VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Можно ли сэкономить на отоплении? Вопрос волнует многих, особенно с учетом постоянного роста тарифов на энергоносители. Более 30 лет назад была предложена альтернатива – извлекать энергию из окружающей среды. Разработанная схема получила название – тепловые насосы для отопления дома. Для нас это в новинку, но опыт Европы и Японии доказывает эффективность.

При отсутствии подвода газа в современных коттеджных и дачных посёлках для отопления домов в большинстве случаев стараются использовать электричество. Несомненно, это удобно, однако дорого. Для отапливания дома электричеством требуется значительная выделенная мощность, и кроме этого, потребление электроэнергии для выработки тепла велико, что может вызвать отключение электричества и перегрузку локальных сетей. Кондиционирование дома также в большинстве случаев осуществляется с помощью электроэнергии. В результате всего вышеперечисленного затраты на отопление, горячее водоснабжение (ГВС), вентиляцию дома, кондиционирование достигают немалых сумм.

Решением проблемы можно смело назвать тепловой насос. Принцип его работы – «холодильник наоборот». Он работает на электрической энергии. Выдаваемая общая тепловая мощность насоса в 3-5 раз превосходит затрачиваемую электрическую мощность.

Целью данного исследования являетсявыбор оптимального типа теплового насоса исходя из климатических условий различных городов Российской Федерации.

Тепловые насосы могут быть актуальны в том случае если ваш дом не газифицирован, и электроэнергия подается к вам без перебоев. А также, если можно использовать ночной режим оплаты за электричество, и основное отопление производить ночью.

Для выполнения данной цели необходимо выполнить ряд задач:

1. Разобраться в принципе действия теплового насоса.

2. Найти преимущества и недостатки тепловых насосов.

3. Выбрать определенное количество городов России для исследования температуры воздуха и глубины промерзания грунта.

4. Составить необходимые таблицы с данными о промерзании грунта и о температуре в выбранных городах с обеспеченностью 0.92.

5. Узнать о разновидностях тепловых установок.

6. Провести обзор производителей тепловых установок.

7. Сделать выводы об актуальности тепловых насосов в различных городах Российской Федерации.

Принцип действия теплового насоса

Применение тепловых насосов для отопления любого объекта, как частного дома, так и промышленного здания экономически выгодно. На сегодняшний день использование тепловых насосов в нашей стране не так популярно, как например в Европе. Там уже большинство предприятий и владельцев частных домов в полной мере оценили преимущество тепловых насосов для отопления и горячего водоснабжения. Ведь экономия денежных затрат на тепло уменьшается в разы.

Тепловой насос — это компактный аппарат, использующий тепло земли, воды или воздуха и обеспечивающий автономное отопление и/или горячее водоснабжение. Данные системы экологически чисты, так как работают без сжигания топлива и не производят вредных выбросов в атмосферу, а также чрезвычайно экономичны, поскольку при подводе к тепловому насосу, например, 1 кВт электроэнергии, в зависимости от режима работы и условий эксплуатации, производит до 3- 6 кВт тепловой энергии.

Принцип работы теплового насоса базируется на «эксплуатации» естественных низкопотенциальных источников тепла из окружающей среды.

Ими могут быть:

• просто наружный воздух;

• тепло водоемов (озер, морей, рек);

• тепло грунта, грунтовых вод (термальных и артезианских).

Тепловой насос интегрирован в систему отопления, которая состоит из 2-х контуров + третий контур — система самого насоса. По внешнему контуру циркулирует незамерзающий теплоноситель, который забирает на себя тепло из окружающего пространства.

Попадая в испаритель, теплоноситель отдает в среднем от 4 до 7 °C хладагенту теплового насоса. А его температура кипения составляет -10 °C. Вследствие этого хладагент закипает с последующим переходом в газообразное состояние. Теплоноситель внешнего контура, уже охлажденный уходит на следующий «виток» по системе для набора температуры.

«Закипевший» в испарителе хладагент по трубопроводу поступает в компрессор, работающих от электроэнергии. Этот «трудяга» сжимает газообразный хладагент до высокого давления, что, соответственно, приводит к повышению его температуры.

Теперь уже горячий газ далее попадает в другой теплообменник, который называется конденсатором. Здесь тепло хладагента передается теплоносителю, который циркулирует по внутреннему контуру системы отопления.

Хладагент остывает, одновременно переходя в состояние жидкости. Затем он проходит через капиллярный редукционный клапан, где «теряет» давление и вновь попадает в испаритель.Цикл замкнулся и готов к повтору!

Преимущества и недостатки тепловых насосов:

• Экономичная эффективность. Принцип работы теплового насоса базируется не на производстве, а на переносе (транспортировке) тепловой энергии, то можно утверждать, что его КПД больше единицы.

• Универсальная повсеместность применения. Даже при отсутствии доступных линий электропередач работа компрессора теплового насоса может быть обеспечена дизельным приводом.

• Экологическая чистота использования. В тепловом насосе отсутствуют продукты горения, а его малое энергопотребление меньше «эксплуатирует» электростанции, косвенно снижая вредные выбросы от них. Хладагент, используемый в тепловых насосах, озонобезопасен и не содержит хлоруглеродов.

• Двунаправленный режим работы. Тепловой насос может в зимнее время обогревать помещение, а в летнее — охлаждать.

• Безопасность эксплуатации.

• Полная автоматизация процесса отопления помещения.

Рисунок 1. Схема работы теплового насоса.

Наибольшую популярность тепловые насосы обретают у частных клиентов, которые хотят иметь в своем доме комфортную температуру в любое время года. Зимой тепловой насос применяется для отопления, а летом охлаждает Ваш дом. И круглый год снабжает Вас горячей водой. Наибольшая эффективность достигается за счет использования теплых полов в системе отопления с применением теплового насоса и независеть от сторонних энергоносителей (например газ). Тепловой насос устанавливается от нескольких дней до 1 месяца и не требует никаких согласований. Стоимости отопления дома тепловым насосом сопоставима со стоимостью отопления магистральным газом, По потребляемому электричеству представьте, что дом в 100 м²потребляет на отопление от 1,5 до 2 квт, что меньше, чем потребление электрическим чайником имеющимся в любой квартире. Если бы Вы отапливали этот же дом в 100м² электрическими обогревателями или электрическим котлом, тоВам потребовалось бы примерно 10 КВТ.

В исследовательской части нашей работы сначала выбираем определенное количество городов России для исследования температуры воздуха и глубины промерзания грунта. Города берутся из разных природных и климатических зон. Далее изучаю таблицы с данными о температуре в выбранных городах с обеспеченностью 0.92. Проведя обзор производителей тепловых установок, я могу сделать выводы об эффективности тепловых насосов в различных зонах Российской Федерации. На основе тех данных, что я получила в ходе своей исследовательской работы, я могу выбрать оптимальный тип тепловых насосов для городов Российской Федерации.

Взяли 10 городов: Якутск, Красноярск, Тюмень, Харабровск, Н.Новгород, Пермь, Саратов, Ростов-на-Дону, Краснодар, Махачкала. Все города взяты из разных природных и климатических зон для того, чтобы проследить рентабельность тепловых наосов на территории РФ.

Разновидности тепловых насосов.

По типу используемого вида рассеянного тепла различают тепловые насосы:

• грунт-вода (используют закрытые грунтовые контуры или глубокие геотермальные зонды и водяную систему отопления помещения);

• вода-вода (используют открытые скважины для забора и сброса грунтовых вод — внешний контур не закольцованный, внутренняя система отопления — водяная);

• вода-воздух (использование внешних водяных контуров и системы отопления воздушного типа);

• тепловой насос воздух-воздух (использование рассеянного тепла внешних воздушных масс в комплекте с воздушной системой отопления дома).

Таблица 1- Температура воздуха[1]

Город	Температура воздуха °C
	Наиболее холодные сутки, обеспеченностью:			Наиболее холодная пятидневка, обеспеченностью:
	0,98	0,92	0,98		0,92
Якутск	-59	-57	-57		-54
Красноярск	-48	-44	-43		-40
Тюмень	-45	-42	-42		-38
Хабаровск	-37	-34	-34		-31
Н.Новгород	-38	-34	-34		-31
Пермь	-42	-39	-38		-35
Саратов	-34	-33	-30		-27
Ростов-на-Дону	-29	-27	-25		-22
Краснодар	-27	-23	-23		-19
Махачкала	-21	-19	-17		-14

Из Таблицы 1 нам понадобится только температура воздуха с обеспеченностью 0.92, потому что температура воздуха с обеспеченностью 0.98 походит только для уникальных зданий и сооружений.

Таблица 2- Глубина промерзания грунта

Город	Глубина промерзания грунта, м
	Суглинки и глины	Песок мелкий, супесь	Песок крупный
Якутск	1,7	2	2,6
Красноярск	1,83	2,23	2,39
Тюмень	1,73	2,10	2,25
Хабаровск	1,8	2,3	2,5
Н.Новгород	1,45	1,76	1,89
Пермь	1,59	1,93	2,07
Саратов	1,10	1,34	1,44
Ростов-на-Дону	0,66	0,80	0,86
Краснодар	0,8	0,12	0,88
Махачкала	0	0	0

На основе это таблицы, мы можем определить, на какой глубине будет расположен внешний контур тепловой установки. Он всегда находится на глубине ниже промерзания грунта.

Обзор производителей тепловых установок.

От каждого популярного производителя тепловых насосов в рейтинге рассматривалось ограниченное количество топовых моделей. При этом основным критерием оценки выступила эффективность теплового насоса согласно современным европейским стандартам EN14511 и EN255.

Коэффициент полезного действия лидеров составляет 5,1 — это максимальное значение в рейтинге.

Таблица 3 - Десятка лидеров производителей тепловых насосов

	Производитель	Модель	Эффективность
1	OCHSNER	GMSW 10 plus S	5,1
2	NIBE(KNV*)	1145-12	5,1
3	NIBE(KNV*)	1140-6	5,0
4	NIBE(KNV*)	1240-10	5,0
5	HELIOTHERM	HP16S18W-M-WEB	4,9
6	WATERKOTTE	Ai1+5009.3	4,9
7	OCHSNER	GMSW 10 plus	4,8
8	HOVAL	Thermalia® 15HP	4,7
9	WEIDER	SW 90	4,7
10	VIESSMANN	Vitocal 300-G BW 106	4,7

В каждом конкретном городе России требуется знать значения градусо-суток отопительного периода. Градусо-сутки отопительного периода (ГСОП) — условная единица измерения суровости климатических условий, в виде повышения среднесуточной температуры над заданным минимумом («базовой температурой»). Градусо-сутки отопительного периода - это показатель, равный произведению разности температуры внутреннего воздуха и средней температуры наружного воздуха за отопительный период на продолжительность отопительного периода. Показатель градусо-суток отопительного периода соотносится с нормируемым расходом топлива (энергии) для поддержания заданной температуры в жилых помещениях.

Градусо-сутки отопительного периода (ГСОП) следует определять по формуле:

ГСОП = (t_в- t_от.пер.) · z_от.пер.

где:t_в - расчетная температура внутреннего воздуха, °C (согласно [2] и нормам проектирования соответствующих зданий и сооружений); t_от.пер. - средняя температура периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8°C

z_от.пер. - продолжительность периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8°C, Сут [1].

При расчете ограждающих конструкций жилых зданий следует принимать : температуру внутреннего воздуха 18 °C в районах с температурой наиболее холодной пятидневки [1] выше -31°C и 20°C при -31°C и ниже; относительную влажность воздуха равной 55 %.

Таблица 3 - Градусо-сутки отопительного периода

Города	tот.пер.	zот.пер.	ГСОП
Якутск	- 21,2	254	10718
Красноярск	- 7,2	235	6627
Тюмень	- 7,5	220	6270
Хабаровск	- 10,1	205	6375
Н.Новгород	- 4,1	215	5397
Пермь	- 6,4	226	6129
Саратов	-5	193	5018
Ростов-на-Дону	- 1.1	175	3868
Краснодар	1.5	152	3420
Махачкала	0,3	189	4025

Касательно географических особенностей установки насосов, на юге Европейской части России выгоднее использовать «воздушные» теплонасосы, так называемые «Сплиты», а в районах, где зимняя температура часто имеет значение ниже -10°С, целесообразнее ставить «грунтовые» теплонасосы. При имеющемся проточном незамерзающем водоеме или теплых канализационных стоках рационально применять «водяные» насосы.

Результатом установки теплового насоса будет полное покрытие потребности здания в ГВС и тепле; обеспечение пассивного кондиционирования, с одновременным выполнением функций энергосберегающего вентиляционного комплекса. Затраты электричества, в сравнении с другими обычными системами отопления/кондиционирования, уменьшатся как минимум в два раза. Тепловой насос выступает незаменимой системой отопления в условиях ограничения электромощности.

Исходя из проделанной работы можно сказать, что в большинстве исследуемых городов подойдут геотермальные тепловые насосы. Тепловой насос с грунтовым коллектором можно применять только в случае, если температура грунта на уровне прокладки коллектора не опускается ниже 0°С (то есть нет перехода грунта в мерзлое состояние (промерзание)), даже в зимний период времени. Так в 6 городах (Н.Новгород, Пермь, Саратов, Ростов-на-Дону, Краснодар, Махачкала) из 10 проанализированных есть возможность прокладывать горизонтальный грунтовый теплообменник на глубине 1,6 м, так как глубина промерзания почв расположена выше этой величины.

Россия – территория с наибольшим распространением вечной мерзлоты. В зоне многолетнемерзлых грунтов находится более 60% территории страны; в основном это территория Средней и Восточной Сибирии северной части Дальнего Востока.

Город Якутск расположен в районе вечной мерзлоты, грунт промерзает на достаточно большую глубину, что делает невозможным использование тепловой системы с горизонтальным коллектором в районах с вечной мерзлой и, вчастности, в Якутске. Читинская область имеет часть территории в районе вечной мерзлоты, где глубина промерзания почвы превышает 3,2 метра, что делает также нецелесообразным применение установки с горизонтальным коллектором в Читинской области в качестве источника теплоты для обогрева помещении.

Тепловые установки имеют широкий спектр применения. Они способны применяться практически в любой сфере, как для частного клиента, так и для корпораций. В любом случае на сегодняшний день тепловой насос - это самый экономичный способ отопления. Более того пожаробезопасный и экологически безвредный для окружающей среды, в отличие от газовых, дизельных и твердотопливных котлов.

В будущем большинство стран будут продолжаться оставаться сетью энергетических импортеров подвергаясь сопутствующим рискам безопасности. В сложившейся ситуации тепловые насосы могли бы содействовать уменьшению этих рисков через использование электричества как универсального транспортировщика многотопливной энергии. Таким образом, конечные потребители будут менее зависимы от одного особенного источника топлива, так как электричество может быть произведено из широкого спектра различных ископаемых и возобновляемых источников энергии.

Более широкое использование также понизит выбросы углекислого газа, так как тепловые насосы более эффективные, чем прямое использование ископаемого топлива для тех же целей.

Теплонасосные технологии, конечно, имеют многообещающее, блестящее будущее в свете объявленного мирового энергетического кризиса.

Список литературы

1. СП 131.13330.2012 Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*. Утвержден Приказом Министерства регионального развития Российской Федерации (Минрегион России) от 30 июня 2012 г. N 275 и введен в действие с 1 января 2013 г. ФГБУ "Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук" (НИИСФ РААСН) – 386 с.

2. ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенически требования к воздуху рабочей зоны (с Изменением N 1). Утвержден и введен в действие Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 29.09.88 N 3388. Министерством здравоохранения СССР, Всесоюзным Центральным Советом Профессиональных Союзов – 111 с.

Код для цитирования: Скопировать