X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

В настоящее время никто уже не сомневается в необходимости развития новых, альтернативных методов теплоснабжения для повышения энергоэффективности систем теплоснабжения [1, 2]. Запасы ископаемых отнюдь не безграничны, сжигание угля, торфа, природного газа и нефтепродуктов наносит ущерб окружающей среде, способствуя парниковому эффекту. Таким образом, человечеству не обойтись без освоения, возобновляемых источников энергии.

Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли посредством теплонасосных установок давно привлекает внимание специалистов. За рубежом, в частности, в США и Канаде, в странах Скандинавии, в Германии, Швейцарии подобные системы получили достаточно широкое распространение. Такие системы реализованы и в нашей стране. Это, например, многоэтажное жилое здание в Москве в микрорайоне Никулино-2, в котором низкопотенциальная тепловая энергия земли и вентиляционных выбросов используется для горячего водоснабжения, сельская школа в Ярославской области.

Более того, если до недавних пор такие проекты осуществлялись, в основном, в регионах, где имеются горячие геотермальные воды, то сегодня всё чаще встаёт вопрос о таких технологиях, которые позволили бы использовать заключённое в недрах Земли тепло повсеместно. Идея одной из таких технологий была впервые выдвинута американскими учёными ещё в начале 70-х годов. Эта технология получила название «hot dry rock», то есть «горячие сухие горные породы». В её основу положено давно известное явление: по мере углубления в недра Земли температура растёт – примерно на 3 градуса каждые 100 метров. Американские геофизики предложили пробурить на глубину в 4-6 километров 2 скважины с таким расчётом, чтобы через одну закачивать внутрь холодную воду, а через другую отводить разогретый пар – ведь температура на такой глубине достигает 150-200 градусов Цельсия. Пар может быть использован как для производства электроэнергии, так и для отопления.

Основная масса тех, кто ищет дешевое отопление, хотят приблизиться по стоимости ежемесячных платежей к магистральному газу. Немаловажно и минимальное обслуживание системы отопления. Конкурентов геотермальному тепловому насосу в этом отношении нет.

Динамика рынка тепловых насосов за последние три десятилетия (как и солнечных коллекторов, и устройств, работающих на биомассе) показывает некоторую неравномерность развития, которая обусловлена многими факторами, главный из которых — повышение стоимости традиционных видов топлива. До сих пор широкому распространению тепловых насосов препятствует слабая информированность потенциальных инвесторов о инвестиционной привлекательности данного типа отопительных систем и восприятие теплового насоса, как «электрического отопления» с высокими издержками на отопление. Однако в настоящее время правильно спроектированные и установленные тепловые насосы имеют оптимальные решения по теплоснабжению, снижают издержки на отопление и вносят свой вклад в охрану окружающей среды.

Первичными источниками для производства тепловой энергии в тепловых насосах могут выступать геотермальные источники, грунт (зонт или коллектор) и воздух (в виде моноблока или сплита).

Рассмотрим принцип работы теплового насоса. В основе принципа работы тепловых насосов лежит процесс аккумулирования низкотемпературного тепла при испарении и дальнейшей отдачи энергии при последующей конденсации, обратный тому, который происходит в холодильных установках.

Принцип работы теплового насоса отображен в цикле Карно, опубликованном в его диссертации. Практическую теплонасосную систему предложил лорд Кельвин в 1852 году под названием "умножитель тепла".

Рис. 1 Принципиальная схема теплового насоса

В соотвествии с рис.1 принципом работы, тепловой насос берет тепловую энергию, перекачивает ее, и передает в иное место.

В реверсивных кондиционерах, работающих на отопление, расположенный снаружи строения блок забирает тепло из воздуха и дает внутреннему блоку в здание. Но, при температурах около плюс 5 градусов, внешний блок установки начинает покрываться инеем и льдом из конденсата воздуха, что убавляет эффективность теплопередачи. Для удаления льда кондиционер начинает временами отапливать внешний блок электричеством, при этом мощность отопления падает, расход электроэнергии возрастает. При последующем понижении температуры в итоге эффективность отопления на таких установках становится равной нулю, отопление прекращается.

При отоплении геотермальными теплонасосами (рис.2), внешний блок вкапывается в землю либо погружается в озеро рядом со зданием. При этом, независимо от температуры воздуха во дворе, наружный блок остается вольным от льда, эффективность теплопередачи остается огромной.

рис 2. Принципиальная схема системы теплоснабжения котеджа с применением теплового насоса

Принцип отопления геотермальными тепловыми насосами основан на сборе тепла из земли либо воды, и передаче собранного тепла отоплению строения. Для сбора тепла незамерзающая жидкость течет по трубе, расположенной в почве либо водоеме, к тепловому насосу. Тепловой насос, сходственно холодильнику, отбирает около 8 °С у незамерзающей воды, при этом жидкость охлаждается. Жидкость опять течет по трубе, восстанавливает свою температуру и поступает к тепловому насосу. Отобранные тепловым насосом градусы передаются системе отопления и/или на обогрев горячей воды [3, 4].

Тепловая энергия есть у любого предмета с температурой выше минус 273 градуса Цельсия - так называемый "абсолютный ноль". То есть тепловой насос может отобрать тепло у земли, водоема, льда, подземной горы, плывуна и т.д.

Неоспоримые преимущества такого рода насосов обусловили их актуальность для разных регионов. Главными достоинствами оборудования считаются:

Максимальная стабильность характеристик (КПД, тепловая мощность), которые не зависят от воздействия внешней среды (погодных условий, времени года). Это обусловлено тем, что температура грунта в скважинах не меняется – она постоянна;

Высокие показатели, обеспечивающие высокую эффективность. На 1 кВт электрической энергии приходится 3-5 кВт мощности тепловой энергии;

Щадящее отношение к окружающей среде и ландшафту при монтаже оборудования;

Возможность компактного размещения. Скважины не требуют большой площади участка, нарушения целостности фасада и интерьера, у них не имеется наружных блоков;

Большой эксплуатационный срок, долговечность. Заводские грунтовые зонды имеют срок эксплуатации порядка 100 лет. Компрессор, основной узел теплового насоса, который легко меняется, проработает 30 лет;

Простота использования. Не требует повышенного внимания к себе;

Универсальность применения оборудования – насос позволяет, и охлаждать, и нагревать необходимую площадь;

Обеспечение максимального уровня комфорта в доме (низкотемпературное отопление – теплый пол), отсутствие шума;

Минимум колебаний влажности и температуры;

Освобождается территория, требующаяся для размещения узлов системы отопления;

Двойной зонд в виде буквы «U» обеспечивает дублирование зондов в скважине, увеличенный съем тепловой энергии, малое гидравлическое сопротивление. Зонд будет надежно защищен от повреждений после того, как скважину заливают термо раствором;

Экологическая чистота данных методов кондиционирования или обогрева. Нет выброса в атмосферу углекислого газа, вредных продуктов горения;

Абсолютная пожаро- и взрывобезопасность. Для эксплуатации не требуется специальное оборудование;

Использование небольшого количества электроэнергии, что дает низкие эксплуатационные затраты. К примеру, геотермальный тепловой насос (17 кВт) подходит для отопления жилого дома в 350 кв. м – потребление электричества составит до 5 кВт в час.

Максимальная автономность и независимость, нет необходимости в газопроводе. Не возникает зависимости от поставок и цен на жидкое топливо или газ – насос работает от электричества.

При использовании таких насосов не придется в срочном порядке освобождать лишнюю территорию для того чтобы поместить дымоход, котельную, специальное хранилище для топлива.

Сегодня в мире успешно работают десятки миллионов теплонасосных установок (ТНУ) различного функционального назначения. Продажа ТНУ уже в 2004 г. превысила сумму продаж вооружения в мире. В США эксплуатируется около 19 млн ТНУ, из них 60% в жилищно-коммунальном секторе. В Японии ежегодно продается до 500 тыс. ТНУ в год, в основном это реверсивные установки типа «воздух-воздух» мощностью от 2 до 16,5 кВт. Еще только развивающийся рынок Китая за двенадцать лет достиг объема 18 млн работающих тепловых насосов, обогнав Японию и страны Европы.

В Швеции - стране теплонасосных технологий, на сегодняшний день из коммунальных систем отопления и горячего водоснабжения практически полностью вытеснены теплогенераторы, сжигающие органическое топливо, и более 50% отопления жилищного фонда осуществляется с помощью ТНУ. К 2020 г. по прогнозам Международного энергетического агентства (IEA) до 75% отопительных установок в развитых станах мира будут работать на базе энергосберегающей теплонасосной технологии.

Если в развитых и развивающихся странах счет эксплуатируемых ТНУ ведется на сотни тысяч и миллионы, то, к сожалению, в Украине внедрены лишь единичные образцы. Трудно указать какое-либо другое направление развития новой и перспективной техники и технологии, которое находилось бы в столь разительном противоречии, как со своими потенциальными возможностями, так и в сравнении с количеством работающих установок в других странах мира.

Кроме объективных причин, не способствовавших внедрению энергосберегающих технологий в прошлом веке (развитие теплоэнергетики по пути теплофикации и централизованного теплоснабжения, низкая стоимость газа и казавшаяся безграничность его запасов, финансирование децентрализованного теплоснабжения по остаточному принципу и др.), не последнюю роль сыграли и сегодня продолжают играть субъективные причины. Прежде всего, это противодействие, оказываемое производителями и сторонниками традиционных теплогенераторов, а также настороженность пользователя к новым непривычным установкам, отбирающим энергию у среды, температура которой может быть даже отрицательной, и использующим эту энергию для нагрева теплоносителя до температуры 60-80 °С.

В итоге применение тепловых насосов в России увеличивается в последние годы. Для популяризации и развития теплоснабжения с использованием тепловых насосов обязательна необходима государственная поддержка.

Литература

Корягин М.В. О необходимости комплексной оценки энергроэффективности зданий/ М.В. Корягин// 15-й Международный научно-промышленный форум "Великие реки’2013". Труды конгресса. Т.3. - Н.Новгород, ННГАСУ, 2014. С. 30-32.

Корягин М.В. Необходимость инжинирингового подхода к энергосбережению на объектах недвижимости/ М.В. Корягин// 16-й Международный научно-промышленный форум "Великие реки’2014". Труды конгресса. Т.3. Н.Новгород, ННГАСУ, 2015. С. 88-91.

Корягин М.В. Использование тепловых насосов в системах теплоснабжения/ М.В. Корягин, Е.А. Середенина// Международный студенческий научный вестник. 2016. № 3-1. С. 143-145.

Корягин М.В. Особенности проектирования тепловых насосов при строительстве жилых зданий/ М.В. Корягин, Е.А. Середенина// 18-й Международный научно-промышленный форум "Великие реки’2016". Труды конгресса. Т.2. Н.Новгород, ННГАСУ, 2016. С. 169-171.

Код для цитирования: Скопировать