V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

В последнее десятилетие все большее распространение в мире получают новые энергоэффективные технологии жизнеобеспечения зданий, базирующиеся на применении теплонасосных систем теплохладоснабжения (ТСТ). Все широкомасштабные программы по экономии энергии, реализуемые за рубежом, предусматривают их широкое использование.

В наиболее общей конфигурации ТСТ здания или сооружения включает в себя следующие основные элементы:

• низкопотенциальную часть (источник низкопотенциальной тепловой энергии, или потребитель холода) - систему сбора низкопотенциального тепла (систему теплосбора) или систему хладоснабжения (кондиционирования).

• высокопотенциальную часть (потребитель тепловой энергии) - системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения

• теплонасосное оборудование

С точки зрения термодинамики тепловой насос (ТН) представляет собой обращенную холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и, как правило компрессор. В основном используется два типа ТН: абсорбционный и наиболее распространенный – парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путем отбора тепла из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс тепловой энергии в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим «полезное» тепло для потребителя, а испаритель – теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную тепловую энергию: вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ). Среди возможных источников низкопотенциальной тепловой энергии необходимо выделить: окружающий воздух; грунт поверхностных слоев Земли; водоемы и природные водяные потоки; вентиляционные выбросы зданий и сооружений; канализационные стоки; сбросное тепло технологических процессов[1].

Наибольшим энергетическим потенциалом из источников низкопотенциальной тепловой энергии обладают канализационные стоки. Как показывают исследования, температура сточных канализационных вод составляет 20–30°С и изменяется в малых пределах в течение года. При использовании ТН, даже при температуре канализационных стоков 18–22°С, затрачивая 1 кВт-ч электрической энергии, можно получить 5–6 кВт-ч утилизированной тепловой энергии.[2]

Первые ТН по использования тепла канализационных стоков были построены более 20 лет назад. Сейчас в мире более 500 тепловых насосов, использующих тепло сточных вод, их тепловые мощности варьируются от 10 кВт до 20 МВт. Наибольшее их количество в Швейцарии которая в 1993 г. приняла государственную программу по разработке и пропаганде использования сточных вод в качестве источника отопления и охлаждения зданий.

Утилизации тепла сточных вод применяется в Швейцарии в более чем 200 установках, которые установлены в промышленных зданиях, плавательных бассейнах, спортивных залах, больницах и жилых зданиях. Использование тепловой энергии сточных вод идет на нагрев воды для систем горячего водоснабжения[3].

ТН использующие тепло сточных вод делят на: установки с постоянным количеством сточных вод, установки с непостоянным количеством сточных вод.

Установки первого типа применяются на резервуарах по очистке сточных вод, их основной проблемой является засорение теплообменного оборудования. В качестве примера можно привести установку в доме для престарелых в г. Гларус (Швейцария), на 100 коек. Установка для очистки сточных вод с рекуперацией тепла была построена в 2004 году. Теплообменник находится во внешнем сборном резервуаре сточных вод. Энергия сточных вод используется для нагрева воды для системы горячего водоснабжения. Установлен 30-кВт тепловой насос, и достигается коэффициент трансформации 3,8 в среднем за год (по натурным измерениям).

Установки с непостоянным количеством сточных вод применяются непосредственно на канализационных выпусках из зданий или на очистных станциях, их основным недостатком является применение промежуточного теплоносителя. Его применяют для предотвращения замерзания канализационных стоков в следствии большого отбора тепла. В качестве примера можно привести установку в головном офисе швейцарской медицинской страховой компании "Конкордия" в Люцерне. ТН использует тепло канализационных стоков отбирая его с 60 метров трубы городской канализационной сети, при среднем расходе через неё 50 л/с. Тепло используется для отопления здания зимний период, а в летний период установка применятся для кондиционирования помещений. Для покрытия пиковых нагрузок применятся газовый котел.

В настоящее время в России действует экспериментальная автоматизированная теплонасосная установка (АТНУ), утилизирующая теплоту неочищенных сточных вод предназначенная для подогрева водопроводной воды перед котлами районной тепловой станции (РТС) № 3 г. Зеленограда. Мощность установки порядка 1,5 МВт, экономия энергии при её применении составила 65%[4].

На Украине в общежитии аспирантов КиевЗНИИЭП применяется экспериментальная установка, работающая на низкопотенциальной энергии грунта и канализационных стоков. Тепловая мощность установленного теплового насоса была недостаточной для того, чтобы он мог полностью обеспечивать все потребности здания в горячей воде в зимний период, когда температура водопроводной воды была близка к нулю градусов. Зимой вместе с тепловым насосом работал параллельно включенный теплообменник, в котором вода подогревалась теплоносителем из тепловой сети, и тепловой насос автоматически включался лишь в часы повышенного водоразбора. Для отбора тепла от канализационных стоков применялись сточно-гликолевые теплообменники [5].

Основным недостатком описанных систем является применение промежуточного теплоносителя, который повышает энергозатраты и уменьшает энергоэффективность теплового насоса.

Рисунок 1. Теплонасосная система горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома встроенная в ИТП

В БГТУ им. В.Г. Шухова разработана теплонасосная установка, без промежуточного теплоносителя, для систем горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома. Данную установку, работающую на тепле канализационных стоков, предлагается встраивать в существующие и модернизируемые ИТП. Она включает в себя тепловой насос, работающий на тепле канализационных стоков, конденсатор которого является теплообменником I ступени системы ГВС (рис. 1).

Установка данной системы позволит:

1. Уменьшить удельные расходы тепла и электроэнергии на перекачку теплоносителя, за счет того что основную часть тепловой нагрузки на ГВС обеспечит ТН.

2. Наиболее полно использовать тепловую энергию, максимально утилизируя тепло канализационных стоков.

3. Поскольку вода на ГВС будет готовиться непосредственно в ИТП, уменьшится общая протяженность теплопроводов.

Список литературы:

1. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли: монография/ Г.П. Васильев.- М: Издательский дом «Граница», 2006-176с.

2. http://www.energo-resurs.ru Д. Г. Закиров, А. В. Полежаев. Проблемы и перспективы снижения затрат на теплоснабжение объектов в сфере ЖКХ за счет применения теплонасосных технологий.

3. www.bfe.admin.ch/php/modules/publikationen/stream.php Felix Schimd, energy-engineer FH, Swissenergy agency for infrastructure plants. Swage water: interesting heat scource for heat pump and chillers.

4. Г. П. Васильев, И. М. Абуев, В. Ф. Горнов. Автоматизированная теплонасосная установка, утилизирующая низкопотенциальное тепло сточных вод г. Зеленограда- AВОК №5-2004.

5. В.Ф. Гершкович. Исследование работы теплового насоса, использующего теплоту грунта и канализационных стоков.- С.О.К.№11-2007г.

Код для цитирования: Скопировать