VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Тепловые насосы позволяют переносить тепло от более холодного тела к более горячему посредством испарения и конденсации, использовать теплоту практически всех окружающих сред: воды, воздуха, грунта. Теплонасосные установки давно доказали свою эффективность благодаря тому, что передают потребителю в 3 – 5 раз больше энергии, чем затрачивают сами на ее передачу. Кроме того, в тепловых насосах используются экологически чистые технологии практически без выбросов вредных веществ в окружающую среду [1].

Тепловые насосы малой мощности (до 100 кВт) получили широкое распространение в высокотехнологичных странах мира. Они компакты, надежны, экологичны, работают при низких температурах наружного воздуха зимой, а также способны осуществлять кондиционирование помещений в теплый период года.

Таким образом, можно считать, что рынок маломощных тепловых насосов бурно развивается, и необходимо оценить перспективы применения тепловых насосов большой мощности (до 30 МВт и более) для модернизации и развития систем теплоснабжения, преимущество котторых по сравнению с тепловыми насосами малой мощности заключаются в следующем:

·- более низкие удельные капиталовложения (на 1 кВт тепловой мощности);

·- меньшая занимаемая площадь по сравнению с большим количеством маломощных тепловых насосов;

·- более высокие технико-экономические показатели отдельных элементов (например, изоэнтропный КПД компрессора) и теплового насоса в целом.

Грунт – это наиболее универсальный источник рассеянной теплоты. Он аккумулирует солнечную энергию и целый год подогревается от земного ядра. При этом он всегда "под ногами” и способен отдавать тепло в независимости от погоды. На глубине 5-7 м температура практически постоянная на протяжении всего года. Для большей территории России она составляет 8-12°С, что вполне достаточно для обустройства высокоэффективного системы отопления и охлаждения.

Более того, в верхних слоях земли минимальное значение температуры достигается на несколько месяцев позже от пиков морозов – потребность в интенсивном обогреве с помощью теплового насоса "грунт-вода" до той поры уменьшается. В целом же, грунт достаточно надежно поставляет теплоту для теплового насоса. Необходимая энергия собирается грунтовым теплообменником, углубленным в землю, и аккумулируется в теплоносителе, который потом подается в испаритель теплового насоса и возвращается назад за новой порцией тепла. В качестве такого носителя используется незамерзающая, экологически безопасная жидкость - «рассол» или антифриз. В большинстве тепловых насосов "грунт-вода" используется раствор воды и пропиленгликоля или этиленгликоля.

Существует и другая схема отбора теплоты, когда вместо ”рассола” в контуре циркулирует фреон, который превращается в пару непосредственно в трубах теплосборника. Эта схема повышает КПД теплового насоса, но ее эксплуатация сложна и небезопасна для окружающей среды. Поэтому наиболее популярный тепловой насос "грунт-вода" с ”рассолом”, в которых используется два вида теплообменников:

грунтовый коллектор и грунтовый зонд.

Оба выполняются из полиэтиленовых труб диаметром около 40 мм с добавками теплопроводного пластификатора.

Грунтовый горизонтальный коллекторпредставляет собой длинную трубу, горизонтально вложенную под слоем грунта. Главное преимущество горизонтального коллектора – универсальность и простота монтажа. Недостаток – большая площадь под грунтовый коллектор – 25-50 м² на 1 кВт мощности теплонасоса (причем площадку можно использовать лишь под газон или однолетние цветы). Есть много схем укладки труб грунтового теплообменника: петля, змейка, зигзаг, плоские и винтовые спирали разных форм, так называемый способ ”Slinky” и др. Выбор способа укладки горизонтального коллектора определяется теплопроводностью грунта и геометрией участка.

Производительность грунтового теплообменника больше на увлажненных суглинках и значительно меньше на сухих песчаных участках. В среднем 1 м² поверхности грунта может обеспечить снабжение 10-40 Вт мощности. Если нужна большая мощность теплового насоса "грунт-вода", то петель грунтового коллектора делают несколько.

Вертикальные коллекторы – это система длинных труб, которые опущены в глубокую скважину (50-150 м). Тепловой насос "грунт-вода" с использованием вертикального теплообменника нуждается лишь в небольшом участке земли, на котором проводятся работы по бурению. На глубине всегда одинаковая температура – от 10°С и выше, поэтому вертикальные коллекторы мощнее по съему теплоты в отличие от горизонтальных. Один метр длины вертикального теплообменника дает возможность получить от 30 до 100 Вт тепловой энергии в зависимости от грунта и его увлажненности. Известно около десяти разных конструкций вертикальных коллекторов, даже достаточно необычных (например, в виде труб, забетонированных в сваи фундамента дома). Но наиболее применяемыми являются две: "труба в трубе" и U-образная. По одной линии "рассол" подается циркуляционным насосом вниз, а по другой им же поднимается вверх, к испарителю теплового насоса. Для улучшения теплопередачи и повышения прочности вертикального коллектора зазор между землей или обсадной трубой и рабочими трубами заполняется бетонитом или бетоном. Если нужно получить большую мощность, таких вертикальных теплообменником делают несколько. Расстояния между вертикальными коллекторами (скважинами) составляет 5-7 м.

Источником теплоты для тепловых насосов могут быть поверхностные воды -реки, озера или грунтовые воды (скважины), а также стоковые воды технологических циклов предприятий (например, система оборотного водоснабжения). Тепловые насосы "вода-вода" практически не отличаются от тех, которые работают с "рассолом". Но благодаря более высокой температуре теплоносителя зимой, годовая эффективность использования таких тепловых насосов оказывается наивысшей.

Температура воды редко снижается ниже +4 °С. Чем ближе к поверхности, тем температура больше варьируется в течение года, а в глубине - она относительно стабильна. Полиэтиленовые трубы для отбора теплоты укладывается на дне или в грунте дна, где температура еще немного выше, чем температура воды. Важно, чтобы трубы снабжались отягощающим грузом для предотвращения всплытия или имели каркас. Чем ниже они залегают, тем меньше риск повреждения.

В схеме системы теплонасосного теплоснабжения (рисунок 1) теплота отбирается испарителем теплового насоса, преобразуется в тепловом насосе, использующем электроэнергию, передается теплоносителю первого контура конденсатором теплового насоса. Тепло из перового контура передается в бак-аккумулятор, который используется в качестве накопителя тепловой энергии, и система может свободно функционировать без него, компенсируя перепады температуры теплоносителя за счет увеличения потребления электроэнергии [2].

Рисунок 1 - Функциональная схема системы теплонасосного теплоснабжения:

1 –тепловой насос, 2 – бак-аккумулятор, 3 – потребитель, 4,5 –циркуляционные контуры, 6-8 – теплообменники, 9,10 – циркуляционные насосы.

При использовании возобновляемых ресурсов в качестве источников может возникнуть потребность в стабильном и постоянном источнике энергоснабжения. В качестве резервного источника питания в теплонасосной системе применяется электроводонагреватель. Для наиболее эффективного использования потенциала теплонасосного источником (электроводонагревателем) и повышающим термотрансформатором.

Тепловые насосы не только вырабатывают тепло, но и охлаждают помещения, то есть они реверсивные. Тепловые насосы могут отбирать тепло из воздуха дома, охлаждая его и направлять тепловые избытки в скважину или на улицу с воздухом. В летнее время избыточное тепло можно использовать на подогрев бассейна. Также они способны одновременно с обогревом или охлаждением приготовить горячую воду для бытовых нужд.

Для использования полученной установки в качестве источника энергии в системе кондиционирования воздуха рационально использовать абсорбционнцю холодильную машину. Для накопления излишков тепловой энергии в моменты максимальной выработки энергии и последующего ее использования в зимний период времени применяется сезонное аккумулирование тепла при помощи грунтового теплового аккумулятора. Наиболее эффективными представляются комбинированные системы тепло- и холодоснабжения, включающие в себя тепловой насос, бака аккумулятор, абсорбционную холодильную машину, дополнительно могут быть использованы грунтовый тепловой аккумулятор совместно с тепловым насосом, повышающий термотрансформатор и резервный источник теплоснабжения (рисунок 2).

С точки зрения технико-экономического обоснования (ТЭО) использование теплового насоса, на фоне остальных источников тепла, показывает наиболее высокую экономию средств. Первоначальные инвестиции в тепловой насос достаточно велики, но, при детальном изучении ТЭО и правильном подходе к использованию всех преимуществ теплового насоса, как то, функция охлаждения в летний период, правильный расчет мощности, удешевление монтажных работ за счет применения отечественных материалов, позволяет сократить срок окупаемости на некоторых объектах до 2-3 лет.

Рисунок 2 - Функциональная схема системы теплонасосного теплоснабжения:

2 - тепловой насос, 3 – электроводонагреватель, 4 – бак аккумулятор, 5 – потребитель, 6-9 –циркуляционные контуры, 10-13 – теплообменники, 14 – повышающий термотрансформатор, 15-18 – циркуляционные насосы, 19 – абсорбционная холодильная машина, 20 – вентилятор, 21– грунтовый тепловой аккумулятор.

По прогнозу Мирового Энергетического Агентства, к 2020 году в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения от теплонасосов составит не менее 75%, в мировой практике меняется стратегия теплоснабжения: происходит переход от традиционного сжигания органического топлива к использованию энергоэффективных технологий для утилизации рассеянного или сбросного техногенного теплоты.

Литература

1 Фортов В.Е. Возобновляемые источники энергии в Мире и в России / В.Е. Фортов, О.С. Попель // Энергетический вестник. 2013. №16. С. 20-31.

2 Амерханов Р.А. Использование воздушного теплового насоса для теплоснабжения объектов /Р.А. Амерханов, А.С. Кириченко, В.П. Снисаренко // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. – № 6 (175). – 2015.

Код для цитирования: Скопировать