IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Теплоснабжение в условиях России с ее продолжительными и достаточно суровыми зимами требует весьма больших затрат топлива. Основными недостатками традиционных источников теплоснабжения являются низкая энергетическая, экономическая и экологическая эффективность. Кроме того, высокие транспортные тарифы на доставку энергоносителей усугубляют негативные факторы, присущие традиционному теплоснабжению. Все перечисленные негативные факторы традиционного теплоснабжения настоятельно требуют интенсивного использования нетрадиционных методов. Одним из таких методов является полезное использование рассеянного низкотемпературного природного тепла или сбросного промышленного тепла для теплоснабжения с помощью тепловых насосов.

На рисунке 1 представлена схема работы теплового насоса. Теплоноситель, проходя через испаритель теплового насоса 3, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса. Внутренний контур заполнен хладагентом, который имеет низкую температуру кипения. Хладагент забирает от источника тепла необходимую энергию для испарения и переходит из жидкого состояния в газообразное. Компрессор 2 всасывает газообразный хладагент и выполняет его сжатие. За счет увеличения давления происходит повышение температуры. Хладагент направляется в конденсатор 1, в котором он отдает тепло нагреваемому теплоносителю и переходит в жидкое состояние. С помощью дросселя 4 производится снижение остаточного давления и цикл повторяется.

Рис.1. Схема работы теплового насоса:

1 — конденсатор; 2 — компрессор; 3 — испаритель; 4 — дроссель

Универсальность тепловых насосов позволяет создавать на их базе комплексные решения, отвечающие задачам энергосбережения: использование теплового насоса и солнечного коллектора – наиболее популярное и эффективное решение.

Опыт успешного применения тепловых насосов за рубежом насчитывает более 35 лет, хотя принцип действия тепловых насосов известен уже 150 лет. Толчком поиска альтернативных источников получения недорогой энергии послужил энергетический кризис в 1970х годах. Лидерами по внедрению и применению подобного оборудования на сегодняшний день стали Швеция и США, их догоняют Япония, Германия и Швейцария.

Распространение геотермальных тепловых насосов в мире.

В США ежегодно производится около 1 млн. тепловых насосов. В Японии ежегодно производится около 3 млн. тепловых насосов. В 2001 году в Швейцарии в каждом третьем новопостроенном здании устанавливались GHP. На каждые два квадратные километра территории Швейцарии (включая леса, гори и водоемы) установлен один GHP. В странах Северной Европы зачастую ПТН применяются только для отопления и горячего водоснабжения.

В Швеции тепловые насосы различных типов обеспечивают около 50% всей вырабатываемой тепловой энергии. Следует также отметить, что в этой стране распространено централизованное теплоснабжение от крупных теплонасосных станций (ТНС) с установленной тепловой мощностью от 5,0 до 80 МВт, работающих на теплоте бытовых и промышленных стоков, грунтовых вод, озерной и морской воды. Наиболее крупной является стокгольмская ТНС мощностью 150 МВт, использующая в качестве НИТ воду из Балтийского моря с температурой в зимнее время 4°С. ТНС размещена на причаленных к берегу баржах и включает в себя 6 турбокомпрессорных тепловых насосов мощностью каждого по 25 МВт.

Распространению ТН в Швеции после 1995 г. способствовали три важных фактора:

- субсидии правительства на переход от использования жидкого топлива и электро обогрева к отоплению тепловыми насосами;

- рост строительства нового жилья;

- введение Шведской ассоциацией тепловых насосов сертифицирования монтажных организаций, подтверждающего наличие достаточной квалификации для установки ТН. Особое внимание также уделялось потребительской надежности и безопасности ТН. Видимо, поэтому в Швеции с населением 9 млн чел. 350 тыс. семей обогреваются за счет использования ТН.

Более 5 лет назад перспективы тепловых насосов в Финляндии были ограничены. Сейчас этот рынок быстро расширяется. В этом году более 10% финских строителей устанавливают системы, которые снабжают дома дешевой и экологически чистой энергией с помощью тепловых насосов. Большая часть из них - тепловые насосы на воде/рассоле, утилизирующие через вертикальные или горизонтальные теплообменнике тепло грунта или одного из 200 000 озер Финляндии. В настоящее время на рынок начали поступать тепловые насосы, работающие на удаляемом воздухе.

Воздухо-воздушные тепловые насосы - это весьма привлекательная дополнительная система для таких домов с точки зрения экономии энергии. Тепловой насос способен отводить тепловую энергию от наружного воздуха с температурой до -15С и подать нагретый воздух для отопления дома. Вполне реально в Финляндии обеспечивать половину энергопотребления на отопление зданий с помощью тепловых насосов на наружном воздухе. Кроме того, в жаркие летние дни полезно и кондиционирование воздуха, являющееся другой функцией тепловых насосов. Общее число тепловых насосов в Финляндии составляет 10 000 - 15 000, из них 2 000 - 3 000 воздухо-воздушные тепловые насосы.

В нашей стране ведутся и внедряются отдельные разработки, но широкого распространения подобные системы отопления пока не получили в силу ряда причин. И основная причина - малое количество грамотной информации на эту тему.

Тепловой насос в Мончегорске - первая в Мурманской области промышленная установка, которая работает на сточных водах канализации. Вода попадает в установку, которая функционирует как холодильник наоборот. В испарителе фреон. Газ подается в компрессор, нагреваясь до 70 градусов, конденсируется и отдает температуру теплоносителю, который направляют на обогрев помещений. Насос установлен на территории Мончегорского водоканала и обеспечивает горячей водой и теплом 7 зданий.

Эксплуатационная характеристика теплового насоса:

• Тип генерации – моногенерация.

• Используемый ресурс - сточные воды.

• Вид системы - замкнутая.

• Тип теплообменника горизонтального - испаритель пластинчатый Alfa-laval.

• Тип теплообменника вертикального - конденсатор пластинчатый Alfa-laval.

• Тепловая нагрузка в летний период, MW - 0.1.

• Сезонность использования – круглогодично.

• Установленная мощность, кВт – 200.

• Располагаемая мощность объекта, кВт – 130.

В последние годы с большим развитием малоэтажного загородного строительства, с постоянным повышением цен на топливо и энергоносители и с медленным развитием инфраструктуры все большее количество домовладельцев обращают свой взор в сторону альтернативных источников получения недорогого тепла.

Для систем отопления тепловыми насосами существую несколько вариантов получения низкопотенциального тепла - это геотермальные источники, такие как грунт, вода (водоем или скважины), окружающий воздух или вентиляционные выбросы воздуха, сточные воды. Канализационные стоки уносят с собой большое количество тепла, которое можно повторно использовать в системе отопления, горячего водоснабжения и охлаждения помещений, благодаря таким устройствам, как тепловые насосы. Чем выше температура первичного источника, тем большее КПД выдает тепловой насос.

На сегодняшний день в России все большее применение тепловые насосы находят в системах отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования частных малоэтажных зданий в загородном строительстве. Тепловые насосы используются как основные источники получения недорогой природной энергии, просты в установке и монтаже, дешевы в эксплуатации.

В последние годы с большим развитием малоэтажного загородного строительства, с постоянным повышением цен на топливо и энергоносители и с медленным развитием инфраструктуры все большее количество домовладельцев обращают свой взор в сторону альтернативных источников получения недорогого тепла.

В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для обогрева дома может быть использовано тепло естественного происхождения (наружный воздух; тепло грунтовых, артезианских и термальных вод; воды рек, озер, морей и других незамерзающих природных водоемов). Тепловые насосы комплектуются системой управления и автоматики, которая поддерживает заданный режим работы теплового насоса.

Энергетическая эффективность применения тепловых насосов зависит от температуры низкопотенциального источника и будет тем выше, чем более высокую температуру источник будет иметь.

Для систем отопления тепловыми насосами существую несколько вариантов получения низкопотенциального тепла - это геотермальные источники, такие как грунт, вода (водоем или скважины), окружающий воздух или вентиляционные выбросы воздуха, сточные воды. Канализационные стоки уносят с собой большое количество тепла, которое можно повторно использовать в системе отопления, горячего водоснабжения и охлаждения помещений, благодаря таким устройствам, как тепловые насосы. Чем выше температура первичного источника, тем большее КПД выдает тепловой насос.

Использование тепловых насосов вместо традиционных источников тепловой энергии экономически выгодно в связи с отсутствием необходимости в закупке, транспортировке, хранении топлива и расходе денежных средств, связанных с этим, а также за счет освобождения значительной территории, необходимой для размещения котельной, подъездных путей и склада с топливом.

В ценовом отношении тепловые насосы действительно не дешевы. Начальные затраты на установку этих систем несколько выше стоимости обычных систем отопления и кондиционирования. Однако если рассматривать эксплуатационные расходы, то первоначальные вложения в геотермальный обогрев, охлаждение и горячее водоснабжение быстро окупаются за счет энергосбережения. Кроме того, необходимо учитывать, что при работе теплового насоса не требуется никаких дополнительных коммуникаций, кроме бытовой электрической сети.

Таблица 1.Классификация тепловых насосов

Признак классификации	Содержание
Принцип действия	парокомпрессионные (ПТН);абсорбционные (АТН).
Источники низкопотенциального тепла	теплота окружающего воздуха;теплота водоемов и природных водных потоков (озеро, река и т.п);теплота грунтовых и подземных вод;теплота грунта (поверхностных и глубинных слоев земли);теплота искусственных источников низкопотенциального тепла:- удаляемый вентиляционный воздух;- тепло технологических процессов;- бытовые тепловыделения и.т.п.
Типы теплообменников	вода - вода;вода - воздух;воздух - воздух;воздух - вода;земля - вода;земля - воздух.
Принцип взаимодействия рабочих сред	открытый цикл;замкнутый цикл.
Оперативные функции теплового насоса(потребители тепла)	система отопления;система ГВС;система подогрева бассейнов;система охлаждения;интегрированные системы (тепловой насос обеспечивает теплом системы отопления, горячего водоснабжения и охлаждения).
Режимы эксплуатации тепловых насосов	моновалентный режим;моноэнергетический режим;бивалентный режим:- чередующийся;- параллельный;- частично параллельный.

Установка этих систем потребует проведения внутренних электромонтажных работ, прокладки внутренних воздуховодов, монтажа внешнего теплообменника. Стоимость этих работ зависит от ваших требований и расценок монтажной фирмы. Применение тепловых насосов снижает затраты энергии, полученной путем сжигания топлива, и соответственно, снижает выброс в атмосферу токсичных веществ. Кроме того, применение воздушных систем отопления позволяет контролировать состояние воздуха в доме, удалять вредные примеси, частицы пыли, споры, различные аллергены и запахи. С учетом компактности, экономичности и простоты в обслуживании, тепловые насосы по совокупности эксплуатационных параметров могут представлять интерес для различных категорий потребителей тепловой энергии. Применение тепловых насосов различной модификации является принципиально новым решением проблемы теплоснабжения и позволяет в зависимости от сезонности и условий работы достигать максимальной эффективности в их работе. Тепловые насосы имеют большой срок службы до капитального ремонта (до 10-15 отопительных сезонов) и работают полностью в автоматическом режиме.

Прежде, чем определить необходимую для отопления дома мощность насоса вручную, необходимо определить тепловой баланс дома:

,

где R - это тепловые потери/мощность дома (ккал/час);

V - объем дома (длина*ширина*высота), м3;

Т - самый высокий перепад между температурами снаружи дома и внутри в холодное время года, С;

k - это усредненный коэффициент теплопроводности здания: k=3(4) - дом из досок; k=2(3) - дом из однослойного кирпича; k=1(2) - кирпичный дом в два слоя; k=0,6(1) - тщательно утепленное здание.

Полезная площадь помещений зданий 21А и 37А - 330 м2 и 320 м2, объем помещений зданий 970 м3 и 940 м3 соответственно.

Температура воздуха в помещении: 18 0С.

Самый высокий перепад между температурами снаружи дома и внутри в холодное время года: 46 0С.

Мощность теплового насоса Р (кВт) определяется по формуле: Р = R/860.

Таким образом для здания 21А нам потребуется тепловой насос мощностью:

Для 37А соответственно:

Следовательно, для отопления зданий Кольского научного центра нам понадобится теплонасос мощностью 25 кВт.

Таблица 2.Характеристики выбранных тепловых насосов

Модель	Потребляемая мощность (кВт)	Тепловая мощность (кВт)	Температура воды на выходе (C0)
NIBE F1345 - 30	7	30,7	65
WPF 26 Set	6,5	26,8	60
Danfoss DHP-S 26	5,8	25,4	60
ALTAL GWHP22 W10W50	7,34	26,81	60

Для достижения большей выгоды практикуется использование в паре с дополнительным генератором тепла, например, солнечным коллектором.

Принципиальная схема совместного использования солнечного коллектора и теплового насоса в качестве самостоятельного источника тепловой энергии представлена на рис. 2.

Рис. 2.Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения совместно с тепловым насосом:1 – бак – аккумулятор; 2 – циркуляционный насос; 3 – подающий теплопровод; 4 – обратный теплопровод; 5 – конденсатор; 6 – дроссель; 7 – испаритель;

8 – компрессор; 9 – солнечный коллектор; 10 – насос; 11 – бак – аккумулятор;

12 – обводной трубопровод.

Солнечный коллектор должен быть низкотемпературным, т.к. температура теплоносителя близка к окружающей, что сокращает тепловые потери от поверхности коллектора, что приводит к повышению энергетической эффективности солнечного коллектора в представленной схеме. Также сокращается необходимая поверхность солнечного коллектора, а значит, повышается их надежность. Использование грунтового аккумулятора вместо бака-аккумулятора перед солнечным коллектором дает возможность использования данной системы в зимние месяцы.

Вывод

Тепловые насосы универсальны и подходят для Арктического региона, но оправдывают они себя в хорошо утепленных домах.

Использование солнечной энергии и низкопотенциального тепла в системах теплоснабжения с низкотемпературным солнечным коллектором и тепловым насосом по соображениям топливо и энергосбережения эффективнее и экологически безопаснее, чем использование невозобновляемых ресурсов.

Система теплоснабжения с низкотемпературным солнечным коллектором и грунтовым аккумулятором может покрывать нагрузки и в зимний период, что повысит энергоэкономические показатели здания.

Литература

1. Обзор рынка тепловых насосов в Швеции, Финляндии. // АВОК, 2002, №1.

2. Учебное пособие, Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. – 142 с.

3. Рей Д., Макмайкл Д.М. Тепловые насосы, 1982. Пер. с англ. — М.: Энергоиздат, 1982. — 224 с

4. Клюкин А.М., Кузнецов Н.М., Трибуналов С.Н. Повышение энергоэффективности зданий Кольского научного центра РАН // Труды Кольского научного центра РАН. 2016. № 35. С. 81-94.

5. 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.

Код для цитирования: Скопировать