ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ ДЛЯ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЙ В РОССИИ.

Нужденко А.Ю. 1, Хрячков А.В. 1

1ФГБОУ ВО «КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева»

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Энергетика – основа современной цивилизации, она обеспечивает экономику и население топливом, энергией и является фундаментом всей системы хозяйствования человека. С точки зрения используемых энергоресурсов энергетика подразделяется на 2 категории:

Невозобновляемая – использует источники энергии, запас которых ограничен (ископаемые углеводороды – уголь, нефть, природный газ).
Возобновляемая – использует источники энергии, запас которых практически не ограничен.

Актуальность темы обусловлена тем, что возобновляемая энергетика является наиболее быстро развивающимся направлением., в связи с исчерпаемостью ископаемых углеводородов и нарастающим загрязнением окружающей среды. Возобновляемая энергетика – это область хозяйства, науки и техники, охватывающая производство, передачу, преобразование, накопление и потребление электрической, тепловой и механической энергии, получаемой за счет использования возобновляемых источников энергии. Широкое использование этих источников энергии соответствует высшим приоритетам и задачам энергетической безопасности любой страны.

Одним из наиболее эффективных способов получения тепловой энергии из окружающей среды является: отбор теплоты от источников низкопотенциальной энергии, преобразование и передача ее потребителю с более высокой температурой за счет подвода внешней энергии или затраты работы (табл. 1) [8].

Таблица 1. Виды низкопотенциальных источников энергии для различных способов использования теплового насоса (коэффициент преобразования теплоты)

Вид и температуранизкопотенциальногоисточника теплоты	Вил теплоснабжения и температура горячего теплоносителя
	Отопление напольное	Отопление нагретым воздухом	Отопление синтенсивнымитеплообмен-никами	Отопление радиаторное, вода	Горячееводоснабжение
	25...35°С	25...30°С	40...55°С	70...100°С	50...80°С	40...50°С
Воздух, -5... 15°С	4,0	3,9	3,15	-	2,65	3,15
Грунт, 5…10°С	4,0	3,9	3,15	2,0	2,65	3,15
Грунтовые воды,8...15°С	4,4	4,0	3,6	2,25	2,9	3,6
Естественные водоемы, 4 ...17°С	4,4	4,0	3,6	2,25	2,9	3,6
Сточные воды,10 ...17°С	4,7	4,2	3,8	2,25	3,15	3,8
Оборотная вода,25...40°С	-	-	4,5	3,0	3,35	4,5

Тепловые насосы (ТН) используются для выработки теплоты в системах индивидуального отопления. Установка ТН имеет следующие преимущества:

тепловые насосы являются установками индивидуального теплоснабжения с исключением протяженных тепловых сетей;
снижение объема природного первичного топлива, расходуемого на теплоснабжение, примерно в 1,5-2 раза;
улучшение экологической обстановки в населенных пунктах, так как котельные сжигающие органическое топливо заменяются тепловыми насосами, в которых отсутствует потребность в сжигание органического топлива;
безопасность по сравнению с индивидуальными котельными на газовом топливе;
меньшими затратами на обслуживание, так как тепловые насосы малой мощности не требуют периодического обслуживания, а для тепловых насосов большой мощности необходим лишь периодический контроль.

Тепловые насосы более экономичны и безопасны, поэтому являются хорошей альтернативной для систем индивидуального теплоснабжения многоквартирных жилых домов и коттеджей, но не смотря на то, что ТН очень широко распространены в мире (табл.2) [9], в России же они получили гораздо меньшее развитие, так как при эксплуатации данных установок нужно решать ряд проблем, требующих соответствующей квалификации и отношения.

Таблица 2. Мировой уровень использования низкопотенциальной тепловой энергии земли посредством тепловых насосов.

Страна	Установленная мощностьоборудования, МВт	Произведеннаяэнергия, ТДж/год
Австралия	24,0	57,6
Австрия	228,0	1094,0
Болгария	13,3	162,0
Великобритания	0,6	2,7
Венгрия	3,8	20,2
Германия	344,0	1149,0
Греция	0,4	3,1
Дания	3,0	20,8
Исландия	4,0	20,0
Италия	1,2	6,4
Канада	360,0	891,0
Литва	21,0	598,8
Нидерланды	10,8	57,4
Норвегия	6,0	31,9
Польша	26,2	108,3
Россия	1,2	11,5
Сербия	6,0	40,0
Словакия	1,4	12,1
Словения	2,6	46,8
США	4 800,0	12 000,0
Турция	0,5	4,0
Финляндия	80,5	484,0
Франция	48,0	255,0
Чехия	8,0	38,2
Швейцария	300,0	1 962,0
Швеция	377,0	4 128,0
Япония	3,9	64,0
Всего:	6 675,4	23 268,9

К проблемам, препятствующим широкому распространению тепловых насосов в России, можно отнести:

многообразие климатических зон;
высокие начальные капиталовложения;
дешевизна природного топлива в России.

Тепловой насос подбирается, в первую очередь, по нагрузкам, которые он должен покрывать. В свою очередь нагрузки зависят от климата, который характеризуется:

температурой самой холодной пятидневки;
средней температурой самого холодного месяца в году;
средней температурой трёх самых холодных месяцев.

Для дальнейшего анализа приведем сводную таблицу температур для населенных пунктов России представленную в табл. 3 [2].

Таблица 3. Климатические данные по населенным пунктам России

Город	Абсолютный минимум, °C	Температура самого холодного месяца, °C	Температура трёх самых холодных месяцев, °C
Анапа	−23,9	2,4	3,2
Архангельск	−45,2	−12,8	−11,3
Астрахань	−37,7	−3,7	−3,1
Барнаул	−48,2	−15,5	−14,0
Владивосток	−31,4	−12,3	−9,9
Волгоград	−32,6	−6,7	−5,9
Воронеж	−36,5	−6,5	−5,9
Екатеринбург	−46,7	−12,6	−11,5
Иркутск	−49,7	−17,9	−16,0
Казань	−46,8	−10,4	−9,7
Калининград	−33,3	−1,5	−1,0
Кострома	−46,4	−9,4	−8,6
Краснодар	−33,7	0,3	1,1
Красноярск	−52,8	−15,5	−13,9
Курск	−35,3	−6,2	−5,8
Магадан	−34,6	−16,4	−15,6
Магнитогорск	−46,1	−14,1	−13,2
Махачкала	−26,9	1,2	1,7
Минеральные Воды	−28,3	−2,5	−2,1
Москва	−42,1	−6,7	−6,1
Мурманск	−39,4	−10,0	−9,3
Нерюнгри	−61,0	−30,4	−28,4
Нижний Новгород	−41,4	−8,9	−8,3
Новокузнецк	−47,7	−15,0	−13,8
Новосибирск	−45,0	−16,1	−14,7
Омск	−45,5	−16,3	−15,0
Оренбург	−43,2	−11,8	−10,9
Орёл	−37,8	−6,7	−6,1
Псков	−40,6	−5,7	−4,9
Ростов-на-Дону	−31,9	−3,1	−2,6
Самара	−43,0	−10,1	−9,4
Санкт-Петербург	−35,9	−5,8	−5,0
Саратов	−37,3	−8,1	−7,4
Северо-Курильск	−21,0	−4,9	−4,1
Смоленск	−37,9	−6,4	−5,9
Сочи	−13,4	6,0	6,6
Ставрополь	−27,8	−2,9	−1,9
Сургут	−55,2	−20,0	−18,8
Сыктывкар	−46,6	−14,2	−12,8
Тамбов	−38,0	−7,8	−7,2
Тверь	−44,0	−7,6	−7,0
Томск	−55,0	−17,1	−15,6
Тюмень	−46,1	−14,9	−13,7
Улан-Удэ	−54,4	−23,4	−20,2
Уфа	−48,5	−12,6	−11,6
Хабаровск	−41,4	−19,9	−17,6
Ханты-Мансийск	−49,0	−18,9	−17,4
Челябинск	−49,9	−14,5	−13,4
Южно-Сахалинск	−36,2	−12,2	−10,8
Якутск	−64,4	−38,6	−36,7

Данные таблицы 3 показывают, что Россия находится по большей части в высоких и средних широтах. По всей территории России очень велика разница в сезонном поступлении солнечного тепла. Климат на большей части территории страны суровый, с четкой сменой времен года, как отмечает в своей книге Паршев А.П. [6].

Все эти факторы непосредственно влияют на количество дней отопительного сезона и на параметры теплоносителя в системах отопления, что, в свою очередь, влияет на режим работы теплового насоса. Увеличивается сложность регулирования производительности из-за существенного отличия между температурой самой холодной пятидневки (абсолютного минимума) и средними температурами самых холодных месяцев. В связи с этим приходится применять более мощные тепловые насосы, что существенно увеличивает начальные капиталовложения. Так же при работе таких теплонасосных установок не в номинальном режиме (наибольшая нагрузка при температуре самой холодной пятидневки) изменяются такие важные показатели как: снижение коэффициента преобразования; снижение КПД теплового насоса; усложнение конструкции дросселя. Кроме того, необходимо защитить компрессор теплового насоса от механических разрушений, вызванных неблагоприятными условиями работы.

Ниже перечислены причины возможных поломок [7]:

высокое давление на выходе из компрессора - разрушение конструкции;
высокая температура на выходе из компрессора - коррозия клапанов, разложение хладагентов;
высокое давление на входе в компрессор - поломка упорного подшипника;
большая разность давлений в компрессоре - механическая поломка движущихся частей.

В связи с вышесказанным можно отметить, что тепловые насосы возможно применять в России, в регионах с незначительными перепадами температур, что подтверждается практическим опытом, который приведен в табл. 4 [8].

Таблица 4. Применение тепловых насосов в России

Наименование объекта	Источник низко-потенциальнойтеплоты	Мощность, кВт	Тип и производитель тепловых насосов
г. Нижний Новгород, отоплениекомплекса административных зданий, складов и гаража	Грунтовая вода,5...10°С	45	ТН-45,ЗАО «НПФТритон»
г. Нижний Новгород, горячее водоснабжение гостиничного комплекса	Грунтовая вода,5...10°С	600	ТН-600,ЗАО «НПФТритон»
г. Москва, здание пожарной части	Речная вода,5...20°С	16 (μ=3,4)	фирма «Экип»,г. Москва
г. Москва, плавательный бассейн	Сбросная водадушевых,30...40°С	Нет данных(μ=6,1)	фирма «Экип»,г. Москва
г. Москва, аквапарк	Сбросная вода,20...30°С	1500	ЗАО «Энергия»
Тюмень, отопление поселка	Питьевая вода изводозабора, 7... 9°С	3700	2 насоса НТ-3000. ЗАО«Энергия»
г. Карасук Новосибирской обл.,отопление школы	Грунтовая вода,24 °С	700	2 насоса НКТ-300, ЗАО«Энергия»
п. «Мирный» Алтайского края, отопление поселка	Грутовая вода,23 °С	1000	3 насосаНКТ-300, ЗАО«Энергия»
п. Щербаки Новосибирской обл., отопление поселка	Грутовая вода,35 °С	1200	Насос Н Г-1000,ЗАО «Энергия»
Новосибирск, горячее водоснабжение Академгородка.	Вода Обскогоморя, 5...22°С	1000	Насос 111-1000,ЗАО «Энергия»

Несмотря на суровый климат некоторых регионов, внедрение тепловых насосов производится и в них, хотя и в меньшем объёме, например, в Кузбассе этим занимаются компании ООО «Экоклимат Кузбасс», НПО «Генерация инновационных технологий» и ОАО «КемВод». Примеры их деятельности по применению ТН в Теплоснабжении Индивидуальных объектов сведены в таблицу 5 [1,5].

Таблица 5. Применение тепловых насосов в Кузбассе

Наименование объекта	Отапливаемая площадь, м²	Мощность (максимальная), кВт	Тип и производитель тепловых насосов
Кемеровская область п. Суховский, коттедж	380	16,4	Danfoss DHP-L 16, Швеция
Кемеровская область п. Елыкаево, коттедж	280	16,4	Danfoss DHP-L 16, Швеция
Кемеровская область д. Красный яр, коттедж	190	16,4	Danfoss DHP-L 16, Швеция
Кемеровская область пгт. Шерегеш, отель	4000	Нет данных	BROSK 1000, Россия
г. Кемерово	890	42	Thermia Robust 42, Россия

Экономическая эффективность применения тепловой насосной установки (ТНУ), как и любого другого вида техники, является многофакторной характеристикой, зависящей от условий каждого отдельного объекта. Поэтому, в качестве примера оценки сравнительной экономической эффективности, возьмем простейший бытовой теплогенератор (АГВ) мощностью 10 кВт, использующий в качестве топлива газ, солярку или «чистое» электричество и тепловой насос, работающий на электроприводе. Результаты сравнения представлены в табл. 6 [4].

Таблица 6. Сравнение теплового насоса с другими установками

Наименование	Ед. изм.	АГВ (магистр. газ)	АГВ (солярка)		АГВ (электри-ческий)		ТН (электр. привод)
Стоимость тепловой установки	руб.	30000	30000		10000		105000
Монтаж внешних сетей подвода энергоносителя	руб.	150000	50000		40000		40000
Монтаж внутренних сетей	руб.	8000	9000		5000		8000
Всего расходов на установку	руб.	188000	89000		55000		153000
Транспортные расходы на доставку энергоносителя	руб./мес.	-	600		-		-
Обслуживание сетей при эксплуатации	руб./мес.	300	500		50		50
Обслуживание установок при эксплуатации	руб./мес.	200	300		100		100
Стоимость энергоносителя		5,05, руб./м³	35 руб./кг		2,53 руб./кВтч		2,53 руб./кВтч
Количество израсходованного энергоносителя	за 24 ч.	29 м³	10 кг		240 кВтч		48 кВтч
Стоимость отопления за сутки	руб.	146,5	350		607,2		121,4
Количество часов отопительного сезона в год	час	5000
Количество лет/часов для подсчета	год/ч	3/15000
Стоимость энергоносителя за 3 года	т.руб.	92		219		380	76
Общие затраты за 3 года	т.руб.	284		308		435	229
Общие затраты за 5 лет	т.руб.	358		464		688	282
Ресурс работы	лет	7		7		15	15

Данные табл. 6 показывают, что несмотря на высокие начальные затраты на установку ТН в дальнейшем эксплуатационные затраты ниже чем у других видов установок, благодаря чему использование ТН является более выгодным решением.

Таким образом, перспективы применения ТН в Российских системах теплоснабжения определяются:

технологической востребованностью, в том числе при использовании вторичных энергоресурсов, геотермальной энергии;
тенденцией повышения цен на топливо, тепловую и электрическую энергию;
наличием в стране опытных разработчиков и производителей ТН, способных при сотрудничестве с зарубежными партнерами обеспечить выпуск конкурентоспособных ТН.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что использование тепловых насосов в России для отопления при определенных условиях достаточно экономичная и эффективная альтернатива традиционной системе отопления.

Список литературы:

Генерация инновационных технологий. [Электронный ресурс]. – URL: http://gen-in.ru/services/strana-proizvoditel/. (дата обращения 06.01.16).
Ежемесячные климатические данные для станций СНГ. [Электронный ресурс]. – URL: http://seakc.meteoinfo.ru/actuals/31-station-clim-monthly-cis/112-clim-monthly-cis. (дата обращения 06.01.16).
Климат России. [Электронный ресурс]. – URL: http://geographyofrussia.com/klimat-rossii. (дата обращения 06.01.16).
ООО «ИЭТ Геотерм». Тепловые насосы. [Электронный ресурс]. – URL: http://teplovoy-nasos.com/Информация/Детальные-материалы-о-технологии-тепловой-насос.html. (дата обращения 06.01.16).
ООО «Экоклимат Кузбасс». Наши объекты. [Электронный ресурс]. – URL: http://otoplenie-kemerovo.ru/наши-объекты.html. (дата обращения 06.01.16).
Паршев А.П. Почему Россия не Америка. [Электронный ресурс]. – URL: http://iknigi.net/avtor-andrey-parshev/34270-pochemu-rossiya-ne-amerika-2015-andrey-parshev.html. (дата обращения 06.01.16).
Тепловые насосы. [Электронный ресурс]. – URL: http://msd.com.ua/teplovye-nasosy/upravlenie-3. (дата обращения 06.01.16).
Трубаев П.А. Тепловые насосы: Учеб. пособие / П.А. Трубаев, Б.М. Гришко. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. – 142с.
L. Rybach. Status and prospects of geothermal heat pumps (GHP) in Europe and worldwide; sustainability aspects of GHPs. [Электронный ресурс]. – URL: https://www.researchgate.net/publication/228945969_Status_and_prospects_of_geothermal_heat_pumps_GHP_in_Europe_and_worldwide_sustainability_aspects_of_GHPs. (дата обращения 06.01.16).

Просмотров работы: 974

Код для цитирования:

VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ ДЛЯ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЙ В РОССИИ.

Студенческий научный форум - 2016
VIII Международная студенческая научная конференция