Тепловые насосы- эффективный путь энергосбережения

 

В настоящее время отопление и горячее водоснабжение городских объектов осуществляется, как правило, от централизованных систем теплоснабжения. Источником тепловой энергии в таких системах являются городские ТЭЦ, на которых осуществляется комбинированная выработка электроэнергии и тепла, или районные котельные. Преимущества централизованного теплоснабжения широко признаны. С термодинамической точки зрения комбинированное производство электроэнергии и тепла на ТЭЦ является гораздо более эффективным, чем раздельное производство электроэнергии на конденсационных тепловых электростанциях и тепла котельными. Россия является признанным лидером по масштабам использования централизованных систем электро и теплоснабжения. Во многих странах (Дания, Германия и др.) строительство ТЭЦ по примеру России рассматривается как эффективное средство энергосбережения и уменьшения отрицательного воздействия энергетических объектов на окружающую среду.

Вместе с тем применение централизованных систем теплоснабжения имеет свои недостатки и ограничения. Строительство протяженных теплотрасс к удаленным объектам, а также к объектам в районах с малой плотностью застройки, сопряжено со значительными капитальными вложениями и большими тепловыми потерями на трассе. Их эксплуатация впоследствии также требует больших затрат. Серьезные проблемы возникают и при реконструкции существующих объектов и строительстве новых в обжитых городских районах с плотной застройкой. В этих случаях увеличение тепловых нагрузок создает для застройщика часто непреодолимые трудности, в том числе финансовые, при получении и реализации технических условий на подключение к районной тепловой сети.

Действующие в настоящее время тарифы на тепловую энергию в сочетании с затратами на подключение к городским тепловым сетям заставляют все чаще задумываться над альтернативными способами теплоснабжения.

Теплонаносные системы теплоснабжения представляются одним из наиболее эффективных альтернативных средств решения проблемы. С термодинамической точки зрения схемы теплоснабжения на базе тепловых насосов в большинстве случаев являются даже более эффективными, чем от ТЭЦ. Тепловые насосы нашли широкое применение для теплоснабжения жилых и административных зданий в США, Швеции, Канаде и других странах со сходными России климатическими условиями. Расширяется опыт применения тепловых насосов и в нашей стране.

Принципиальная схема компрессионного теплового насоса изображена на рис. 1. Суть его работы состоит в следующем. В испарителе теплового насоса тепло невысокого температурного потенциала отбирается от некоего источника низкопотенциального тепла и передается низкокипящему рабочему телу теплового насоса. Полученный пар сжимается компрессором. При этом температура пара повышается и тепло на нужном температурном уровне в конденсаторе передается в систему отопления и горячего водоснабжения. Для того, чтобы замкнуть цикл, совершаемый рабочим телом, после конденсатора оно дросселируется до начального давления, охлаждаясь до температуры ниже источника низкопотенциального тепла, и снова подается в испаритель. Таким образом тепловой насос осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого температурного уровня на более высокий, необходимый потребителю. При этом на привод компрессора затрачивается механическая (электрическая) энергия. При наличии источника низкопотенциального тепла с более или менее высокой температурой количество тепла, поставляемого потребителю, в несколько раз превышает затраты энергии на привод компрессора.

Отношение полезного тепла к работе, затрачиваемой на привод компрессора, называют коэффициентом преобразования теплового насоса, и в наиболее распространенных теплонаносных системах он достигает 3 и более. Типичные зависимости идеального и реального коэффициентов преобразования теплового насоса от температуры конденсатора и испарителя приведены на рис. 2. Видно, что, например, при температуре испарителя на уровне 0оС и температуре конденсатора на уровне 60оС коэффициент преобразования реальной установки достигает 3. С увеличением температуры источника низкопотенциального тепла и/или с уменьшением температуры, необходимой потребителю, коэффициент преобразования возрастает и может достигать 4, 5 и больших значений.

Очевидно, что применение тепловых насосов особенно эффективно в случае использования воздушных систем и/или напольных систем водяного отопления, для которых температура конденсатора не превышает 35-40оС. Все более широкое применение в последнее время находят системы отопления с применением современных теплообменников типа фанкойлов, характеризующихся высокими коэффициентами теплопередачи и соответственно допускающих использование теплоносителя с пониженными температурами. Ключевым вопросом, от которого в значительной степени зависит эффективность применения тепловых насосов, является вопрос об источнике низкопотенциального тепла. Где найти этот источник? Таким источником мог бы быть атмосферный воздух. Однако в зимнее время, когда тепловая нагрузка возрастает, его температура в наших природно-климатических условиях становится слишком низкой, чтобы обеспечить эффективную работу теплового насоса. Идеальный вариант для тепловых насосов – наличие вблизи от потребителя источника сбросного тепла промышленного или коммунального предприятия. В наших условиях хозяйствования такие случаи нередки. Тем не менее эти случаи следует рассматривать как частные.

В качестве довольного универсального источника низкопотенциального тепла можно использовать теплоту грунта. Известно, что на глубине 4-5 м и более температура грунта в течение года практически постоянна и соответствует среднегодовой температуре атмосферного воздуха. В климатических условиях средней полосы России эта температура составляет + 5–8оС., что весьма неплохо для использования в тепловых насосах. Большой опыт практического применения тепловых насосов с грунтовыми теплообменниками, накоплен в США и Канаде. Значительные успехи в освоении этой технологии достигнуты компанией “ИНСОЛАР-ИНВЕСТ” в России.

В настоящее время с использованием этой технологии создан ряд систем теплоснабжения коттеджей. В 1998 году пущена в эксплуатацию система теплоснабжения средней школы в деревне Филиппово Ярославской области, ведется строительство крупной (более 1,5 МВт) системы теплоснабжения первого в Москве и в России аквапарка. Система теплонаносного горячего водоснабжения заложена в проект экспериментального энергоэффективного многоэтажного жилого дома в микрорайоне Никулино-2 г. Москвы, разработка которого ведется в рамках Долгосрочной научно-технической программы “Энергосбережение в городе Москве”, реализуемой Миннауки России совместно с московским правительством. Сооружается ряд объектов с тепловыми насосами в московском городском парке “Фили”, где помимо традиционных технико-экономических проблем подключения к городским тепловым сетям, возникают серьезные проблемы охраны окружающей среды (прокладка теплотрасс в парковой зоне) и др.

Поверхностные слои грунта (до 50 - 60 м), как отмечалось выше, являются достаточно универсальным и повсеместно доступным источником низкопотенциального тепла. Скважины-теплообменники могут сооружаться под фундаментом здания или в непосредственной близости от него. При этом такие системы не требуют заметного отчуждения земли.

Тепловые режимы работы грунтовых теплообменников могут быть существенно улучшены при использовании, наряду с теплом грунта, утилизируемого тепла вентвыбросов, тепла жидких стоков, а в ряде случаев и солнечной энергии.

В конструкциях новых зданий выполнение требований по повышению теплоизоляции ограждающих конструкций (стены, окна) приводит к тому, что основным источником тепловых потерь, как правило, оказываются теперь вентиляционные выбросы, причем повышение герметичности зданий в связи с применением стеклопакетов, требует внедрения новых технических решений по организации контролируемого воздухообмена в помещениях. А это значит, что все более широкое применение будут находить системы приточно-вытяжной вентиляции, и следовательно, будут созданы технические возможности для организации утилизации тепловых выбросов. По сравнению с широко известными воздушными теплообменниками утилизаторами теплонаносные установки позволяют обеспечить более глубокую и, что особенно важно, круглогодичную утилизацию тепла выходящего из здания воздуха, т.к. утилизация тепла в этом случае осуществляется теплоносителем с более низкой температурой.

Утилизируемое тепло вентвыбросов, жидких стоков и тепло, получаемое в простейших солнечных коллекторах, целесообразно направлять в грунт для восполнения теплоты, интенсивно “выкачиваемой” из грунта в зимнее время, тем самым восстанавливая или даже повышая его температурный потенциал. Такая схема реализуется в настоящее время на одном из опытных объектов парка Фили.

Накопленный многолетний опыт проектирования, создания и практической эксплуатации теплонаносных ситем теплоснабжения, технико-экономические и проектно-конструкторские обоснования их внедрения в реальные малые и крупные объекты строительства, расположенные как в условиях плотной городской застройки, так и в сельской местности, свидетельствуют о широких возможностях эффективного применения теплонаносных систем и обеспечения с их помощью заметного экономического, энергосберегающего и экологического эффектов. Дополнительный потенциал повышения эффективности использования тепловых насосов кроется также в возможности их внедрения не только для целей отопления и горячего водоснабжения, но и для кондиционирования воздуха, включая контроль и управление влажностью воздуха в помещениях и в ряде технологических процессов.

 

Зав. лабораторией нетрадиционных возобновляемых источников энергии ОИВТ РАН,
к.т.н. Попель Олег Сергеевич

Тел.: 484-23-74
o_popel@mail.ru

 

Статья взята с сайта http://www.aces.ru/problems/index.htm