ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В СИСТЕМЕ

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В
СИСТЕМЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Студент Дышловенко Д.В.
Профессор Салова Т.Ю.
ФГБОУ ВО СПбГАУ
Санкт-Петербург, Россия
ASSESSMENT OF EFFICIENCY OF USE OF THERMAL PUMPS IN SYSTEM
OF HEAT SUPPLY
Student Dyshlovenko D
Professor Salova T.Yu.
FGBOU VO SPbGAU
St. Petersburg, Russia
Тепловые насосы позволяют переносить тепло от более холодного тела к более
горячему посредством испарения и конденсации, использовать теплоту практически всех
окружающих сред: воды, воздуха, грунта. Теплонасосные установки давно доказали свою
эффективность благодаря тому, что передают потребителю в 3 – 5 раз больше энергии,
чем затрачивают сами на ее передачу. Кроме того, в тепловых насосах используются
экологически чистые технологии практически без выбросов вредных веществ в
окружающую среду [1].
Тепловые насосы малой
мощности
(до
100
кВт) получили
широкое
распространение в высокотехнологичных странах мира. Они компакты, надежны,
экологичны, работают при низких температурах наружного воздуха зимой, а также
способны осуществлять кондиционирование помещений в теплый период года.
Таким образом, можно считать, что рынок маломощных тепловых насосов
бурно развивается, и необходимо оценить перспективы применения тепловых насосов
большой мощности (до 30 МВт и более) для модернизации и развития систем
теплоснабжения, преимущество котторых по сравнению с тепловыми насосами малой
мощности заключаются в следующем:
·- более низкие удельные капиталовложения (на 1 кВт тепловой мощности);
·- меньшая занимаемая площадь по сравнению с большим количеством
маломощных тепловых насосов;
·- более высокие технико-экономические показатели отдельных элементов
(например, изоэнтропный КПД компрессора) и теплового насоса в целом.
Грунт – это наиболее универсальный источник рассеянной теплоты. Он
аккумулирует солнечную энергию и целый год подогревается от земного ядра. При этом
он всегда "под ногами” и способен отдавать тепло в независимости от погоды. На глубине
5-7 м температура практически постоянная на протяжении всего года. Для большей
территории России она составляет 8-12°С, что вполне достаточно для обустройства
высокоэффективного системы отопления и охлаждения.
Более того, в верхних слоях земли минимальное значение температуры
достигается на несколько месяцев позже от пиков морозов – потребность в интенсивном
обогреве с помощью теплового насоса "грунт-вода" до той поры уменьшается. В целом
же, грунт достаточно надежно поставляет теплоту для теплового насоса. Необходимая
энергия
собирается
грунтовым
теплообменником,
углубленным
в
землю,
и
аккумулируется в теплоносителе, который потом подается в испаритель теплового насоса
и возвращается назад за новой порцией тепла. В качестве такого носителя используется
незамерзающая, экологически безопасная жидкость - «рассол»
большинстве
тепловых
насосов
"грунт-вода"
используется
или антифриз. В
раствор
воды
и
пропиленгликоля или этиленгликоля.
Существует и другая схема отбора теплоты, когда вместо ”рассола” в контуре
циркулирует
фреон,
который
превращается
в пару непосредственно
в трубах
теплосборника. Эта схема повышает КПД теплового насоса, но ее эксплуатация сложна и
небезопасна для окружающей среды. Поэтому
наиболее популярный тепловой насос
"грунт-вода" с ”рассолом”, в которых используется два вида теплообменников:
грунтовый коллектор и грунтовый зонд.
Оба выполняются из полиэтиленовых труб диаметром около 40 мм с добавками
теплопроводного пластификатора.
Грунтовый горизонтальный коллектор представляет собой длинную трубу,
горизонтально вложенную под слоем грунта. Главное преимущество горизонтального
коллектора – универсальность и простота монтажа. Недостаток – большая площадь под
грунтовый коллектор – 25-50 м2 на 1 кВт мощности теплонасоса (причем площадку можно
использовать лишь под газон или однолетние цветы). Есть много схем укладки труб
грунтового теплообменника: петля, змейка, зигзаг, плоские и винтовые спирали разных
форм, так называемый способ ”Slinky” и др. Выбор способа укладки горизонтального
коллектора определяется теплопроводностью грунта и геометрией участка.
Производительность грунтового теплообменника больше на увлажненных
суглинках и значительно меньше на сухих песчаных участках. В среднем 1
м2 поверхности грунта может обеспечить снабжение 10-40 Вт мощности. Если нужна
большая мощность теплового насоса "грунт-вода", то петель грунтового коллектора
делают несколько.
Вертикальные коллекторы – это система длинных труб, которые опущены в
глубокую скважину (50-150 м). Тепловой насос "грунт-вода" с использованием
вертикального теплообменника нуждается лишь в небольшом участке земли, на котором
проводятся работы по бурению. На глубине всегда одинаковая температура – от 10°С и
выше, поэтому вертикальные коллекторы мощнее по съему теплоты в отличие от
горизонтальных. Один метр длины вертикального теплообменника дает возможность
получить от 30 до 100 Вт тепловой энергии в зависимости от грунта и его увлажненности.
Известно около десяти разных конструкций вертикальных коллекторов, даже достаточно
необычных (например, в виде труб, забетонированных в сваи фундамента дома). Но
наиболее применяемыми являются две: "труба в трубе" и U-образная. По одной линии
"рассол" подается циркуляционным насосом вниз, а по другой им же поднимается вверх, к
испарителю теплового насоса. Для улучшения теплопередачи и повышения прочности
вертикального коллектора зазор между землей или обсадной трубой и рабочими трубами
заполняется бетонитом или бетоном. Если нужно получить большую мощность, таких
вертикальных теплообменником делают несколько. Расстояния между вертикальными
коллекторами (скважинами) составляет 5-7 м.
Источником теплоты для тепловых насосов могут быть поверхностные воды реки, озера или грунтовые воды (скважины), а также стоковые воды технологических
циклов предприятий (например, система оборотного водоснабжения). Тепловые насосы
"вода-вода" практически не отличаются от тех, которые работают с "рассолом". Но
благодаря более высокой температуре теплоносителя зимой, годовая эффективность
использования таких тепловых насосов оказывается наивысшей.
Температура воды редко снижается ниже +4 °С. Чем ближе к поверхности, тем
температура больше варьируется в течение года, а в глубине - она относительно
стабильна. Полиэтиленовые трубы для отбора теплоты укладывается на дне или в грунте
дна, где температура еще немного выше, чем температура воды. Важно, чтобы трубы
снабжались отягощающим грузом для предотвращения всплытия или имели каркас. Чем
ниже они залегают, тем меньше риск повреждения.
В схеме системы теплонасосного теплоснабжения (рисунок 1) теплота отбирается
испарителем теплового насоса, преобразуется в тепловом насосе, использующем
электроэнергию, передается теплоносителю первого контура конденсатором теплового
насоса. Тепло из перового контура передается в бак-аккумулятор, который используется в
качестве накопителя тепловой энергии, и система может свободно функционировать без
него, компенсируя перепады температуры теплоносителя за счет увеличения потребления
электроэнергии [2].
Рисунок 1 - Функциональная схема системы теплонасосного теплоснабжения:
1 –тепловой насос, 2 – бак-аккумулятор, 3 – потребитель, 4,5 –циркуляционные контуры,
6-8 – теплообменники, 9,10 – циркуляционные насосы.
При использовании возобновляемых ресурсов в качестве источников может
возникнуть потребность в стабильном и постоянном источнике энергоснабжения. В
качестве
резервного
источника
электроводонагреватель.
теплонасосного
Для
источником
питания
наиболее
в
теплонасосной
эффективного
системе
применяется
использования
(электроводонагревателем)
и
потенциала
повышающим
термотрансформатором.
Тепловые насосы не только вырабатывают тепло, но и охлаждают помещения, то
есть они реверсивные. Тепловые насосы могут отбирать тепло из воздуха дома, охлаждая
его и направлять тепловые избытки в скважину или на улицу с воздухом. В летнее время
избыточное тепло можно использовать на подогрев бассейна. Также они способны
одновременно с обогревом или охлаждением приготовить горячую воду для бытовых
нужд.
Для использования полученной установки в качестве источника энергии в системе
кондиционирования воздуха рационально использовать абсорбционнцю холодильную
машину. Для накопления излишков тепловой энергии в моменты максимальной
выработки энергии и последующего ее использования в зимний период времени
применяется сезонное аккумулирование тепла при помощи грунтового теплового
аккумулятора. Наиболее эффективными представляются комбинированные системы
тепло- и холодоснабжения, включающие в себя тепловой насос, бака аккумулятор,
абсорбционную холодильную машину, дополнительно могут быть использованы
грунтовый тепловой аккумулятор совместно с тепловым насосом, повышающий
термотрансформатор и резервный источник теплоснабжения (рисунок 2).
С точки зрения технико-экономического обоснования (ТЭО) использование
теплового насоса, на фоне остальных источников тепла, показывает наиболее высокую
экономию средств. Первоначальные инвестиции в тепловой насос достаточно велики, но,
при детальном изучении ТЭО и правильном подходе к использованию всех преимуществ
теплового насоса, как то, функция охлаждения в летний период, правильный расчет
мощности, удешевление монтажных работ за счет применения отечественных материалов,
позволяет сократить срок окупаемости на некоторых объектах до 2-3 лет.
Рисунок 2 - Функциональная схема системы теплонасосного теплоснабжения:
2 - тепловой насос, 3 – электроводонагреватель, 4 – бак аккумулятор, 5 – потребитель, 6-9
–циркуляционные контуры, 10-13 – теплообменники, 14 – повышающий
термотрансформатор, 15-18 – циркуляционные насосы, 19 – абсорбционная холодильная
машина, 20 – вентилятор, 21– грунтовый тепловой аккумулятор.
По прогнозу Мирового Энергетического Агентства, к 2020 году в передовых
странах доля отопления и горячего водоснабжения от теплонасосов составит не менее
75%, в мировой практике меняется стратегия теплоснабжения: происходит переход от
традиционного сжигания органического топлива к использованию энергоэффективных
технологий для утилизации рассеянного или сбросного техногенного теплоты.
Литература
1 Фортов В.Е. Возобновляемые источники энергии в Мире и в России / В.Е. Фортов, О.С.
Попель // Энергетический вестник. 2013. №16. С. 20-31.
2 Амерханов Р.А. Использование воздушного теплового насоса для теплоснабжения
объектов /Р.А. Амерханов, А.С. Кириченко, В.П. Снисаренко // Известия высших учебных
заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. – № 6 (175). – 2015.