Муниципальное образовательное учреждение городского округа Балашиха “Лицей”
advertisement
Муниципальное образовательное учреждение городского округа Балашиха “Лицей” Тепловые насосы. Выполнили ученики 8 ”В” класса Сухарников Андрей Александрович Косивченко Матвей Петрович Руководитель: учитель физики Брысов Владимир Николаевич 1 Оглавление. Введение………………………………………………………………………..…...…………………………………………………………………3 Принцип работы теплового насоса, характеристики……………………………………………………………………………5 Типы тепловых насосов…………………………………………………………………………………………………………………………6 Экономические показатели тепловых насосов………………………………………………………………………………….10 Опытная установка………………………………………………………………………………………………………………………………18 Вывод…………………………………………………………………………………………………………………………………………………..19 2 Введение. Перед современным миром стоит экологическая проблема недостатка энергетических ресурсов. Кроме того, использование углеродного топлива наносит огромный ущерб окружающей среде. Тепловые насосы как технология, позволяющая вытеснить органическое топливо и обеспечить теплоснабжение с минимальными затратами первичной энергии, находится в центре внимания зарубежных и отечественных исследователей и промышленных фирм. Главные цели проекта: 1. 2. 3. 4. 5. Рассмотреть историю создания и принцип работы тепловых насосов Оценить экономическую эффективность тепловых насосов Рассмотреть области применения тепловых насосов Создать опытную установку Сделать выводы Тепловой насос - экологически чистая система, позволяющая получать тепло 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. Историю создания тепловых насосов принято исчислять с 1852г., с того момента, когда выдающийся британский физик и инженер Уильям Томсон (лорд Кельвин) предложил практическую теплонасосную систему, которую назвал «умножителем тепла». Однако, любым практическим решениям и опытным образцам всегда предшествуют глубокие теоретические труды и долгие практические опыты. Поэтому, некоторые современные исследователи считают 1824г. - годом возникновения холодильной машины, когда 28-летний французский физик, основоположник термодинамики, Сади Карно сформулировал принципа работы теплового насоса. Немалый научный вклад в получение низких температур внес русский академик М.В.Ломоносов (1711 – 1765), написавший в 1744 г. свою работу «Размышления о причине теплоты и холода». Первую теплонасосную установку (ТНУ) для отопления своего дома построил в 1927 году в Шотландии собрал английский инженер Д. Холдейн. В качестве ТН была использована холодильная машина с электроприводом в 5 кВт. Реализатором идеи грунтовых (земляных) геотермальных тепловых насосов, которые получили в дальнейшем реальное практическое применение особенно для северных стран, считается изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер (1824— 1896). Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон. На сегодняшний день такая технология извлечения тепла с грунта называется непосредственным кипением и считается самой эффективной. В 1980 г. в США работало около 3 млн. теплонасосных установок, в Японии 0,5 млн, в Западной Европе 0,15 млн. В 1993 г. общее количество работающих теплонасосных установок (ТНУ) в развитых странах превысило 12 млн, а ежегодный выпуск составляет более 1 млн. 3 В 2000г. в США насчитывалось уже более 50 крупных компаний, занимающихся производством тепловых насосов. К 2003 году общее количество ТНУ превысило 25 млн. единиц. В настоящее время в Японии уже эксплуатируют более 10 млн. тепловых насосов, в США ежегодно выпускается более 1млн. тепловых насосов, Швеция получает 50% тепловой энергии, используя тепловые насосы. В СССР историю тепловых насосов следует начинать с работ физика В. А. Михельсона. Он впервые проанализировал возможность применения парокомпрессионных (конденсационных) холодильных машин для теплоснабжения зданий. В собрании сочинений В. А. Михельсона представлены два детально разработанных проекта: "Проект двухэтажного жилого дома, динамически отапливаемого из артезианского колодца" и "Проект четырехэтажной гостиницы, динамически отапливаемой из аккумулятора солнечной теплоты, расположенного под самим зданием". К сожалению, эти проекты не были претворены в жизнь. Н. И. Гельперин рассмотрел вопросы применения тепловых насосов в выпарных и сушильных установках для химической и других отраслей промышленности. В 30-е годы исследованиями тепловых насосов начали заниматься в Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского, Всесоюзном теплотехническом институте им. Ф. Э. Дзержинского, Центральном котлотурбинном институте им. И. И. Ползунова и других организациях. Были выполнены первые разработки по применению крупных парокомпрессорных тепловых насосов в системах теплоснабжения. После распада СССР и спада производства, почти все освоенные тепловые насосы и новые разработки оказались невостребованными, а еще позже оказались физически и морально устаревшими. В настоящее время из всех заводов, производящих холодильное оборудование, только АО "Московский завод холодильного машиностроения "Компрессор" выпускает два типоразмера тепловых насосов. Принцип работы. Источником тепла для теплового насоса может быть скалистая порода, земля, вода в водоеме или скважине, воздух. Охлажденный теплоноситель, проходя по трубопроводу в земле или воде, нагревается на несколько градусов. Теплоноситель, проходя через теплообменник, отдает аккумулированное тепло во внутренний контур теплового насоса, заполненный хладагентом. Хладагент (с низкой температурой кипения) в расширителе при низком давлении и температуре -5°С переходит из жидкого состояния в газообразное. 4 Компрессор сжимает хладагент до высокой температуры, уже горячий газ поступает во второй теплообменник, где происходит передача тепла в систему отопления. Охладившись при этом, хладагент становится вновь жидкостью, а нагретый теплоноситель внутреннего контура подает тепло потребителю. Характеристики. В процессе работы компрессор потребляет электроэнергию. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты; англ. COP — сокр. от coefficient of performance) и служит показателем эффективности теплового насоса. Для вычисления COP используется следующая формула: где — тепловая энергия резервуара [Дж]; — работа, совершенная компрессором [Дж]. Также COP можно найти для идеального цикла Карно по следующей формуле: COP = Tout/Tout- Tin где — температуры соответственно на выходе и на входе насоса. Реальный коэффициент трансформации отличается от идеального, описанного формулой, на величину коэффициента h, учитывающего степень термодинамического совершенства и необратимые потери энергии при реализации цикла. В таблице представлены некоторые значения h для различных компрессоров. 5 Мощность, кВт Тип компрессора Эффективность (степень термодинамического h, доли ед. 300−3000 Открытый центробежный 0,55-0,75 50-500 Открытый поршневой 0,5-0,65 20-50 Полугерметичный 0,45-0,55 2-25 Герметичный, с R-22 0,35-0,5 0,5-3,0 Герметичный, с R-12 0,2-0,35 <0,5 Герметичный <0,25 совершенства) Коэффициент трансформации (КТ) теплового насоса (его еще называют коэффициентом преобразования (КП) теплового насоса или множительным коэффициентом (МК) теплового насоса) измеряют в единицах от 1 до 7. Это означает, что данный тепловой насос в заданном режиме на 1кВт затраченной электрической энергии вырабатывает от 1 до 7 КВт тепловой энергии, в зависимости от коэффициента трансформации. Это так называемый идеальный коэффициент. В реальности его надо умножить ещё на коэффициенты: - потерь, связанных с неидеальностью тепловых процессов, протекающих в испарителе и конденсаторе, из-за неидеальности теплофизических характеристик хладонов; -необратимых потерь при сжатии; -потерь механических (трение и т.п.) в компрессорах; -потерь механических и электрических в двигателях и прочее, как трение в трубах и т.п. Типы тепловых насосов. 1) Испарительные компрессионные тепловые насосы Принцип работы этого класса тепловых насосов заключается в следующем. Газообразный (полностью или частично) хладагент сжимается компрессором до давления, при котором он может превратиться в жидкость. Естественно, при этом он нагревается. Нагретый сжатый хладагент подаётся в радиатор конденсатора, где охлаждается до температуры окружающей среды, отдавая ей излишнее тепло. Если на входе конденсатора значительная часть сжатого горячего хладагента ещё оставалась в виде пара, то при понижении температуры в ходе теплообмена она также конденсируется и переходит в жидкое состояние. Относительно охлаждённый жидкий хладагент подаётся в расширительную камеру, где, проходя через дроссель или детандер, теряет давление, расширяется и испаряется, по крайней мере частично переходя в 6 газообразную форму, и, соответственно, охлаждается, — существенно ниже температуры окружающей среды и даже ниже температуры в зоне охлаждения теплового насоса. В мощных промышленных холодильниках в качестве хладагента используется ядовитый, но эффективный аммиак, производительные турбокомпрессоры и иногда детандеры. В бытовых холодильниках и кондиционерах хладагентом обычно являются более безопасные фреоны, а вместо турбоагрегатов используются поршневые компрессоры и «капиллярные трубки» (дроссели). 2) Испарительные абсорбционные (диффузионные) тепловые насосы Рабочий цикл испарительных абсорбционных тепловых насосов весьма схож с рабочим циклом испарительных компрессионных установок, рассмотренных чуть выше. Главное различие заключается в том, что если в предыдущем случае разрежение, необходимое для испарения хладагента, создаётся при механическом отсосе паров компрессором, то в абсорбционных агрегатах испарившийся хладагент поступает из испарителя в блок абсорбера, где поглощается (абсорбируется) другим веществом — абсорбентом. Тем самым пар удаляется из объёма испарителя и там восстанавливается разрежение, обеспечивающее испарение новых порций хладагента. Необходимым условием является такое «сродство» хладагента и абсорбента, чтобы силы их связывания при поглощении смогли создать существенное разрежение в объёме испарителя. Исторически первой и до сих широко используемой парой веществ является аммиак NH3 (хладагент) и вода (абсорбент). При поглощении пары аммиака растворяются в воде, проникая (диффундируя) в её толщу. Для того чтобы вновь разделить хладагент (аммиак) и абсорбент (воду), отработавшую и богатую аммиаком водоаммиачную смесь нагревают в десорбере внешним источником тепловой энергии вплоть до кипения, затем несколько охлаждают. Первой конденсируется вода, но при высокой температуре сразу после конденсации она способна удержать очень мало аммиака, поэтому основная часть аммиака остаётся в виде пара. Здесь находящиеся под давлением жидкую фракцию (воду) и газообразную (аммиак) разделяют и по отдельности охлаждают до температуры окружающей среды. Остывшая вода с малым содержанием аммиака направляется в абсорбер, а аммиак при охлаждении в конденсаторе становится жидким и поступает в испаритель. Там давление падает, и аммиак испаряется, снова охлаждая испаритель и забирая извне тепло. В результате, по организации и количеству стадий рабочего цикла абсорбционно-диффузионные тепловые насосы являются наиболее сложными из всех распространённых типов подобного оборудования. Типы по источнику отбора. В зависимости от источника отбора тепла тепловые насосы подразделяются на: 1) Геотермальные (используют тепло земли, наземных либо подземных грунтовых вод 7 а) замкнутого типа горизонтальные Коллектор размещается кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (обычно от 1,20 м и более). Такой способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур. вертикальные Коллектор размещается вертикально в скважины глубиной до 200 м. Этот способ применяется в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет разместить контур горизонтально или существует угроза повреждения ландшафта. водные Коллектор размещается извилисто либо кольцами в водоеме (озере, пруду, реке) ниже глубины промерзания. Это наиболее дешевый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объёму воды в водоеме для конкретного региона. С непосредственным теплообменом В отличие от предыдущих типов, хладагент компрессором теплового насоса подаётся по медным трубкам, расположенным: Вертикально в скважинах длинной 30 м и диаметром 80 мм Под углом в скважинах длинной 15 м и диаметром 80 мм Горизонтально в грунте ниже глубины промерзания Циркуляция хладагента компрессором теплового насоса и теплообмен фреона напрямую через стенку медной трубы с более высокими показателями теплопроводности обеспечивает высокую эффективность и надежность геотермальной отопительной системы. Также использование такой технологии позволяет уменьшить общую длину бурения скважин, уменьшая таким образом стоимость установки. б) открытого типа Подобная система использует в качестве теплообменной жидкости воду, циркулирующую непосредственно через систему геотермального теплового насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе возвращается в землю. Этот вариант возможно реализовать на практике лишь при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии, что такой способ использования грунтовых вод не запрещён законодательством. 8 2) Воздушные (источником является воздух) отбора тепла 3) Использующие производное (вторичное) тепло (например, тепло трубопровода центрального отопления). Подобный вариант является наиболее целесообразным для промышленных объектов, где есть источники паразитного тепла, которое требует утилизации. Типы промышленных моделей. По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на восемь типов: «грунт—вода», «вода—вода», «воздух— вода», «грунт—воздух», «вода—воздух», «воздух—воздух» «фреон—вода», «фреон—воздух». Тепловые насосы могут использовать тепло выпускаемого из помещения воздуха, при этом подогревать приточный воздух — рекуператоры. Эффективность и выбор определённого источника тепловой энергии сильно зависят от климатических условий, особенно, если источником отбора тепла является атмосферный воздух. По сути этот тип более известен в виде кондиционера. В жарких странах таких устройств десятки миллионов. Для северных стран наиболее актуален обогрев зимой. Системы «воздух-воздух» и «воздух-вода» используются и зимой при температурах до минус 25 градусов, некоторые модели продолжают работать до −40 градусов. Но их эффективность невысока. Скальная порода требует бурения скважины на достаточную глубину (100—200 метров) или нескольких таких скважин. В скважину опускается U-образный груз с двумя пластиковыми трубками, составляющими контур. Трубки заполняются антифризом. По экологическим соображениям это 30 % раствор этилового спирта. Скважина заполняется грунтовыми водами естественным путём, и вода проводит тепло от камня к теплоносителю.Ориентировочно на 1 погонный метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой мощности. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной около 170 м. Самые эффективные, но и самые дорогие схемы предусматривают отбор тепла от грунта, чья температура не меняется в течение года уже на глубине нескольких метров, что делает установку практически независимой от погоды. По данным2006 года в Швеции полмиллиона установок, в Финляндии 50 000, в Норвегии устанавливалось в год 70 000. При использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на 30-50 см ниже уровня промерзания грунта в данном регионе. На практике 0,7 — 1,2 метра. Минимальное рекомендуемое производителями расстояние между трубами коллектора — 1,5 метра, минимум — 1,2. При использовании в качестве источника тепла близлежащего водоёма контур укладывается на дно. Глубина не менее 2 метров. Коэффициент преобразования энергии 9 тепловым насосом такой же, как при отборе тепла от грунта. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода — 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 300 м. Чтобы трубопровод не всплывал, на 1 пог. м устанавливается около 5 кг груза. Промышленные образцы: 70 — 80 кВт*ч/м в год. Экономические показатели тепловых насосов. Цены. Средние цены воздушных тепловых насосов составляют от 20000 до 100000 р. для домашнего пользования, от 500000 р. для промышленности. Стоимость геотермальных тепловых насосов для дома около 500000 р. Преимущества и недостатки. Преимущества. 1) К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с кпд до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования. 2) Ещё одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются системы «холодный потолок». 3) Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции. 4) Важной особенностью системы является её сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего. 5) Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен. Недостатки. 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 10 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 электроэнергии в регионе. 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 11 проектировании систем теплоснабжения необходим учет такого охлаждения грунта, что делает ее еще более затратной. Применение. Для установки теплового насоса необходимы первоначальные затраты: стоимость насоса и монтажа системы составляет $300-1200 на 1 кВт необходимой мощности отопления. Время окупаемости теплонасосов составляет 4-9 лет, при сроке службы по 15-20 лет до капитального ремонта. Существует и альтернативный взгляд на экономическую целесообразность установки теплонасосов. Так, если установка теплонасоса производится на средства, взятые в кредит, экономия от использования теплонасоса может быть меньше, чем стоимость использования кредита. Поэтому массовое использования теплонасосов в частном секторе можно ожидать, если стоимость теплонасосного оборудования будет сопоставима с затратами на установку газового отопления и подключения к газовой сети. Возможным выгодным применением теплового насоса может стать его комбинирование с существующими системами централизованного теплоснабжения. К потребителю в этом случае может подаваться относительно холодная вода, тепло которой преобразуется тепловым насосом в тепло с потенциалом, достаточным для отопления. Но при этом вследствие меньшей температуры теплоносителя потери на пути к потребителю (пропорциональные разности температуры теплоносителя и окружающей среды) могут быть значительно уменьшены. Также будет уменьшен износ труб центрального отопления, поскольку холодная вода обладает меньшей коррозионной активностью, чем горячая. 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. С середины 70-х годов прошлого столетия применение тепловых насосов позволяло решать различные инженерные задачи: отопление (и/или охлаждение) частных коттеджей и промышленных зданий, подготовка горячей воды любых объемов. В местах, где есть сложности с подведением газа, тепловые насосы являются идеальным решением по организации систем отопления/охлаждения и горячего водоснабжения. Таким опытом применения тепловых насосов обладают частные коттеджи и, даже, целые поселки. Однако тепловые насосы устанавливают не только в местах, где отсутствует газификация, но и в крупных городах. На крупных промышленных объектах часто используются высоковольтные трансформаторы, выделяющие колоссальное количество тепла. Перегрев такого оборудования автоматически снижает его эффективность. Применение тепловых насосов позволяет избежать перегрева дорогостоящего оборудования, сохранить эффективность его работы, а также эффективно обогреть помещения, находящиеся рядом с трансформатором, а также обеспечить их горячей водой. Сравнение теплового насоса и электрокотла. 12 Сводим в таблицу два варианта производства тепла для отопления и горячего водоснабжения: тепловой насос и вспомогательный электрокотел под автоматическим управлением теплового насоса, отдельный электрокотёл. Тепловой насос, и вспомогательный электро котел Электрокотел Необходимо тепла, кВтч в год 185 597 185 597 Будет потрачено электроэнергии, кВтч в год 48 492 185 597 4,2 4,2 48492х4,2=203666 185597х4,2=779507 779507-203666=575841 0 1681000 (без учета линии электроснабжения*) 41000 (без учета линии электроснабжения*) Тариф на электроэнергию, руб/кВтч Затраты, руб в год Экономия, руб в год Первоначальная инвестиция, руб Срок окупаемости теплового насоса, лет 3,2 Применение тепловых насосов в России. Опыт использования тепловых насосов в нашей стране пока невелик (10 – 15 лет), однако условия для их внедрения есть. Во-первых, с ростом цен на топливо и электроэнергию и повышением экологических требований возрастает целесообразность их использования. Вовторых, 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.1*. 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. 13 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 электроэнергии в регионе. Воздушные тепловые насосы, более приемлемые для регионов России, имеют коэффициент трансформации 3,2-3,6 (при температуре воздуха tн=2 °С). Однако они имеют существенные ограничения в использовании: при снижении температуры наружного воздуха резко снижаются их тепловая мощность и коэффициент трансформации. При tн<-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 схем тепловых насосов 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 м2 каждый, за расчетный период 30 лет. 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 варианты теплоснабжения на базе тепловых насосов не являются экономически эффективными ни для одного из рассмотренных регионов России. 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, 14 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. 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.1* в год. Практическое применение тепловых насосов в России. В Москве, в микрорайоне Никулино-2 фактически впервые была построена теплонасосная система горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома. Этот проект был реализован в 1998-2002 годах Министерством обороны РФ совместно с Правительством Москвы, Минпромнауки России, Ассоциацией "НП АВОК" и ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" в рамках "Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве". Проект выполнен под научным руководством доктора технических наук, член-корреспондента РААСН Ю. А. Табунщикова. Тепловой узел горячего водоснабжения запроектирован на каждую секцию жилого дома, содержащую 64 квартиры и рассчитанную на 224 жителя. Число этажей – 17. Тепловой узел горячего водоснабжения предназначен для подогрева водопроводной воды. Нагрузка горячего водоснабжения: Максимальный часовой расход горячей воды, м.куб.\час – 4.47, соответствующая тепловая нагрузка, кВт. – 282. Средний за сутки часовой расход горячей воды, м.куб.\час – 1,07, соответствующая тепловая нагрузка, кВт. – 79,2. Максимальная нагрузка почти вчетверо превышает среднюю. Из соображений снижения капитальных затрат на наиболее дорогое оборудование (тепловые насосы), была принята схема с суточными аккумуляторами горячей воды. Расчетный срок окупаемости за счет экономии эксплуатационных затрат 4 года. В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для испарителей тепловых насосов используется тепло грунта поверхностных слоев Земли, а также тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Такая система также допускает использование в качестве низкопотенциального источника тепловой энергии тепло сточных вод. Установка для подготовки 15 горячего водоснабжения расположена в подвале здания. Она включает в себя следующие основные элементы: парокомпрессионные теплонасосные установки (ТНУ); баки-аккумуляторы горячей воды; системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха; циркуляционные насосы, контрольно-измерительную аппаратуру. Основным теплообменным элементом системы сбора низкопотенциального тепла грунта являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального типа, расположенные снаружи по периметру здания. Эти теплообменники представляют собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 м каждая, устроенных вблизи дома. Система сбора низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха предусматривает устройство в вытяжных вентиляционных камерах теплообменниковутилизаторов, гидравлически связанных с испарителями теплонасосных установок. В этом случае обеспечивается более глубокое охлаждение вытяжного воздуха и использование его тепла в тепловых насосах для получения горячей воды. Система решена следующим образом. Из вентиляционных шахт удаляемый воздух собирается в коллектор и из него вытяжным вентилятором прогоняется через теплообменникутилизатор, охлаждается и выбрасывается в атмосферу. Теплообменник-утилизатор связан с испарителем теплового насоса промежуточным контуром при помощи циркуляционного насоса. От конденсатора теплового насоса полезное тепло отводится в систему горячего водоснабжения. Поскольку режим работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление горячей воды переменное, система горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области. Одним из таких объектов является сельская школа в Ярославской области, введенная в эксплуатацию в сентябре 1998 года в деревне Филиппово Любимского района. Фактически это первая в России сельская школа, оборудованная теплонасосной системой теплоснабжения, использующей низкопотенциальное тепло грунта поверхностных слоев Земли. Технология теплоснабжения школы была разработана ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ», теплонасосное оборудование изготовлено и смонтировано ФГУП «Рыбинский завод приборостроения», проектирование школы осуществлено 16 ОАО «Ярославгражданпроект». Здание школы представляет собой двухэтажное кирпичное строение из силикатного кирпича площадью 950 м2, объемом 6900 м3, с толщиной стен 640–680 мм, площадью оконных и дверных проемов 230 м2 и 20 м2 соответственно. Здание имеет техническое подполье и двускатную крышу с чердачным перекрытием. Школа расположена на окраине д. Филиппово, примерно в 100 км от Ярославля, и рассчитана на 162 учащихся и 20 преподавателей. В таблице приведены расчетные нагрузки на системы жизнеобеспечения школы. Расчетные нагрузки на системы жизнеобеспечения школы Наименование параметра Расчетные теплопотери здания, кВт Количество 130 Среднесуточный расход тепловой 162 энергии на горячее водоснабжение, кВт* ч Пиковый часовой расход горячей воды, м3/ч 1/1 Подведенная к зданию школы электрическая мощность, кВт 96 Основным фактором, фактически определившим технологию и конфигурацию теплоснабжения школы, был значительный дефицит свободной электрической мощности в дневное время суток. В итоге была создана аккумуляционная теплонасосная система теплоснабжения, максимально вписанная в суточный график электропотребления школы и использующая высвобождающиеся ночью электрические мощности и ночной тариф на электроэнергию для аккумулирования тепловой энергии в водяных баках-аккумуляторах. В качестве источника тепловой энергии низкого потенциала для испарителей тепловых насосов используется грунт поверхностных слоев Земли. Основным теплообменным элементом системы теплосбора являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального типа. При устройстве в грунте вертикальных регистров труб с циркулирующим по ним теплоносителем, имеющим пониженную относительно окружающего грунтового массива температуру, происходит отбор тепловой энергии от грунта и отвод ее в испаритель теплонасосной установки. Теплонасосная станция расположена в отдельно стоящем здании теплового пункта, которое ранее планировалось для размещения угольной котельной. В этом же здании в цокольном этаже размещена холодильная камера для школьной столовой, охлаждаемая от теплонасосных установок. 17 Теплонасосная система теплоснабжения школы включает следующие основные элементы: теплонасосные установки АТНУ-15; баки-аккумуляторы АКВА-3000, в каждом из которых установлено три ТЭН по 9 кВт с таймерами; систему сбора низкопотенциального тепла грунта – восемь вертикальных грунтовых теплообменников – термоскважин глубиной 40 м каждая, расположены снаружи вокруг здания теплового пункта на расстоянии 3 м от стен; циркуляционные насосы, контрольно-измерительную аппаратуру. Теплонасосная система теплоснабжения школы эксплуатируется уже в течение четырех отопительных сезонов. Ежегодно, перед началом отопительного сезона, специалистами ФГУП «Рыбинский завод приборостроения» проводятся регламентные работы, а ежемесячно в течение отопительного периода – контрольные осмотры работающего оборудования. Кроме того, тепловой узел оснащен контрольно-измерительной аппаратурой (тепловыми и электрическими счетчиками), с помощью которой ведется постоянный мониторинг эксплуатационных режимов школы. Теплонасосная система теплоснабжения школы обеспечивает экономию энергии от 30 до 45 %, что позволило за четыре года эксплуатации сэкономить около 60 т у.т. Опытная установка. У нас имеется опытная установка теплового насоса на базе абсорбционного холодильника “Морозко”. Объем нагреваемой камеры равен 0,002 м3. 1 – Термометр 2 – Испаритель 3 – Теплоизолятор 4 - Камера Были проведены опыты, позволившие подтвердить работоспособность и высокий потенциал таких установок. Примерная оценка коэффициента трансформации. Была проведена примерная оценка коэффициента трансформации для опытной установки. Q=cmΔT Где Q – Теплота, поступившая в камеру. С – теплоемкость воздуха m – Масса воздуха в камере 18 ΔT – Разница температур в начале и в конце эксперимента. m=ρвозд.*V Где ρвозд. – Плотность воздуха при нормальных условиях V – объем камеры A=IUƬ I – Действующая сила тока U – Действующее напряжение U=220В I=2А КТР=Q/A=(cmΔT) / (IUƬ) Среднее значение КТР для установки получилось около 1,6. Такое низкое значение обусловлено слабой мощностью установки, высокой начальной температурой и слабой изолированностью камеры. Вывод. Итак, тепловой насос является эффективным средством получения энергии из окружающей среды, имеющим ряд преимуществ перед другими источниками энергии. Это устройство вполне способно заменить традиционные способы получения энергии сжиганием топлива, которое рано или поздно может закончиться. Данная установка способна принести экономическую выгоду в процессе её использования как в промышленности, так и в обогреве дачных участков. Тепловой насос имеет хорошие перспективы для развития и применения в недалёком будущем. 19
