X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет собой одну из актуальных проблем. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий, основанных на использовании нетрадиционных источников энергии.

Целью данной работы является сравнение разновидностей тепловых насосов и электрических котлов с выявлением наиболее эффективных технологий для теплоснабжения коттеджа.

1.Тепловые Насосы

1.1. Источники теплоты и типы тепловых насосов.

Основной целью проектирования систем тепло-холодоснабжения, предусматривающих применение тепловых насосов является выбор рациональных энергосберегающих технических решений.

Системы теплоснабжения с использованием тепловых насосов - теплонасосные системы теплоснабжения - могут применяться для отопления, вентиляции, обеспечения теплотой на нужды горячего водоснабжения и технологических процессов.

В качестве низкопотенциальных (низкотемпературных) источников теплоты могут использоваться:

а) вторичные энергетические ресурсы:

- теплота вентиляционных выбросов;

- теплота серых канализационных стоков;

- сбросная теплота технологических процессов и т.п.

б) нетрадиционные возобновляемые источники энергии:

- теплота окружающего воздуха;

- теплота грунтовых и геотермальных вод;

- теплота водоемов и природных водных потоков;

- теплота солнечной энергии и т.п.;

- теплота поверхностных и более глубоких слоев грунта.

В зависимости от сочетания вида источника низкопотенциальной теплоты и нагреваемой среды тепловые насосы делятся на следующие типы :

- воздух – воздух (теплота забирается из окружающего воздуха, а в качестве теплоносителя в системе теплоснабжения выступает воздух);

- воздух - вода;

- грунт - воздух;

- грунт - вода;

- вода - воздух;

- вода - вода.

Эти типы тепловых насосов отличаются конструктивным исполнением теплообменной части (испарителя и конденсатора) и температурными режимами реализуемых термодинамических циклов.

1.2. Принцип действия теплового насоса.

Термодинамический цикл теплового насоса

Термодинамический тепловой насос представляет собой обращенную холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамический цикл. Основные типы термодинамических циклов - абсорбционный и, наиболее распространенный, парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель - теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Принцип действия компрессионного теплового насоса.

В основу принципа действия компрессионного теплового насоса положены два физических явления:

- явление поглощения и выделения теплоты веществом при изменении агрегатного состояния - испарении и конденсации соответственно;

- изменение температуры испарения и конденсации при изменении давления;

- использование жидкостей, имеющих низкую температуру кипения.

Основные элементы парокомпрессионного контура - теплообменник-испаритель, теплообменник-конденсатор, компрессор и дроссель.

1.3. Достоинства и недостатки тепловых насосов

№ п/п	Достоинства	Недостатки
1	- Экономичность. Тепловой насос использует введенную в него энергию эффективнее любых котлов, сжигающих топливо.	- Большая стоимость оборудования
2	- Экологичность. Агрегат не сжигает топливо, значит, не образуются вредные окислы.	- Необходимость сложного и дорогого монтажа внешних подземных или подводных теплообменных контуров.
3	- Универсальность. Возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом.	- Низкий коэффициент преобразования тепла, связанный с низкой температурой кипения хладагента во внешнем «воздушном» испарителе.
4	- Безопасность. Нет топлива, нет открытого огня, опасных газов или смесей.	- Сравнительно низкая температура нагреваемой воды, в большинстве не более +50°С ÷ +60°С градусов.

2. Электрические котлы

2.1. Разновидности электрических котлов

Независимо от типа котла он должен быть удобным, надежным, безопасным, эффективным, доступным по цене. Каждый из агрегатов имеет недостатки и преимущества.

Если котёл для отопления коттеджа функционирует от электричества, то стабильность его подачи становится основным условием выбора для аппарата. Любой электрокотёл для отопления коттеджа отличается следующими преимуществами:

- Простая конструкция с 99%-ым КПД;

- Компактность;

- Демократичная стоимость;

- Бесшумность работы;

- Отсутствие загрязнения окружающей среды;

- Автоматизированное управление.

К минусам оборудования относятся стоимость электроэнергии, возможность поломки из-за скачков напряжения, необходимость организации трехфазной сети (380 В). Стандартные 220В подходят для котлов мощностью 5 кВт, которые обогреют лишь 10 кв.м. жилья.

Выбор электрокотел зависит от площади помещения, которой нужно обеспечить теплом. Исходя из данного критерия, нужно правильно выбрать мощность котла. И соотношения мощности на площадь должна быть выдержана в пределах 1кВт на 10м2, при этом высота потолка не должна достигать уровня более 3 метров.

Самыми практичными и функциональными считаются двухконтурные электрокотлы с диапазоном рабочей мощности от 6 и до 15 кВт. В свою очередь для частных коттеджей в основном применяются агрегаты с мощностью от 20 до 30 кВт. Это обусловлено тем, что современные загородные дома и коттеджи имеют не малую жилую площадь, которая нуждается в обогреве.

2.1.1. ТЭНовые

В качестве нагревательного элемента используются ТЭНы, способные преобразовать практически без потерь электричество в тепло. Представляют собой тугоплавкий проводник с низким омическим сопротивлением. Он способен выдержать большой ток и при этом не расплавиться. Для защиты проводника используется изолятор, чаще керамический, и металлическая оболочка, чаще медная, для защиты всего устройства от воздействия воды или другого теплоносителя.

Нагревательные элементы закрепляются внутри накопительного резервуара. Контакты для питания выводятся наружу, а места стыков корпуса резервуара и ТЭНов герметично запаиваются, исключая вытекание теплоносителя.

Основной процесс в котле – это непосредственный теплоперенос от нагревательного элемента к воде. Используется от одного до трех, иногда четырех, ТЭНов, способных обеспечить должную мощность.

2.1.2. Электродные

Появились электродные котлы сравнительно недавно. В них используется новый способ непосредственного нагрева теплоносителя. Электрический ток пропускается через теплоноситель с выделением тепла. Такой подход призван решить две проблемы:

Снизить инертность системы, повысить скорость нагрева теплоносителя.

Устранить проблему накипи и отложений. Электроды не покрываются накипью, металлами или солями даже в ходе предполагаемого электролиза, он попросту невозможен за счет постоянной смены полярности на частоте питающей сети – 50 Гц.

С поставленными задачами конструкция справляется, однако появляется целый ряд нюансов и особенностей, без которых ожидать хорошую отдачу не стоит.

Электродные котлы всецело зависят от состава теплоносителя, он должен обладать хорошей проводимостью и при этом не вызывать образование агрессивных соединений под воздействием электрического тока. Потребляемая мощность зависит от удельного сопротивления теплоносителя (состава), его температуры, расстояния между электродами и их диаметром.

На номинальную мощность электродный котел выходит только при температуре теплоносителя в 75-90^оС.

Электродные котлы по определению только проточного типа. Нужно поддерживать постоянное движение теплоносителя, чтобы предупредить перегрев и закипание воды. Электродные котлы имеют самое компактное исполнение в сравнении с ТЭНовыми или индукционными конструкциями.

2.1.3. Индукционные

Для нагрева воды используются электромагнитные волны и индукционные токи, наводимые ими на внутренней металлической поверхности теплообменника. В основе устройства индукционная катушка, которая является первичной обмоткой трансформатора, второй «обмоткой» является корпус теплообменника и трубчатый лабиринт, по которому течет теплоноситель. Вся мощность, приложенная к вторичной обмотке, переходит в тепловую энергию, ведь она является короткозамкнутой.

Питание катушки может выполняться на частоте от 50 Гц и до нескольких сот килогерц. С повышением частоты увеличивается и эффективность нагрева, однако требуются более дорогие схемы управления.

Виды электрических котлов	Характеристики	Особенности	Недостатки
Тэновые	- КПД – 96-99%; - Мощность от 1.5 кВт до 60; - Питание однофазное(220), трехфазное (380), 50-60 Гц; - Источник тепла – ТЭН с тугоплавким проводником, изолированным керамическим диэлектриком и медной оболочкой; - Вариант исполнения теплообменника – с накопительной емкостью, проточный.	- Ступенчатая регулировка мощности 1/2, 1/3, 2/3 и полная мощность при задействовании различного числа ТЭНов. - Пожарная и электрическая безопасность. Котел мощностью 10 кВт произведет 1 Гкал тепла за 116 часов, потратив на это в целом 1163 кВт/ч электроэнергии, при практически 100% КПД. - Доступная цена.	- Проблема с накипью на ТЭНах., повышает риск выхода нагревательного элемента из строя. - Снижение срока службы, из-за поступления тепла в теплоноситель.
Электродные	- КПД – до 99%; - Номинальная мощность – от 2 кВт до 36 кВт; - Питание – однофазное (220В), трехфазное (380В), частота 50-60 Гц; - Источник тепла – ток, пропускаемый через теплоноситель; - Вариант исполнения теплообменника – проточный.	- Обязательная подготовка теплоносителя. Удельная теплоемкость при +15оС должна составлять не менее 1000-1200 Ом*см. - Наличие мощного заземления. - При использовании УЗО (Устройство Защитного отключения) котел подключают строго перед ним. Работа в одной сети невозможна из-за наличия больших точек утечки. - Требуется дополнительное повышение проводимости теплоносителя специальными составами, при использовании алюминиевых радиаторов или любых других элементов с этим металлом - Можно использовать параллельно с другими типами котлов в качестве резерва.	- Огромное количество обязательных эксплуатационных требований - Не всеми котлами можно управлять при помощи программатора, и устанавливать режимы работы отличные от поддерживания заданной температуры теплоносителя. - Наличие токов утечки способно снизить эффективность до 10-15%, и к этому еще и создать проблемы с наличием существенных токов на металлических поверхностях системы отопления и заземлении. - Высокая стоимость.
Индукционные	- КПД – 90-98%; - Номинальная мощность – от 3 кВт до 40 кВт; - Питание – однофазное (220В), трехфазное (380В), частота 50-60 Гц; - Источник тепла – индукционный нагрев; - Вариант исполнения теплообменника – проточный.	- Нагревается вся внутренняя поверхность теплообменника, жидкость быстрее прогревается, при этом с меньшим перепадом температур. - Нет прямого контакта индукционной катушки с теплоносителем. - Возможна плавная регулировка мощности и запрограммированная работа котла.	- Часть энергии попросту рассеивается в виде электромагнитных волн. Размеры котла малой мощности на 3-5 кВт больше по габаритам ТЭНовых. - Высокая стоимость.

2.2. Потребление электричество в месяц

Расчет актуально проводить для котлов различной мощности, чтобы определить порядок чисел, которые предстоит увидеть в квитанции по оплате электричества, а возможно задуматься об утеплении коттеджа. В утепленном коттедже потребуется оборудование меньшей мощности при том же конечном результате.

Мощность , кВт	3	4,5	6	8	12	15
Отапливаемая площадь, м2	< 25	26-40	40-50	51-75	90-110	111-140
Число часов работы котла при максимальной нагрузке и запасе мощности 20%	570
Затраты электроэнергии при максимальной нагрузке, кВт/ч	1710	2565	3420	4560	6840	8550
Число часов работы в оптимальном режиме с программатором	290
Затраты электроэнергии оптимального режима, кВт/ч	870	1305	1740	2320	3480	4350

Данные в таблице рассчитаны и представлены, не отталкиваясь от поддержания конкретной температуры в помещении, и с оговоркой, что выбрано оптимальное по мощности оборудование. Это позволяет сравнить примерный порядок чисел при использовании электрического котла отопления для коттеджа.

Учитывая цену на электричество, возможность разделения ночного и дневного потребления с различными тарифами, а также особенности теплоснабжения коттеджа, в частном случае потребление может оказаться еще на 10-25% ниже.

Основное преимущество электрических котлов как раз и заключается в возможности максимальной оптимизации работы системы отопления с получением экономической выгоды и для повышения комфорта.

3. Заключение

Отопление коттеджа тепловыми насосами становится все более популярным, ведь, несмотря на колоссальные запасы газа, подключение коттеджа к газовой магистрали зачастую становится дорогостоящей или неразрешимой задачей. При этом отопление коттеджа электрическим котлом – удовольствие не из дешевых, в разы дешевле в эксплуатации тепловой насос. Коттедж с энергосберегающей технологичной системой отопления и ГВС на базе теплонасосной установки - это современно, надежно, экологично и в долгосрочной перспективе экономно.

Тепловые насосы для коттеджей в большинстве случаев являются многофункциональными приборами и могут решать задачи не только по отоплению коттеджа и снабжению его горячей водой, но и охлаждению. При этом модельный ряд позволяет устанавливать системы отопления коттеджей любых площадей и этажности.

В отличие от тепловых насосов для коттеджей, электрические котлы обладают коэффициентом эффективности, не превышающим 1 (т.к. КПД таких приборов меньше 100%). При отоплении коттеджа тепловым насосом коэффициент эффективности установки достигает значения 5,6. Тепловые насосы для коттеджей, очевидно, гораздо дешевле в эксплуатации. Плюс к этому, чем больше площадь коттеджа, тем больше требуется мощностей для ее обогрева. В случае с электрическим котлом на коттедж может выделяться меньше электричества, чем потребляет котел. Для отопления тепловым насосом коттеджа требуется значительно меньше электроэнергии.

Таким образом, применительно к отоплению коттеджа тепловые насосы соединяют в себе преимущества и газовых, и электрических котлов.

В следующей таблице приведен сравнительный расчет энергозатрат для отопления коттеджа площадью 100кв.м.

№	Наименование	Тепловой насос	Электрический котел
1	Мощность кВ/час	10	10
2	Расход электроэнергии кВ/час	2,2	10
3	Продолжительность работы оборудования в год/час	3000	3000
4	Расход электроэнергии в год	6600	30000
5	Стоимость 1 кВ/ч электроэнергии, руб.	3,89	3,89
6	Энергозатраты на отопление в год/руб.	25674	116700

В ходе данной научно-исследовательской работы были сделаны следующие выводы:

- Использование тепловых насосов для систем отопления связано с значительным увеличением начальных капитальных затрат по сравнению с электрической системой;

- Наиболее экономически эффективными следует считать тепловые насосы, в которых источником энергии служит грунт, который на определённой глубине имеет практически почти постоянную температуру в течение всего года;

- Затраты на теплоснабжение дома с помощью теплонасосных установок не намного выше затрат на теплоснабжение с использованием газового топлива. И важным фактором в оценке экономической эффективности также является возможность холодоснабжения дома в теплый период года.

Список использованных источников

1. СП 60.13330.2012"Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха";

2. МГСН 2.01-99 "Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению";

3. СП 41-101-95 Свод правил "Проектирование тепловых пунктов";

4. Васильев Г.П., Хрустачев Л.В. «Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии»: ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ";

5. http://altenergiya.ru/termal/effektivnost-primeneniya-teplovyx-nasosov.html

6. http://www.studfiles.ru/preview/6308698/page:2/

7. http://rem-ont.com/vybiraem-effektivnyj-teplovoj-nasos-2049

8. http://1pokotlam.ru/kotly/elektricheskie/kak-rabotaet-elektrokotel.html

9. http://udobnovdome.ru/vybor-elektricheskogo-kotla-otopleniya/

10. http://teplo.guru/kotly/elektricheskie/ekonomichnyi-elektrokotel.html

11. http://teplo-faq.net/katalog/4-elektricheskie-kotly/3815-sravnim-ekonomicheskuyu-effektivnost-ekspluataczii-lvinr-i-tenovogo-kotla

Код для цитирования: Скопировать