VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Основным потребителем энергетических ресурсов является жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ). В настоящее время ЖКХ неэффективно расходует энергоресурсы [1]:

- потери теплоты в тепловых сетях превышают нормативные;

- срок службы теплотрасс в 4–6 раз ниже нормативного;

- КПД некоторых котельных –40%;

- модернизации требуют 30% систем водоснабжения, 17% канализационных сетей;

- утечки и неучтенные расходы воды в районе составляют 15%.

Всё это четко обозначило проблему энергосбережения и повышения энергоэффективности зданий и сооружений.

Одновременно с этими процессами происходит:

- истощение природных ресурсов;

- экономическое непостоянство цен на нефть;

- глобальное изменение климата.

Поэтому стоит ли удивляться тому, что возобновляемые источники энергии сегодня находятся в центре всеобщего внимания, так как они являются альтернативой традиционным. К ним следует отнести и теплонасосное оборудование, производство которого растет быстрыми темпами в Европе. По прогнозам МИРЭК к 2020 году во всех развитых странах мира теплоснабжение будет осуществляться с помощью тепловых насосов.

Тепловой насос - устройство для переноса тепловой энергии от источника с более низкой температурой к источнику с более высокой температурой, позволяющее посредством затрат электрической энергии использовать низкотемпературную тепловую энергию грунта, воздуха, воды, хозяйственно-бытовых стоков, шахтных вод, промышленных сбросов и многого другого для получения теплоносителя пригодного для тепло- и хладоснабжения помещений, зданий, сооружений.

При этом затрачивая 1 кВт·ч электроэнергии на работу насоса можно получить около 2,5-3,5 кВт·ч тепловой энергии.

Применение тепловых насосов для отопления и ГВС, применяется по следующим причинам:

• по экономическим - позволяет значительно снизить расход денежных средств по сравнению с электроотоплением, а при определенных факторах конкурировать с теплоснабжением от централизованных систем (котельных, ТЭЦ). Более подробно анализ стоимостных показателей приведен в [3];
• по экологическим - по сравнению с другими источниками тепловой энергии не выделяет вредных веществ;
• простота обслуживания - не требуется более одного оператора в смену;
• не требуется масштабная реконструкция систем отопления и ГВС помещений, зданий, сооружений.Применение тепловых насосов экономически оправдано, если тепловая энергия получается непосредственно на месте установки оборудования. Для сравнения в централизованных системах теплоснабжения требуется протяженных тепловых сетей до потребителя, которые требуют не только капитальных вложений при строительстве, но и при эксплуатации.Наружный воздух. Тепло, содержащееся в воздухе, может использоваться непосредственно в тепловом насосе. Этот источник является самым легкодоступным, учитывая, что температура воздуха в отопительном периоде значительно меняется, применение данного источника в это время не всегда целесообразно для качественного и надежного теплоснабжения потребителя. Некоторые производители тепловых насосов внедряются решения, которые позволяют в летний период за счет наружного воздуха вырабатывать горячую воду, а в отопительный сезон насос переключается на другой источник низкотемпературной тепловой энергии (например, на подземную воду). Тепловой насос позволяет обеспечивать глубокую и круглогодичную утилизацию тепла вентиляционных выбросов.Геотермальное тепло или тепло земли. Известным фактом является то обстоятельство, что на определенной глубине почвы ее температура положительна (и по мере увеличения углубления температура растет). Тепло содержащее в почве посредством теплообменника (коллектора) в углублении и теплоносителя передается через циркуляционную схему в тепловой насос. Теплоносителем в данном случае должна являться незамерзающая, экологически безвредная жидкость, а циркуляцию обеспечивает циркуляционный насос. Теплообменник может быть помещен в землю на различное расстояние, в зависимости от требуемой мощности. Для получения большой тепловой мощности рекомендуется скважина глубиной 100-150 м. Для получения низких мощностей достаточно поместить теплообменник в плоскостной или траншейный коллектор на глубину 1,5-2 м.Наиболее качественным и надежным способом является бурение скважин и установка теплообменников на большой глубине.В климатических зонах с мягким климатом и регулярностью температуры поверхностной воды, тепловой насос может быть отличным решением для решения проблем с ГВС.

Для подтверждения эффективности применения тепловых насосов рассмотрим опыт применения теплонасосной станции для отопления объектов Велижанского водозабора.До 1996 г. теплоснабжение объектов осуществлялось от котельной, работающей на дизельном топливе. В котельной были установлены 4 котла мощностью по 3,5 Гкал/ч, из них 2 резервных. Таким образом, рабочая мощность котельной составляла 7 Гкал/ч. В связи с резким подорожанием дизельного топлива было принято решение о приобретении и монтаже теплонасосной станции.Оборудование теплонасосной станции достаточно энергоемкое: установленная мощность компрессора составляет 630 кВт при напряжении 10 кВ. Потребляемая мощность одной установки (по паспорту) в номинальном режиме при теплопроизводительности 2,8 Гкал/ч составляет 720 кВт, не считая сетевых насосов и другого вспомогательного оборудования.

Выводы

В энергодефицитных регионах по электрической мощности, с одной стороны, внедрение тепловых насосов должно рассматриваться только как перспективное направление, т.к. при переходе с централизованного отопления на насос (даже при наличии в непосредственной близости источника низкотемпературного тепла) может вызвать рост нагрузки на энергосистему, в связи с потреблением насосом электроэнергии. С другой стороны, может снизить электрическую нагрузку, используемую потребителями на электроотопление. Поэтому к вопросу о внедрении тепловых насосов надо подходить очень серьезно.

Практически в каждом муниципальном образовании имеются те или иные проблемы с теплоснабжением потребителей. Довольно часто при строительстве новых домов встает вопрос об источниках теплоснабжения для постройки, т.к. подключение к теплоснабжающим организациям может быть невозможно из-за дефицита тепловой мощности, дорого из-за строительства протяженных тепловых сетей. Теплоснабжение удаленных населенных пунктов осуществляется посредством использования дорогого завозного дизельного топлива и мазута. В этом случае должны рассматриваться проекты установки теплового насоса в конкуренции с другими технологическими решениями и проектами по теплоснабжению.

• Годовой экономический эффект составляет 154000 руб./год. При стоимости приобретенного оборудования теплонасосной станции 1,8 млн руб. (без стоимости строительных и монтажных работ) срок окупаемости составит 11,7 лет (по данным 1996 г.).
• Теплонасосная станция представляет собой автономный источник теплоснабжения, использующий в качестве низкопотенциального источника тепла воду из скважин Велижанского водозабора. Низкопотенциальное тепло воды водозабора (5 °С, расход не менее 500 м³/ч) с помощью ТН получается теплоноситель для систем отопления (65 °С) и горячего водоснабжения (55 °С). Оборудование теплонасосной станции позволяет регулировать как температуру прямой воды отопления, так и количество передаваемого ей тепла.
• Тепловые нагрузки составляют (без горячего водоснабжения) на промышленные нужды - 2,65 Гкал/ч, на жилье и соцкультбыт - 0,79 Гкал/ч, всего 3,44 Гкал/ч.
• Отработанное тепло промышленных предприятий. В результате технологических процессов на промышленных предприятиях возникает большое количество низкотемпературной тепловой энергии, которая не используется в технологическом цикле. В зависимости от конкретных условий отработанное тепло можно использовать в ТН для теплоснабжения цехов, мастерских, складов и т.д. промышленного предприятия. В частных домах, жилых многоквартирных домах отработанное тепло используется крайне редко из-за зависимости от работы и удаленности от потребителя промышленного предприятия.
• Поверхностная вода. При использовании поверхностной воды к ней предъявляются определенные требования, как и для подземной воды. При внедрении теплового насоса с использованием данного вида источника низкотемпературной тепловой энергии очень часто возникают проблемы с чистотой воды, а также с регулярностью температуры (в большинстве случаев температура поверхностной воды поддерживается за счет стоков промышленных предприятий).
• Минусом установки теплообменника на малую глубину является то обстоятельство, что вокруг площадки, куда погружен коллектор, температура почвы из-за постоянного теплосъема понижается, тем самым при определенных температурных условиях на улицы этот участок почвы также может промерзнуть.
• Подземная вода. Тепло, содержащееся в подземной воде и подземных озерах, может напрямую подаваться в тепловой насос (при этом не требуется установка теплообменника, как при использовании тепла земли), но и охлажденную воду нельзя возвращать назад прямо в место отбора. Ведущие компании производства тепловых насосов рекомендуют сбрасывать отдавшую тепло воду в другой колодец так, чтобы направление течения подземных вод было от места сброса к месту отбора . Вода должна иметь соответствующий состав, температуру не менее + 8 °С на протяжении всего года, а также должна быть чистой и в достаточном количестве.
• Рассмотрим основные источники низкотемпературной тепловой энергии:
• Линейка мощности тепловых насосов довольно разнообразна. Можно обеспечить теплоснабжение частного дома, а при использовании двух и более тепловых насосов - крупных районов и промышленных предприятий. Главным приоритетом при реализации таких проектов является наличие источника низкотемпературной тепловой энергии и экономическая эффективность самого проекта.

Литература

1. Корягин М.В. О необходимости комплексной оценки энергроэффективности зданий/ М.В. Корягин// 15-й Международный научно-промышленный форум "Великие реки’2013". Труды конгресса. Т.3. - Н.Новгород, ННГАСУ, 2014. С. 30-32.
2. Павлов Д.А., Семикова Е.Н. Экологическая оценка котельной с энергосберегающим оборудованием/ Д.А. Павлов, Е.Н.Семикова// VI Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум », 2014. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http// www.rae.ru/snt
3. Половинкина Е.О. Использование тепловых насосов в системах теплоснабжения зданий и сооружений / Половинкина Е.О.// VI Международная студенческая электронная научная конференция «Студенческий научный форум», 2014. С. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http// www.rae.ru/snt