющий контур геотермальных тепловых насосов, как правило, составляет 55 °С, у отдельных моделей - 60-65 °С. Для того, чтобы тепловой насос мог работать в течение всего отопительного периода и максимально реализовать свой энергосберегающий потенциал, необходимо использование низкотемпературных систем отопления - системы отопления с максимальными температурами в прямой и обратной линиях не выше 70 и 50 °С соответственно. Однако для низкотемпературных систем требуется увеличенная площадь отопительных приборов по сравнению с традиционными системами отопления, рассчитанными на температурный график 95/70 °С. Это влечет дополнительные затраты.
3. Неоднородность теплового потенциала грунта в региональном разрезе. Потенциал грунта как источника тепла для южных регионов существенно выше, чем для северных. Так, температура грунта на глубине 50-100 м в условиях г. Пятигорска составляет 15-16ºС, для г. Москвы 10-11 ºС, а для г. Архангельска 4-5 ºС. Чем выше температура грунта, тем выше коэффициент трансформации, тем меньше электроэнергии тратит тепловой насос на выработку одного и того же количества тепла. Отметим, что экономическая эффективность применения тепловых насосов на цели теплоснабжения существенно зависит от климатических условий региона в целом, причем факторы, влияющие на эффективность использования тепловых насосов, имеют разную направленность. Тепловой потенциал грунта и, соответственно, коэффициент трансформации растет с севера на юг, но продолжительность отопительного периода и число часов использования ТНУ, а значит и реализация их энергосберегающего потенциала, с севера на юг уменьшается.
4. Учет фактора охлаждения грунта при эксплуатации ТНУ . Потребление тепловой энергии к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое в климатических условиях большей части территории России не успевает компенсироваться в летний период, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. На севере этот фактор выражен сильнее, чем на юге. Потребление тепловой энергии в течение каждого последующего отопительного сезона вызывает дальнейшее охлаждение грунта. Снижение температуры грунта имеет экспоненциальный характер, и примерно через пять лет эксплуатации его температура выходит на квазистационарный уровень, пониженный относительно естественного на 1-2º и более. При проектировании систем теплоснабжения необходим учет такого охлаждения грунта, что делает ее еще более затратной.
Варианты теплоснабжения с применением ТНУ
Схемы теплоснабжения с тепловым насосом, применяемые для теплоснабжения домов, можно разделить с точки зрения включения пикового подогревателя на последовательные и параллельные.
При последовательной схеме вода, нагретая тепловым насосом - при температурах наружного воздуха, при которых ее температуры достаточно для покрытия нагрузки - поступает в радиаторы. При более холодной погоде включается пиковый источник.
При параллельной схеме с пиковым электрообогревателем вода, нагретая тепловым насосом, подается в радиаторы на протяжении всего отопительного периода, а, начиная с определенных температур наружного воздуха, для поддержания нормативной температуры воздуха в отапливаемых помещениях требуется генерация недостающего тепла. В качестве его источника может быть использован газовый котел, котел на жидком топливе, электрокотел, нагреватель конвективного или инфракрасного типа, что также влечет дополнительные затраты.
Высокую энергетическую эффективность обеспечивает комбинирование теплового насоса с системой отопления «Теплый пол». В такой системе тепловой насос работает на протяжении всего отопительного периода. Однако в ней, начиная с определенных температур наружного воздуха, для поддержания нормативной температуры воздуха в помещениях требуется дополнительная генерация тепла. Согласно СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» средняя температура для полов помещений с постоянным пребыванием людей не должна превышать 26ºС. Низкотемпературная система отопления «теплый пол» позволяет получить тепловой поток 50-150 Вт/м 2 , при температуре теплоносителя 35-55 ºС. При этом имеют место ограничения, накладываемые на элементы интерьера: есть требования к толщине и теплопроводности напольного покрытия, не допускается применение ковровых покрытий; необходима дистанция между стенами и границей укладки труб; требуется план расстановки мебели, изменение которого в дальнейшем не желательно. В общем случае максимальная площадь укладки «теплого пола» составляет 60-70% отапливаемой площади.
Кроме компрессионных тепловых насосов, уже нашедших широкое применение в теплоснабжении, возможно использование тепловых насосов абсорбционного типа, в которых функцию компрессора на электрическом приводе выполняет т.н. «тепловой компрессор», работающий за счет сжигания топлива. В последнее время производители тепловых насосов малой мощности готовят к выпуску модели абсорбционных, а также адсорбционных тепловых насосов на базе микропористого алюмосиликатного минерала «цеолит». Они имеют более высокие капитальные вложения. Преимуществом абсорбционных и адсорбционных тепловых насосов является то, что они могут работать на более дешевой, по сравнению с электрической, энергии сжигания топлива. В тепловых насосах этого типа отсутствует электрический компрессор, электрическая мощность требуется лишь для циркуляции теплоносителя в отопительной системе и системе сбора низкопотенциального тепла. Абсорбционные и адсорбционные тепловые насосы требуют меньшей холодопроизводительности, чем компрес-сионные - это позволяет использовать менее глубокие скважины, что дает экономию на дорогостоящих работах по бурению.
Об оценке капитальных вложений
В поиске более экономичного с точки зрения капитальных вложений решения нами рассмотрены тепловые насосы, использующие в качестве источника низкопотенциального тепла атмосферный воздух. Тепловые насосы этого типа имеют коэффициент трансформации 3,2-3,6 (при температуре воздуха t н =2 °С). Однако они имеют существенные ограничения в использовании: при снижении температуры наружного воздуха резко снижаются их тепловая мощность и коэффициент трансформации. При t н <-20 °С использовать такие водо-воздушные тепловые насосы на цели отопления невозможно; а на цели ГВС их невозможно использовать уже при -15 °С. В наиболее холодные интервалы отопительного периода теплоснабжение производится за счет дублирующих установок - электрокотлов, которые приходится рассчитывать на полную тепловую нагрузку. Это не позволяет экономить затраты на пиковый источник тепла и на заявленную электрическую мощность, и из-за этого, а также из-за пониженного в холодные периоды коэффициента трансформации, резко возрастает годовой расход электроэнергии.
Сопоставление описанных схем с тепловыми насосами разных типов и альтернативных систем индивидуального теплоснабжения выполнено по критерию минимума суммарных дисконтированных затрат на систему отопления поселка малоэтажной застройки, состоящего из 200 домов общей площадью по 200 м 2 каждый, за расчетный период 30 лет (см. рис.).
По критерию минимума суммарных затрат в настоящее время тепловые насосы не способны конкурировать с котлами на газе. Экономическая ниша тепловых насосов - негазифицированные районы, и конкурирующая технология для них - электрокотлы .
Расчеты показывают, что, оптимизировав схему теплоснабжения с ТНУ, можно добиться экономии электроэнергии по сравнению с электрокотлом от 59% на севере до 64% на юге России и получить экономию заявленной электрической мощности порядка 20-25%.
Для условий Севера с большой продолжительностью отопительного периода (от 5600 ч/год) и высокими тарифами (от 2 руб./кВт∙ч) на электроэнергию схема отопления от компрессионного грунтового теплового насоса, работающего параллельно с конвекторным обогревателем, показывает близкие и даже более низкие затраты за расчетный период, чем электрокотлы. В остальных регионах России суммарные затраты на тепловые насосы, даже при оптимальном выборе схемы, температурного графика, поверхностей теплообмена - высоки по сравнению с суммарными дисконтированными затратами в теплоснабжение от электрокотлов, полученными при прочих одинаковых условиях. Обусловлено это, главным образом, высокими капитальными вложениями в ТНУ, причины которых рассмотрены выше. Все другие рассмотренные варианты теплоснабжения на базе тепловых насосов не являются экономически эффективными ни для одного из рассмотренных регионов России.
Проведенное дополнительное исследование показало, что системы теплоснабжения на базе ТНУ становятся экономически более эффективными, чем индивидуальные электрокотлы а) при повышении тарифов на электроэнергию и б) при снижении соотношения стоимости ТНУ и электрокотлов. Так, повышение тарифов на электроэнергию более, чем на 30% позволяет разработать такую схему теплоснабжения с тепловым насосом, которая будет экономически более эффективна по критерию суммарных дисконтированных затрат, чем теплоснабжение от электрокотла. При действующих тарифах на электроэнергию ТНУ будут экономически эффективными по сравнению с электрокотлами, если удастся снизить удельные капитальные затраты на их установку на 50% и более.
Оценен эффект от экономии условного топлива. Результаты показывают, что при среднем удельном расходе топлива на электростанциях 340 г у.т./кВт∙ч для условий северных регионов ни одна из схем теплоснабжения с тепловыми насосами компрессионного типа не является топливосберегающей по сравнению с газовыми котлами. Топливосберегающим эффектом обладают лишь абсорбционные (адсорбционные) установки, они позволяют экономить порядка 20% топлива. Для центральных южных регионов России при оптимальном выборе схемы теплоснабжения с компрессионной ТНУ может быть достигнута экономия топлива до 9% - даже по сравнению с использованием котлов на газе. По сравнению с использованием электрокотлов экономия топлива на электростанциях составляет 55-65% соответственно.
Заключение
Учитывая темпы малоэтажного строительства в субъектах федерации, прогнозы Минэкономразвития РФ роста тарифов на электроэнергию и газ и прогнозируемый темп инфляции, можно оценить спрос на установку тепловых насосов на цели теплоснабжения жилых зданий. По нашим оценкам, на перспективу до 2030 г. в стране в целом может быть востребовано порядка 3,4-4,4 ГВт теплонасосной мощности, что составляет 9-11% от вводимой тепловой мощности малоэтажной застройки. Их установка позволит экономить топливо в количестве около 3,8 млн т у.т. в год.
Липецкий государственный технический университет
Кафедра Металлоконструкций
«Перспективы использования тепловых насосов в Липецкой области»
Выполнил: Дедяев В.И.
студент группы ТВ-09
Проверил: канд. тех. Мещерякова Е.В.
наук, доцент.
Липецк 2013
Введение
История создания
Принцип действия
Виды установки
Основные достоинства и недостатки тепловых насосов
Особенности
Применение и перспективы использования
Цена тепловых насосов
Заключение
Библиографический список
Приложения
Введение
Энергия движения молекул иссекает только при достижении абсолютного нуля -273°С.
Получается, что окружающий мир полон энергии. Энергия есть во всём земля, вода, воздух, нужно только уметь её добывать. Для этого был придуман тепловой насос в котором часть этой энергии трансформируется в тепловую.
Привычные виды энергоресурсов очень дороги в производстве и использовании и со временем иссякнут, а энергия окружающей среды нет.
По своей сути и внешнему виду тепловой насос очень похож на обычный бытовой холодильник. В обоих есть испаритель, конденсатор, компрессор, дросселирующие устройство. Цикл работы обоих строится по принципу цикла Карно.
(рис.1) (рис.2)
Тепловой насос Холодильник
Габаритные размеры Ширина-глубина-высота x620x1500 мм 600x630x1500 мм История создания Впервые понятие о тепловом насосе было разработано в 1852 году британским физиком и инженером Уильямом Томсоном, в дальнейшем доработана австрийским инженером Петером Риттер фон Риттингером. Которого в последствии стали считать изобретателем теплового насоса, так как он спроектировал и установил, в 1855 году, первый известный тепловой насос. На практике тепловые насосы стали применяться намного позже. Роберт Вебер в 40-х годах прошлого века предложил использовать тепло радиатора морозильной камеры (поместив его в бойлер) для нагрева воды. Доработав своё изобретение, он начал прогонять горячую воду по спирали и с помощью вентилятора распространять тепло с целью отопления дома. По пришествию времени Веберу пришла идея брать тепло из земли, где температура практически не изменятся в течении года. Он поместил в грунт медные трубки с циркулирующим внутри них фреоном, газ забирал тепло земли, конденсировался, отдавал тепло и возвращался обратно. Воздух, приводился в движение с помощью вентилятора и в доме становилось тепло. На следующий год Вебер продал свою угольную печь.
Принцип действия
Холодильник выкачивая тепло наружу, а тепловой насос на оборот закачивая тепло внутрь - он нагнетает тепло из воздуха, воды, земли в помещение. Почти неощутимое тепло продуктов в холодильнике очень сильно нагревает трубчатую панель конденсатора (радиатор на задней стенке), таким образом если из холодильника достать испарительную камеру, с трубами и закопать в землю то получится тепловой насос. Его теплом можно будет обогреть комнату, а если омывать радиатор водой, то её можно будет использовать в системах привычного нам отопления. Принцип действия теплового насоса основан на цикле Карно, он состоит из четырёх стадий: ·Изотермическое расширение (на рисунке 3- процесс 1→2).
В начале процесса рабочее тело имеет температуру, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты. При этом объём рабочего тела увеличивается. ·Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке 3- процесс 2→3).
Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника. ·Изотермическое сжатие (на рисунке 3- процесс 3→4).
Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты. ·Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке 3 - процесс Г→А).
Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.
(рис. 3)
Основные составляющие части внутреннего контура теплового насоса ·Конденсатор
·Капилляр
·Испаритель
·Компрессор, получающий энергию от электрической сети
Кроме того, во внутреннем контуре имеется: ·Терморегулятор, являющийся управляющим устройством
·Хладагент, циркулирующий в системе газ с определёнными физическими характеристиками
(рис. 4)
Хладагент под давлением через капиллярное отверстие поступает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, а испаритель в свою очередь отбирает тепло у (воздушного теплового насоса окружающей средой является - воздух, грунтового - грунт, водяного - вода), за счёт чего происходит его постоянное охлаждение. Компрессор засасывает из испарителя хладагент, сжимает его, за счёт чего температура хладагента повышается и выталкивает в конденсатор. Кроме того, в конденсаторе, нагретый в результате сжатия хладагент отдает полученное тепло (температура порядка 85-1250С) в отопительный контур и окончательно переходит в жидкое состояние. Процесс повторяется вновь. При достижении необходимой температуры терморегулятор размыкает электрическую цепь и компрессор останавливается. При понижении температуры в отопительном контуре терморегулятор вновь включает компрессор. Хладагент в тепловых насосах совершает обратный цикл Карно. Таким образом, работа теплового насоса схожа с процессом холодильника. Тепловой насос перекачивает низкопотенциальную тепловую энергию грунта, воды или воздуха в относительно высокопотенциальное тепло для отопления зимой и охлаждения объекта летом. Примерно 2/3 отопительной энергии можно получить бесплатно из окружающей среды: грунта, воды, воздуха и только 1/3 энергии необходимо затратить для работы самого теплового насоса. Иными словами, владелец теплового насоса экономит 70% средств которые, при отоплении своего дома, магазина, цеха и т.п. традиционным способом, он бы регулярно тратил на дизтопливо,газ, дрова или электроэнергию. Тепловой насос использует тепло, рассеянное в окружающей среде: в земле, воде, воздухе (его называют низко-потенциальным теплом.) Затратив 1 кВт электроэнергии в приводе насоса, можно получить 3-4 кВт тепловой энергии на выходе. Тепловые насосы применяют, чтобы отапливать дома как котеджного так и многоэтажного плана, готовить горячую воду, охлаждать или осушать воздух в комнатах, вентилировать помещения.
Виды установки
Существуют несколько видов установки тепловых насосов замкнутые системы: теплообменники расположены в грунтовом массиве; при циркуляции по ним теплоносителя с пониженной относительно грунта температурой происходит «отбор» тепловой энергии от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса (или, при использовании теплоносителя с повышенной относительно грунта температурой, его охлаждение). Вертикальные- (рис. 5) в скажинах 50-200 м. прокрыдываются U образные коллекторы. Горизонтальные- (рис. 6) По всему участку прокладываются коллекторы (ниже глубины промерзания). Этот способ применяется если позвояет площадь участка, так же можно применять уложив коллекторы по дну водоёма. открытые системы: в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам; Позволяющие извлекать грунтовые воды из водоносных слоев грунта и возвращать воду обратно в те же водоносные слои. Обычно для этого устраиваются парные скважины (рис. 8). Воздушные- (рис. 7) источником отбора тепла является воздух. Более известны как кондиционеры. Использующие вторичное тепло (например, тепло трубопровода центрального отопления, сточных вод). Подобный вариант является наиболее подходящим для промышленных объектов, где есть источники избыточного тепла, которое требует утилизации. ·Экономичность.
Тепловой насос использует введенную в него энергию на много эффективнее любых котлов, сжигающих топливо. Величина КПД у него на много больше единицы. Между собой тепловые насосы сравнивают по особой величине - коэффициенту преобразования тепла (КПТ), другое название коэффициент трансформации тепла, мощности, преобразования температур. Он показывает отношение получаемого тепла к затраченной энергии. К примеру, КПТ = 3,5 означает, что, подведя к машине 1 кВт, на выходе мы получим 3,5 кВт тепловой мощности, то есть 2,5 кВт природа предлагает нам безвозмездно. ·Повсеместность применения.
Источник рассеянного тепла можно обнаружить в любом уголке планеты. Земля, воздух или вода найдутся и на самом заброшенном участке, вдали от газовых магистралей и линий электропередач. Чтобы бесперебойно отапливать дом, не завися от капризов погоды, поставщиков дизельного топлива или падения давления газа в сети. Даже отсутствие нужных 2-3 кВт электрической мощности не помех, спасает электрогенератор, а для привода компрессора в некоторых моделях используют дизельные или бензиновые двигатели. ·Экологичность.
Тепловой насос не только серьёзно сэкономит деньги, но и сбережет здоровье. Агрегат не сжигает топливо, значит, не образуются вредные окислы типа CO, СO2, NOx, SO2 , PbO2. Потому вокруг дома на почве нет следов серной, азотистой, фосфорной кислот и бензольных соединений. Да и для планеты применение тепловых насосов - более благоприятно чем привычные ТЭЦ или котельные. Ведь по большому счету на ТЭЦ будет сократься расход топлива на производство электричества. Применяемые же в тепловых насосах фреоны не содержат хлоруглеродов и озонобезопасны. ·Универсальность.
Тепловые насосы обладают свойством обратимости (реверсивности). Он «умеет» отбирать тепло из воздуха дома, охлаждая его. Летом избыточную энергию иногда отводят на подогрев бассейна. ·Безопасность.
Эти агрегаты практически взрыво и пожаробезопасны. Нет топлива, нет открытого огня, опасных газов или смесей. Взрываться здесь просто нечему, нельзя также угореть или отравиться. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей. В сущности, тепловой насос опасен не более чем бытовой холодильник. ·Недостатки
К ним можно отнести лишь высокую стоимость теплонасосных систем, но и она окупается со временем, так как привычные энергоносители дорожают с каждым днём а, рассеянное тепло ни куда не денется.
Особенности
При применении тепловых насосов необходимо помнить, что для всех типов тепловых насосов характерен ряд особенностей. Во-первых, тепловой насос оправдывает себя только в хорошо утепленном здании, с теплопотерями не более 100 Вт/м2. Чем теплее дом, тем больше выгода. Отапливать улицу, собирая на ней же крохи тепла, - бесполезное занятие. Во-вторых, чем больше разница температур теплоносителей во входном и выходном контурах, тем меньше коэффициент преобразования тепла (Кпт), то есть меньше экономия электроэнергии. Поэтому более выгодно подключение агрегата к низкотемпературным системам отопления-обогрев от тёплых полов или теплым воздухом, так как в этих случаях теплоноситель по медицинским требованиям не должен быть горячее 35°С. В-третьих, для достижения большей выгоды практикуется эксплуатация тепловых насосов в паре с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления). В доме с большими теплопотерями ставить насос большой мощности (более 30 кВт) невыгодно. Он будет занимать много места но работать в полную силу всего лишь около месяца, зачем же переплачивать приличную сумму. Ведь количество действительно холодных дней не превышает 10-15% от длительности отопительного периода. Поэтому часто мощность теплового насоса назначают равной 70-80% от расчетной отопительной. Она будет покрывать все потребности дома в тепле до тех пор, пока уличная температура не опустится ниже определенного расчетного уровня (температуры бивалентности). С этого момента в работу включается второй генератор тепла. Есть разные варианты его использования. Чаще всего таким помощником служит небольшой электронагреватель, но можно поставить и жидко и твёрдо топливный котел. Возможны и более сложные тепловые бивалентные схемы, например включение солнечного коллектора. Для этого, у некоторых серийных систем тепловых насосов и солнечных коллекторов такая возможность предусмотрена в конструкции. В этом случае, смешивание тепла, идущего от теплового насоса и от солнечного коллектора производиться в выравнивающем бойлере.
Применение и перспективы использования
В очередном выпуске журнала «Энергосбережение» №8/2007 Рубрика: Теплоснабжение, учрежденом в 1995 году некоммерческим партнерством «АВОК» - научно-технический и обзорно-аналитический журнал для широкого круга специалистов в области отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, теплоснабжения и строительной теплофизики. Рассматривалась тема применения тепловых насосов в городском хозяйстве Москвы.
Схема применения тепловых насосов в городском хозяйстве Москвы тепловой насос контур городской На основании этой статьи можно сделать вывод о том что есть огромная перспектива развития тепловых насосов на территории Липецкой области, как в мало- так и в многоэтажном секторе строительства, так как если такой огромный мегаполис как Москва с её огромными потребностями в энергоресурсах лишь существенно выиграет в денежных затратах на обеспечение комфортных условиях проживания при переходе на тепловые насосы. Использование тепловых насосов позволит существенно улучшить экологическую обстановку в Липецкой области, так как уменьшится сжигание органического топлива. Удешевится и прокладка коммуникаций к новым зданиям и сооружениям, так как по большому счёту нужно будет только электричество и водопровод, а тепло и горячую воду можно будет вырабатывать на месте прямо в подвале дома. Газ по современным нормам в многоэтажные дома, в которых отметка пола последнего этажа выше 28м. и вовсе нельзя подавать. Существенно уменьшатся и расходы на обслуживание систем отопления и горячего водоснабжения таких домов. Получается, что экономия от всего этого составит огромную сумму. Но как говорилось ранее использование тепловых насосов эффективно там, где здание хорошо утеплено. Если говорить про частный жилой сектор, то сейчас практически каждый понимает, когда строит или перестраивает свой дом, о том, что его нужно хорошо утеплить, что бы меньше платить за сожжённые энергоресурсы. С модой на пластиковые газо-плотные окна люди начали избавляться от старых деревянных рам с трещинами, что в свою очередь привело к экономии тепла. Со временем пришла мода и на сайдинговую отделку домов, что в свою очередь так же ведёт к утеплению, так как под сайдинг укладывается утеплитель. Появились новые материалы, которые обеспечивают необходимую теплозащиту здания даже при меньшей толщине стены. К физическому износу приходят ещё доставшиеся в наследство от СССР водо-, тепло-, газопроводы, линии электропередач. Всё это требует замены и чем быстрее, тем лучше, так как магистрали изношены, на всё это требуются большие деньги. А переход на тепловые насосы позволит очень сильно сэкономить. Потому что не потребуется прокладывать ту же магистраль теплоснабжения особенно это актуально для уже застроенных районов. Более того Распоряжением Правительства России N2446-р от 27 декабря 2010 г. утверждена госпрограмма "Энергосбережение и повышение энергоэффективности на период до 2020 г.". Общая выгода от реализации программы должна составить 13 триллионов 91миллиард рублей. Государство всячески поддерживает эту программу.
Цена тепловых насосов
Тепловые насосы различных производителей отличаются стоимостью, эффективностью и комплектацией. У одних производителей это, полностью укомплектованные и готовые к работе устройства. У других - только фреоновый блок, не способный работать самостоятельно, для которого нужно будет докупить комплектующие (циркуляционные насосы, датчики, автоматику...). Поэтому критерий "цена теплового насоса" не является объективным. При выборе теплового насоса иногда удобно сравнивать не цены тепловых насосов, а стоимости готовых систем отопления, горячего водоснабжения, нагрева бассейна, кондиционирования и т.д. Гораздо объективнее рассмотреть не цену одной детали теплового насоса в наборе "система отопления, горячего водоснабжения ", а стоимость всего набора в собранном и работающем состоянии "под ключ". Так для дома с отапливаемой площадью 150 - 200м2 стоимость теплового насоса «под ключ» обойдётся приблизительно в 700 тысяч рублей. Но к такому дому уже не нужно подводить газ, устраивать там систему отопления и горячего водоснабжения, что уже делит эту сумму примерно попалам. Уменьшается потребление электроэнергии и соответственно плата за неё, (если бы она была основным источником выработки тепла), почти в 3 раза. Цена же самого теплового насоса приблизительно 150-200 тыс.рублей остальная составляющая цены это работы связанные с установкой и наладкой оборудования.
Заключение
Тепловые насосные установки целесообразно использовать при переходе к децентрализованным системам теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей), когда тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя, а топливо сжигается вне населенного пункта (города). Внедрение таких экономичных и экологически чистых технологий теплоснабжения необходимо, в первую очередь, во вновь строящихся районах городов и населенных пунктов при полном исключении применения электрокотельных, потребление энергии которыми в 3-4 раза превышает потребление ее тепловыми насосами. Использование тепло насосных установок в сочетании с другими технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечной) позволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наиболее высоких экономических показателей. Тепловые насосы всё чаще применяются как в мало так и многоэтажных домах, это ещё не очень популярный вид отопления жилища в России, но он набирает обороты, несмотря на то что первоначальные капитальные затраты высоки по сравнению с привычными видами энергоресурсов, но быстро окупаются.
Библиографический список
1. Г. П. Васильев, Эффективность и перспектива использования тепловых насосов в городском хозяйстве Москвы// Энергосбережение. - 2007. - № 8. В. Ф. Гершкович, От централизованного теплоснабжения - к тепловым насосам // Энергосбережение. - 2010. - № 3. И. А. Султангузин, Тепловые насосы для российских городов// Энергосбережение. - 2011. - № 1. В. Ф. Гершкович, Газовый котел или тепловой насос? // Энергосбережение. - 2010. - № 8. Тепловой насос [Электронный ресурс].//Режим доступа: свободный. http://ru.wikipedia.org/wiki/Тепловой_насос
К.т.н. А.Л. Петросян, доцент, А.Б. Барсегян, инженер, Ереванский государственный университет архитектуры и строительства, г. Ереван, Республика Армения
Введение
Небольшая эффективность и высокая стоимость существующих солнечных коллекторов (СК) ограничивают области целесообразного применения систем солнечного теплоснабжения. Однако истощение запасов органического топлива и его чрезмерное удорожание, тревожная экологическая обстановка в мире из-за вредных и тепловых выбросов в атмосферу диктуют необходимость поиска методов повышения энергоэффективности систем теплоснабжения, поскольку они потребляют значительное количество тепловой энергии различного потенциала. Согласно , до 40% всего добываемого в мире топлива расходуется на эти нужды и поэтому развитые европейские страны стремятся в сфере теплоснабжения максимально полно использовать нетрадиционные источники тепла: низкотемпературные вторичные и возобновляемые энергоресурсы. Особое значение имеют солнечная энергия, энергия грунта, сточных и грунтовых вод и т.д. Ряд стран бывшего СССР, ориентированных на привозное топливо и имеющих благоприятные климатические условия (страны Закавказья, Черноморского региона и т.д.), могут весьма успешно использовать эти виды энергии (особенно солнечную). Однако, проектировщики и узкие специалисты сталкиваются со слабой научной, проектной и эксплуатационной базой систем солнечного теплоснабжения, техническими трудностями и высокой стоимостью привозного европейского оборудования, а также с психологическими факторами: системы солнечного теплоснабжения в бывшем СССР были почти научной фантастикой.
В данной статье рассмотрены вопросы совместного использования низкотемпературных СК и теплового насоса (НСК+ТН) в системе солнечного теплоснабжения, комбинация которых позволяет обеспечить высокую энергоэффективность и устойчивую работу системы за весь период летних и переходных месяцев года. С применением грунтовых аккумуляторов тепловой энергии такие системы могут конкурировать и с традиционными источниками тепла.
Для сравнения были также рассмотрены особенности вариантов систем теплоснабжения, в которых источником тепла являются среднетемпературные СК (ССК) и котлы районной котельной.
Схема с низкотемпературными солнечными коллекторами в комбинации с тепловым насосом
Принципиальная схема системы теплоснабжения с НСК+ТН с изложением основных узлов и принципа работы системы приведена на рис. 1.
Первый контур включает в себя бак-аккумулятор 1, циркуляционный насос 2, подающий 3 и обратный 4 теплопроводы, соединенные с внутренней системой жилых зданий микрорайона и конденсатором 5 ТН второго контура.
Во втором контуре источника тепла в состав ТН, кроме конденсатора 5, включены дроссель 6, испаритель 7 и компрессор 8.
Четвертый контур - это система утилизации солнечной энергии с низкотемпературным СК 9, насосом 10 и баком-аккумулятором 11 низкопотенциального источника тепла, обводным байпасным трубопроводом 12 со своей арматурой.
Принцип работы системы теплоснабжения с НСК+ТН следующий. В часы солнечного сияния теплота радиации при помощи СК передается теплоносителю - воде или рассолу (NaCl). Нагретый в СК теплоноситель охлаждается в испарителе ТН и возвращается в бак-аккумулятор для последующего нагрева. В ночные и пасмурные часы вода или рассол проходит через байпасную линию, минуя СК, для сокращения тепловых потерь. При применении грунтового аккумулятора (на схеме не показано) вместо аккумулятора 11 можно получить возможность использования данной системы и в зимние месяцы, однако это, а также использование третьего контура (подача воды из грунтового аккумулятора в испаритель 7), в последующих расчетах не предусмотрено.
За счет низкопотенциального тепла, передаваемого от низкотемпературного СК, в испарителе 7 хладагент испаряется, и пары поступают в компрессор 8. Сжатые пары хладагента с температурой 80-85 О С обеспечивают нагрев теплоносителя первого контура. Нагретый, например до 65 О С, теплоноситель поступает в бак-аккумулятор 1 и далее подается к жилым зданиям микрорайона.
Поскольку температура теплоносителя в НСК близка температуре окружающей среды, то существенно сокращаются тепловые потери от поверхностей НСК, что и приводит к повышению энергетической эффективности системы солнечного теплоснабжения. Кроме того, значительно сокращается необходимая поверхность НСК, повышается их надежность. Сокращаются тепловые потери от теплопроводов при транспортировке низкотемпературного теплоносителя, однако повышается необходимая поверхность отопительных приборов при естественной циркуляции воздуха, установленных в помещениях зданий. Во избежание этого, следует применять фанкойлы, которые можно использовать также и при хладо- снабжении зданий микрорайона.
Сравнение вариантов
В расчетах параметров оборудования системы теплоснабжения с ССК определяющей является площадь поверхности коллекторов ^ ССК), которая может быть определена различными методами. Нами выбран метод, изложенный в , а в качестве тепловой нагрузки принята нагрузка ГВС зданий городского микрорайона (^QrBc):
где 1 а - суммарная солнечная радиация местности, ηссκ - коэффициент эффективности ССК.
Значения солнечной радиации местности определены в зависимости от месячных суммарных радиаций и продолжительности солнечного сияния. Актинометрические и метеорологические данные местности, например, для условий г. Еревана, представлены в таблице.
При снижении суммарной солнечной радиации и повышении среднемесячной температуры наружного воздуха эффективность ССК (ηссκ) повышается и достигает максимума в июле месяце. В целом, среднесезонная эффективность ССК с неселективным поглощающим покрытием составляет примерно 0,48 (рис. 2). Наибольшая эффективность для НСК составляет 0,7-0,74.
Были проведены расчеты системы теплоснабжения для микрорайона г. Еревана с численностью 20 тыс. чел., нагрузкой ГВС - 7 МВт и продолжительностью нагрузки - 7 мес. в году (с апреля по октябрь). Площадь необходимой поверхности ССК для покрытия нагрузки ГВС составила 2 м 2 /чел. и, соответственно, для всего микрорайона - 40 тыс. м 2 .
Для системы теплоснабжения с НСК+ТН требуемая поверхность коллекторов (Fhck+th) в течение указанного сезона представлена в виде графика на рис. 3. Как следует из графиков этого рисунка расчетная поверхность НСК при использовании ТН может составить 16,5 тыс. м 2 , что в 2,4 раза меньше по сравнению с ССК.
Рассматриваемые системы следует сравнить по технико-экономическим показателям с традиционными источниками тепла - с котлами. Производя подбор оборудования, следует определить приведенные затраты за сезон по удельным капитальным вложениям на сравниваемые системы теплоснабжения и стоимости условного топлива. Необходимо учесть и экологический ущерб из-за применения той или иной системы теплоснабжения с различными источниками тепла.
В результате проведенных расчетов было определено, что для системы теплоснабжения с ССК приведенные затраты составят 444 тыс. долл. США/год, для системы с НСК+ТН - 454,7 тыс. долл. США/год, а для системы с районной котельной - 531,9 тыс. долл. США/год.
Из полученных результатов следует, что сравниваемые варианты систем солнечного теплоснабжения почти равноценны (система с НСК+ТН по приведенным затратам превосходит систему с ССК на 2,4%). Однако каждая из систем имеет свои положительные и отрицательные стороны как с экономической, так и технической стороны, которые могут нарушить эту равноценность. В частности, повышение стоимости электрической энергии, уменьшение тепловой нагрузки, приведут к удорожанию системы с НСК+ТН. В регионах, где интенсивность солнечного сияния и температура наружного воздуха в указанные месяцы ниже, а также высоки цены на земельные участки и т.п., снижаются энергоэкономические показатели системы с ССК.
Вариант системы с районной котельной по затратам на 17% превышает другие системы и основная статья расходов - затраты на органическое топливо, которая имеет тенденцию к увеличению.
Поскольку стоимость основного оборудования сравниваемых систем может повышаться относительно небольшими темпами, по сравнению со стоимостью топлива, следует произвести анализ систем по удельным расходам топлива, поскольку для стран, ориентированных на привозное топливо, кроме экономических показателей, наибольший интерес представляет вопрос топливо- или энергосбережения.
На рис. 4 для системы с НСК+ТН показано изменение удельного потребления топлива, которое связано с изменением среднемесячной температуры наружного воздуха. При этом среднесезонное удельное потребление топлива для этой системы составляет 53 г у.т./ кВт*ч тепловой энергии, что намного больше, чем для системы с ССК (0,4 г у.т./ кВт*ч). Это означает, что для условий г. Еревана система с ССК по топливо- и энергосбережению превосходит систему с НСК+ТН.
На этом же рисунке показано среднесезонное удельное потребление топлива для системы теплоснабжения на базе районной котельной. Как и следовало ожидать, это значение намного превышает соответствующие значения для систем солнечного теплоснабжения с различными комбинациями, т.к. последние используют солнечную энергию вместо органического топлива. Поскольку удешевление различных видов топлива невозможно из-за истощения их запасов, то эти показатели могут быть основными для стран, ориентированных на привозное топливо. Однако при этом следует учесть не только экономические, но и актинометрические и метеорологические показатели местности.
Из вышеизложенного следует, что предлагаемые системы солнечного теплоснабжения по приведенным затратам почти равноценны (из-за высокой цены ССК). Однако существуют другие варианты использования солнечной энергии, в частности, при помощи «солнечных» прудов или бассейнов, капвложения в которые намного ниже, чем в ССК. «Солнечные» пруды одновременно служат аккумуляторами низкопотенциального тепла, поскольку, при применении незамерзающей жидкости, даже в зимние месяцы, их температура равна или ниже температуры окружающей среды. Предварительные расчеты подтверждают это, однако, это уже тема другой статьи.
1. Использование солнечной энергии в системах теплоснабжения с ССК и НСК+ТН по соображениям топливо- и энергосбережения намного эффективнее и экологически безопаснее, чем сжигание топлива в районных котельных.
2. При актинометрических и метеорологических условиях г. Еревана для ГВС микрорайона системы теплоснабжения с ССК и НСК+ТН по приведенным затратам равноценны, однако, по топливосбережению система с НСК+ТН намного уступает системе с ССК.
3. Система теплоснабжения с НСК+ТН и грунтовым аккумулятором может обеспечить ГВС микрорайона и в зимние месяцы, а также осуществить хладоснабжение микрорайона или других потребителей при комбинированной выработке теплоты и холода, что намного повысит энергоэкономические показатели данной системы.
4. Показатели системы с НСК+ТН и «солнечным» прудом или бассейном могут оказаться намного выше, чем при других системах солнечного теплоснабжения из-за низких капитальных вложений в систему и ее возможности работать в зимние месяцы.
Литература
1. Петросян А.Л. Использование солнечной энергии и тепловых насосов для теплоснабжения жилых зданий. Сб. научн. трудов Ереванского государственного университета архитектуры и строительства. Том 2. 2003. С. 122-124.
2. Бекман У., Клейн С., Даффи Дж. Расчет системы солнечного теплоснабжения. М.: Энергоиздат, 1982. С. 80.
3. Девочкин М.А. и др. Технико-экономические расчеты в энергетике на современном этапе. Известия вузов. Энергетика. Минск, 1987. № 5. С. 3-7.
4. МТ34-70-010-83. Методика определения валовых выбросов вредных веществ в атмосферу от котлов тепловых станций. Союзтехэнерго. М., 1984. С. 19.
