В системах теплоснабжения многих стран широкое распространение получили парокомпрессионные тепловые насосы (ТН) мощностью до 0,5 МВт с поршневыми компрессорами. Производятся также винтовые ТН установленной тепловой мощностью до 9 МВт и турбокомпрессорные – выше 9 МВт. В настоящее время в мире в системах теплоснабжения эксплуатируется более 18 млн крупных ТН. В наибольших масштабах они применяются в Швеции, где общая установленная тепловая мощность ТН превысила 1200 МВт, а самый крупный из них имеет мощность 320 МВт.
В России общая установленная тепловая мощность ТН составляет всего 65 МВт . За последние 10 лет государственная система разработки, строительства и эксплуатации теплонасосных установок практически прекратила существование. В СССР была система нормативных документов, разработки, изготовления ТН, проектирования теплонасосных установок (ТНУ) в системах теплоснабжения. Разработкой ТН занимался ВНИИхолодмаш (г. (Москва). Тепловые насосы выпускали на ПО «Мелитопольмаш» (45 – 65 кВт), экспериментальном заводе ВНИИхолодмаша (80 кВт), Читинском машиностроительном заводе (100 кВт), Московском заводе «Компрессор» (300, 500 кВт), НПО «Казанькомпрессормаш» (1,0, 2,5, 8,5, 11,5 МВт). В этих ТН была использована конструкция холодильных машин, что обусловливало их малый ресурс, так как соотношение давлений нагнетания и всасывания компрессоров ТН в три раза больше. Разработкой проектов установки ТН занимался ВНИПИэнергопром, Крымским филиалом которого было разработано 26 проектов с 117 ТН общей тепловой мощностью 165 МВт. Успешно эксплуатировались десятки систем теплоснабжения с ТН. Так, в Ялте работала теплонасосная система теплоснабжения с использованием теплоты морской воды мощностью 2,5 МВт. На Светлогорском целлюлозно-бумажном комбинате Ленинградской области эксплуатировалась ТНУ тепловой мощностью 18 МВт.
Перспективы применения ТН в российских системах теплоснабжения определяются их экономической и технологической востребованностью. Распространенная оценка эффективности ТН – по коэффициенту преобразования (отношению количества тепловой энергии на выходе ТН к количеству электрической энергии на его привод). По такой оценке для получения 100 Вт тепловой мощности на выходе ТН необходимо в среднем затратить 30 кВт электрической мощности. При работе ТН с электроприводом с учетом фактического КПД генерирования электроэнергии и ее потерь для получения на выходе из ТНУ 100 кВт тепловой мощности необходимо затратить 170 кВт (с учетом топливного эквивалента). При работе ТН с приводом от двигателя внутреннего сгорания (турбины) для получения на выходе ТН той же мощности (100 кВт) требуется только 88 кВт энергии первичного органического топлива.
Хотя в настоящее время в России нет государственной программы развития теплонасосного теплоснабжения, определенная работа в этом направлении все же ведется. В Минэнерго РФ разработан проект государственного стандарта «Нетрадиционная энергетика. Тепловые насосы для коммунально-бытового водоснабжения». По заказу Госстроя РФ разработаны «Методические рекомендации по применению ТН и методика расчета технико-экономической эффективности их использования в ЖКХ» (разработчик – ФГУП «МНИИЭКО ТЭК», г. Пермь, научный руководитель – доктор техн. наук Д. Г. Закиров). Министерство науки и технологий РФ организовало тендер на создание ТНУ с использованием низкопотенциальных источников тепла единичной тепловой мощностью до 20 МВт.
Разработкой и производством ТН в России в основном занимается ЗАО «Энергия» (Новосибирск) под руководством кандидата технических наук Ю. М. Петина. Оно серийно выпускает ТН мощностью от 0,1 до 5 МВт. Наиболее массово производятся машины НТ-300. Такие ТН установлены в школе г. Карасук Новосибирской области, здании ЦСУ г. Горноалтайска, на курорте «Горячинск» в Бурятии, в г. Елизово и пос. Термальном на Камчатке, в совхозе «Мирный» Алтайского края. НТ-500 эксплуатируется в научном центре «Институт экологии» г. Красноярска. Две машины НТ-1000 установлены в Новосибирской области, четыре тепловых насоса НТ-3000 – в Тюмени и Каунасе. Стоимость российских ТН составляет 90 – 100 тыс. дол./МВт, что значительно ниже зарубежных. Так, в США стоимость поршневого ТН равна 279 тыс. долл/МВт, в Европе стоимость винтовых – 137 – 159 тыс. долл/МВт, турбокомпрессорных – 1500 тыс. долл/МВт.
Проектированием систем теплоснабжения объектов с использованием ТН в Москве занимается коллектив ОАО «Инсоляр-Инвест» под руководством кандидата технических наук Г. П. Васильева. Тепловые насосы АТНУ-15 Рыбинского завода приборостроения установлены в теплоснабжения зданий жилого дома в микрорайоне «Никули-2» в г.Москва, школы в д. Филиппово Люблинского района Ярославской области. Для столицы ими разработаны нормы проектирования теплонасосных систем теплоснабжения. Проектирование и строительство теплонасосных систем теплоснабжения с использованием теплоты шахтных вод и водопровода осуществляет коллектив ФГУП «МНИИЭКО ТЭК» под руководством доктора технических. наук Д. Г. Закирова . Наибольшими темпами теплонасосное теплоснабжение развивается в Новосибирской области. Там реализуется областная целевая программа установки ТН на объектах 30 населенных пунктов общей тепловой мощностью 21 МВт.
Мировой опыт свидетельствует о перспективности масштабного применения ТН в теплоснабжении. Наибольшие успехи достигнуты в условиях государственной поддержки. В России в настоящее время отсутствие большого спроса на ТН vjuen объяснить следующие причины:
– низкая стоимость топлива, тепловой и электрической энергии;
– отсутствие государственной технической, экономической политики и нормативной базы в этой области;
– недостаточная информация и малый опыт практического применения;
низкая надежность, ограниченность типоразмеров отечественных конструкций;
– высокой для отечественного рынка стоимостью зарубежных ТН.
Перспективы применения ТН в российских системах теплоснабжения определяются:
– технологической востребованностью, в том числе при использовании вторичных энергоресурсов, геотермальной энергии;
– тенденцией повышения цен на топливо, тепловую и электрическую энергию;
– наличием в стране опытных разработчиков и производителей ТН, способных при сотрудничестве с зарубежными партнерами обеспечить выпуск конкурентоспособных ТН.
Реализуя всевозможные решения для отопления зданий, промышленных сооружений, производственных комплексов, коммерческих и государственных структур, специалисты руководствуются принципом энергоэффективности. С учетом особенностей нашего климата, экономически выгодным представляется использование источников энергии земли. Применение энергетических источников окружающего воздуха также обеспечивает весомые преимущества и отвечает сразу двум принципам - экономичности и энергоэффективности.
Просчитать выгоды от внедрения тепловых насосов на предприятиях и объектах можно заранее - еще на стадии планирования и проектирования. Для этого необходимо учесть срок окупаемости проекта, гарантированный срок службы оборудования, стоимость установок и монтажа, сервисного обслуживания. К конкурентным преимуществам тепловых насосов стоит отнести:
- возможность уменьшения эксплуатационных расходов в четыре-пять раз по сравнению с традиционными способами обогрева помещений - котлами и т.д.
- снижение потребляемой электрической мощности, направленной на обогрев зданий и повышение температуры воды, в четыре раза;
- универсальность - установки используются не только для отопления и горячего водоснабжения помещений, но и успешно заменяют системы кондиционирования воздуха в теплое время года;
- возможность удаленного управления системой, мониторинга работы;
- отсутствие необходимости обязательного сервисного обслуживания, отличающегося высокой ценой;
- гарантированный срок службы установленного оборудования при соблюдении рекомендаций - до семи лет.
Уведомление потенциальных покупателей тепловых насосов об их возможностях и преимуществах - необходимый, обязательный процесс. Только так у клиентов можно сформировать положительное мнение о современных системах отопления, что в перспективе позволит производителям быстрее и эффективнее продвигать свой товар на рынке.
Жители Европы по достоинству смогли оценить потенциал современных тепловых насосов. По разным данным, в европейских странах и городах успешно используются сотни тысяч тепловых установок. К сожалению, на отечественном рынке ситуация куда менее обнадёживающая - по самым смелым прогнозам, в стране используется несколько тысяч установок. И это несмотря на то, что на рынке в ассортименте представлено оборудование разных производителей из Европы, Азии, России.
Что же мешает повсеместно использовать тепловые насосы для отопления и ГВС? Причин несколько. Прежде всего, это демократичная стоимость газовых установок (даже при высокой стоимости их подключения), а также отсутствие программ, направленных на поддержку, субсидирование и поощрение пользователей, выбирающих теплонасосное оборудование.
И все же перспективы у рынка тепловых насосов есть, причем достаточно большие. Все возрастающая стоимость тарифов на газовое отопление, а также высокий ценник на подключение оборудования заставляют пользователей искать альтернативные варианты. Тепловые насосы - отличный способ обеспечить обогрев зданий в холодное время года по минимальной цене.
Успешный опыт, подтверждающий высокие экономические перспективы теплонасосного оборудования в России, может быть подтвержден портфолио нашей компании. В нем собрана информация обо всех объектах, где в свое время были внедрены теплонасосные установки. Большинство клиентов, которые обращаются к нам за помощью, руководствуются соображениями экономической эффективности оборудования. Однако не всегда выгоды играют определяющую роль: во многих случаях тепловые насосы становятся единственно возможным вариантом реализации технических решений, обеспечивающих обогрев зданий.
Экономическое обоснование проектов позволило определить срок окупаемости установок. Годовая экономия при использовании теплонасосного оборудования составляет 540 тысяч рублей. Соответственно, срок окупаемости проекта не превышает четырех с половиной лет. На практике результат оказывается еще более обнадеживающим: в год экономится около 570 тысяч рублей, что позволяет снизить срок окупаемости до четырех лет.
Впечатляющая экономия достигается за счет нескольких составляющих - высокой стоимости электроэнергии - 6,5 рублей за киловатт-час, эффективного и рационального использования теплонасосного оборудования, применения высокотехнологичных инженерных коммуникаций и современных решений.
Конкурентное преимущество нашей компании - комплексный подход к решению клиентских вопросов и задач, что позволяет использовать наиболее надежные и энергоэффективные решения. У нас вы можете заказать полный спектр услуг для объектов - от разработки технологического проекта до монтажа, пусконаладочных работ и сервисного обслуживания.
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.
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
Эффективность и перспектива использования тепловых насосов в городском хозяйстве Москвы
http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=3843
Г. П. Васильев, председатель совета директоров ОАО «Инсолар-Инвест»
В последнее время заметно повышенное внимание к новым энергосберегающим технологиям, в том числе к тепловым насосам. Компания ОАО «Инсолар-Инвест» имеет большой опыт в области применения тепловых насосов в Москве и в России в целом.
На сегодняшний день из энергетического баланса Москвы ясно, что основными энергоресурсами являются природный газ − 96 %, мазут – 2,7 % и уголь – 1,3 %. Для решения энергоресурсосберегающих задач рассмотрим перспективу использования в столице тепловых насосов. Известно, что основной и главный момент в применении тепловых насосов − это наличие источника низкопотенциального тепла, без которого тепловые насосы применяться не могут и никакого эффекта не дают. Попытаемся найти такие источники в Москве.
Из общего списка источников низкопотенциального тепла можно использовать солнечную энергию. Солнечная энергия в качестве низкопотенциального источника для тепловых насосов имеет большой ресурс – ее потенциальная доля в энергетическом балансе нетрадиционных источников энергии составляет порядка 4 %. Помимо нее важный ресурс − энергия вентиляционных выбросов жилых и общественных зданий: здания парят, выбрасывают теплый воздух, который нагревается системами теплоснабжения и выбрасывается на улицу – 9 %. Далее можно назвать тепло канализационных стоков – 13,1 %, это тепло, которое уходит с горячей водой, сливаясь в канализацию и т. д. Может быть использовано некоторое количество сбросного тепла от Метрополитена. Максимальный потенциал имеет утилизация низкопотенциального тепла р. Москва − 27,7 % и грунта поверхностных слоев Земли – 46,1 %. При правильном рациональном подходе к этому вопросу все перечисленные источники в состоянии обеспечить и покрыть практически полностью потребность Москвы.
Специалисты Инсолар-Инвест считают, что в сегодняшнем энергетическом балансе Москвы существуют некие перекосы, и давно пытаются пропагандировать и предложить свою схему (рис. 1). Хотя мы привыкли слышать то, что у нас энергодефицитный город, но на самом деле 40−45 % электрогенерирующих мощностей Мосэнерго работают на область. Поэтому, если рационально подойти к этому вопросу, то некоторую значительную часть электрической энергии, особенно внепиковой, можно использовать для привода тепловых насосов. Что тогда может получиться? Если посмотреть на схему (рис. 1), станет понятно: на ТЭЦ пришло 100 ед. топлива в виде природного газа и т. д., 38 ед. − это примерные технические возможности электростанции, 38 ед. выработано в виде электроэнергии, остальное в виде тепловой энергии идет, скажем, на теплоснабжение города. При этом структура нагрузок города такова, что эти мощности соотносятся следующим образом: электрические нагрузки составляют 14 % от общей энергетической нагрузки города. Поэтому, если использовать какую-то часть электроэнергии, идущую на освещение, на нужды столицы и использовать по схеме 28 ед. на привод тепловых насосов, то в итоге, прибавив сюда тепло грунта или других низкопотенциальных источников, получим в таком цикле около 156 ед. полезной энергии.
Рисунок 1 (подробнее)
Схема применения тепловых насосов в городском хозяйстве Москвы
Посмотрим, что может получиться, если 5 тыс. МВт использовать для привода тепловых насосов в городе (таблица). Фактически в этом варианте можно покрыть прирост до 2020 года тепловых нагрузок города с помощью тепловых насосов. Экономический эффект, который при этом может быть получен только на топливе, по нашим оценкам, для Москвы составит около 0,5 млрд долл. США. Это экономия от применения такой схемы.
Таблица
Вариант теплоснабжения Москвы с использование тепловых насосов
Наименование технико-экономических
показателей
Вариант Генплана
Вариант с ТСТ
57 200
39 700
Доля электрической нагрузки, %
Известно, что теплонасосные системы принято оценивать коэффициентом трансформации энергии. Это тот показатель эффективности, который численно равен количеству полезного тепла, вырабатываемого теплонасосной системой на единицу затраченной энергии на приеме. На рис. 2 показана линиями красно-желтого спектра зависимость идеального коэффициента трансформации (Ктрид) по циклу Карно от температуры низкопотенциального источника (Ти), а линиями сине-зеленого спектра – реальный коэффициент трансформации (Ктрреал), т. е. показатель с учетом КПД реальных систем и машин. То есть можно получать от 2,5 до 3,5 кВт полезного тепла на 1 кВт затраченной электрической энергии.
Рисунок 2.
Зависимость величины коэффициента трансформации энергии от температуры источника низкопотенциального тепла
Был проведен анализ территории России с точки зрения получения энергии с помощью тепловых насосов в условиях российского климата. Построенные изолинии значений коэффициента трансформации грунтовых геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения показали, что на юге страны значение коэффициента трансформации энергии равно примерно 4 и около 2,7 − на севере России. Это достаточно неплохие показатели, и они означают, что на юге можно на 1 кВт получать 4 кВт полезной тепловой энергии. Все районирование было проведено с учетом изменений температур грунта при эксплуатации системы, потому что очень много возникает споров: замерзнет или не замерзнет грунт. Достаточно ответственно можно сказать, что не замерзает. Просто нужно правильно проектировать. Инсолар-Инвест проектирует системы, учитывая тот тепловой режим, который складывается в грунте на пятый год эксплуатации этих систем.
Величина удельных затрат энергии на привод геотермальных теплонасосных систем, приведенных к 1 м2 в год, для Москвы составляет около 90 кВт ч/м2, учитывая отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. В МГСМ учитывается только отопление и вентиляция.
Отметим важный момент: не очень эффективно, оказывается, строить систему на максимальной расчетной мощности объекта, потому что получается завышенное значение капитальных вложений. Поэтому, как правило, используется суммарная величина мощности теплового насоса и пикового доводчика, который может работать на традиционном топливе или в виде электронагревателя. Это позволяет оптимизировать и получить достаточно хорошие экономические показатели всей системы в целом.
Рациональное соотношение тепловой мощности пикового доводчика к электрической мощности теплового насоса для Москвы составляет, примерно, 1,2. Где-то на Севере и дальше это соотношение равно 2−2,8. Уточним, это отношение не к тепловой мощности теплового насоса, а к электрическому приводу, потому что тепловая мощность будет раза в 3 выше.
А теперь рассмотрим экологический эффект теплонасосных систем. К сожалению, у нас в стране не очень много или вообще, практически, нет нормативных документов, которые позволяли бы учитывать экологическую эффективность подобных систем. А она весьма существенна, потому что по оценкам на 1 руб. или долл. экономического эффекта, получаемого потребителем, государство или муниципалитет, в данном случае, город получают до 3 долл. эффекта именно за счет этой экологической составляющей.
Специалисты Инсолар-Инвест предложили методику, которая позволила бы поставить подобные системы в равные условия с традиционными. Были рассмотрены эти проблемы с учетом экономической целесообразности сопротивления теплопередачи или теплозащиты ограждающих зданий с учетом экологической составляющей в тарифах и без нее. В первом случае, когда рассматривается здание или объект без учета экологической составляющей, получилось значение сопротивления теплопередачи теплозащитной оболочки равное 2,9 м2 град/Вт, т. е. нужно повысить немного сопротивление теплопередачи. Во втором случае, т. е. с учетом экологической перспективы и эффективности различных технологий, это значение составило 4,4 м2 град/Вт.
Методика учитывает экологический ущерб от сжигания органического топлива на территории города. И это должна быть некая добавка к тарифам, по нашим данным, примерно 18 центов за кВт ч сожженного органического топлива. Это не значит, что люди должны деньги платить. Речь идет о том, что когда на стадии ТДЛ сравнивают варианты различных систем энергоснабжения объекта, то желательно было бы что-то подобное применять для учета экологической эффективности новых систем. Поскольку то, что мы сегодня проектируем, закладываем в проект, эксплуатироваться будет завтра, послезавтра и долгие годы спустя. Поэтому нужно стратегически понимать, какой будет экология города, региона и страны в целом.
