VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Реализация энергетической программы страны, направленная на эффективное использование и экономию энергии, в большей мере определяется энергоэкономичностью решений системы отопления. Для рационального использования энергии в системах отопления зданий целесообразно применять тепловой насос.

Идеальный источник тепла должен давать стабильную высокую температуру в течении отопительного сезона, не быть коррозийным и загрязняющим, иметь благоприятные теплофизические характеристики, не требовать существенных инвестиций и расходов по обслуживанию. В большинстве случаев имеющийся источник тепла является ключевым фактором, определяющим эксплуатационные характеристики теплового насоса.

Источником теплоты для тепловых насосов является окружающая среда, энергетический уровень которой различен в зависимости от места расположения объекта, времени суток и года. Это определяется действием солнечной радиации, геотермальной энергией, энергией гравитационного поля и вращения Земли, а также энергией отходящей теплоты энергетических и технологических установок. Поэтому энергию окружающей среды необходимо использовать только в определенных местах и в определенные периоды времени (рис.1). Это могут быть местные со сравнительно высокой температурой источники энергии: почвы, грунтовые и поверхностные воды, окружающий воздух, а также потоки энергии перед выравниванием их температуры с температурой окружающей среды (солнечная энергия, отработанная теплота промышленных установок, отработанный воздух, сточные воды).

Таким образом, существуют большие потенциальные возможности использования энергии вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализации этого потенциала.

Ранее тепловой насос использовался в первую очередь для кондиционирования (охлаждения) воздуха. Система была способна также обеспечить определенную отопительную мощность, в большей или меньшей степени удовлетворяющую потребности в тепле в зимний период. Однако характеристики этого оборудования стремительно меняются: сейчас во многих странах Европы тепловые насосы используются в отоплении и ГВС.

Существуют разные варианты классификации тепловых насосов. Ограничимся делением систем по их оперативным функциям на две основных категории:

- тепловые насосы только для отопления и/или горячего водоснабжения, применяемые для обеспечения комфортной температуры в помещении и/или приготовления горячей санитарной воды;

- интегрированные системы на основе тепловых насосов, обеспечивающие отопление помещений, охлаждение, приготовление горячей санитарной воды и иногда утилизацию отводимого воздуха. Подогрев воды может осуществляться либо отбором тепла перегрева подаваемого газа с компрессора, либо комбинацией отбора тепла перегрева и использования регенерированного тепла конденсатора.

Следует отметить, что постепенно увеличивается предложение тепловых насосов класса реверсивные «воздух-вода», чаще всего поставляемых в комплекте с расширительным баком и насосным агрегатом. По отдельному заказу поставляется накопительный резервуар. Такие насосы можно врезать непосредственно в существующие водопроводные системы.

Среда и тепловые насосы. Эффективность тепловых насосов в последние годы значительно возросла в силу изменений, внесенных в конструкцию компрессоров, теплообменников и систем управления на базе микропроцессоров. В результате их воздействие на среду существенно снизилось, вплоть до того, что теперь они считаются более «чистыми» в экологическом плане, нежели самые современные высокоэффективные газовые котлы.

Для оценки реальной эффективности теплового насоса в реальных эксплуатационных условиях коэффициент сезонной производительности SEER является более важным, чем КПД. Это показатель соотношения между общей тепловой энергией в Вт, выдаваемой за сезон, и общей электроэнергией, потребляемой для обеспечения работы теплового насоса в течение отопительного сезона в конкретных эксплуатационных условиях.

Современные тепловые насосы класса «воздух-воздух» обеспечивают рабочий показатель SEER на уровне 3. Для сравнения: насосы классов «вода-вода» и «грунт-вода» работают более эффективно и показатель SEER у них может подниматься до 4. На основе показателя SEER можно провести сравнительный анализ воздействия на среду тепловых насосов и газовых котлов по годовым эксплуатационным показателям сгорания, объемам выбросов в атмосферу СО₂.

Кривые на рис.2 обозначают два режима выброса СО₂:

- котлы: выбросы СО₂, образуемого при сгорании газа, – 221 г на кВт.ч произведенного тепла;

- тепловые насосы: выбросы СО₂, образуемого при производстве электроэнергии, – 460 г на кВт.ч произведенного электричества.

Для примера: тепловой насос с показателем SEER 3,0 по сравнению с котлом, имеющим коэффициент годовой производительности на уровне 90% (уровень чрезвычайно высокий и труднодостижимый), воздействует на среду на 40% «мягче», чем такой котел. Иными словами, тепловой насос выбрасывает в атмосферу СО₂ на 40% меньше, чем котел той же мощности за аналогичный временной отрезок.

Рисунок 2. Процентное сокращение выбросов СО₂ тепловым насосом в зависимости от соответствующего показателя SEER по сравнению с котлом и в зависимости от соответствующего коэффициента сезонной производительности

Помимо весьма высокой эффективности тепловые насосы достигли в настоящее время такого уровня конструктивной прочности, который обеспечивает чрезвычайную долговечность и более чем внушительную надежность. По результатам исследования, проведенного ASHRAE (Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха), отмечены следующие данные:

- бытовые тепловые насосы класса «воздух-воздух» – 15 лет;

- тепловые насосы сферы обслуживания класса «воздух-воздух» – 15 лет;

- тепловые насосы сферы обслуживания класса «вода-воздух» – 19 лет.

В настоящее время идет процесс внедрения теплонасосной техники, который можно назвать грандиозным. Можно говорить о новой эпохе в теплоснабжении – теплоснабжение на основе тепловых насосов. Сегодня десятки миллионов тепловых насосов функционируют по всему миру, и миллионы новых вводятся в строй ежегодно. Тепловые насосы постепенно вытесняют традиционные способы теплоснабжения. К 2020 году ожидается, что около 75 % теплоснабжения в развитых странах будет осуществляться за счет тепловых насосов.

Происходит быстрыми темпами развитие тепловых насосов с технической точки зрения, достигнут высокий уровень эффективности и надежности. Применение новых технологий позволило создать малошумные и экологически чистые тепловые насосы. Впечатляет и количество фирм-производителей теплонасосной техники, и разнообразие предлагаемого ими оборудования по области применения, по мощности, по конструктивным решениям.

В 1990-е годы по известным причинам развитие данной отрасли в России быстро шло на спад. Но в настоящее время интерес к этому направлению теплоснабжения вновь повышается. И несмотря на то, что сегодня имеется много примеров практического использования тепловых насосов, которое удачно демонстрирует их преимущества, спрос на них в нашей стране пока невелик, а их выпуск заключается лишь в производстве единичных экземпляров.

Такое положение дел в России имеет вполне объяснимые причины. Наличие на ее территории значительных запасов энергетических ресурсов, экстенсивно развитая энергосистема, широкое распространение систем центрального теплоснабжения никак не способствовали развитию теплонасосной техники даже в условиях большой потребности тепловой энергии. Но такая ситуация не может продолжаться долго. Россия идет по пути интеграции в мировую экономику, что, несомненно, потребует от нее принятия некоторых предлагаемых условий, например, выполнение европейских экологических норм, повышение эффективности энергетики до уровня развитых стран и пр.

Применение тепловых насосов могло бы поднять теплоснабжение в России на новый уровень.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление: учебник для вузов. – М.: Стройиздат, 1991.- 735с.

2. Варфоломеев Ю.М., О.Я. Кокорин Отопление и тепловые сети: Учебник.- М.: ИНФРА, 2012 – 480с.

3. Кочев А.Г., Семикова Е.Н., Половинкина Е.О. КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯВ сборнике: Великие реки' 2014 Труды конгресса 16-го Международного научно-промышленного форума: В 3-х томах. Нижний Новгород, 2014. С. 64-67.

4. www.abok.ru

Код для цитирования: Скопировать