X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Теплоснабжению объектов в климатических условиях Российской Федерации, характерны высокие затраты на энергоресурсы. При использовании традиционных методов теплоснабжения в течение длительных отопительных периодов, затраты на потребляемые энергоресурсы почти двукратно превосходит затраты на электроснабжение зданий. Высокие затраты на транспортную тарификацию, и экологические факторы, сопутствующие использованию привычных систем теплоснабжения, приводят к экономической ситуации, в которой необходимо рассматривать альтернативные варианты. На данный момент повышение энергоэффективности, а также снижении расходов на теплоснабжение жилья согласно ФЗ №261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» имеет приоритетное значение для экономики. С каждым днём цены на традиционные источники энергии увеличиваются, количество ресурсов сокращается, поэтому общество начинает более детально рассматривать использование иных возобновляемых источников теплоснабжения зданий.

Необходимость экологически чистых, доступных, простых в эксплуатации источников тепла заставляет сферу энергетики развиваться в сравнительно новом направлении обеспечения потребителей. Альтернативное теплоснабжение представляет собой комплекс решений этого вопроса. В данный момент существует множество возобновляемых источников получения тепла для обогрева зданий, однако большинство из них обладает низким коэффициентом полезного действия или имею низкую окупаемость.

Для своего проекта я решил использовать наиболее перспективные альтернативные теплоснабжения – тепловой насос и солнечный коллектор. Именно эти системы преимущественно подходят для условий нашего региона, а также являются приемлемыми по экономическим показателям.

Принцип действия Теплового насоса

Тепловой насос – это тепловая машина с прямым (энергетическим) или обратным (холодильным) циклом теплопередачи. Для его функционирования необходимо обеспечение электроэнергией.

Принципиальная схема работы наиболее распространенной парокомпрессионной ТНУ состоит из четырех основных пунктов:

1. Во внешнем теплообменнике (испарителе) тепловая энергия из окружающей среды за пределами здания или из другого доступного источника тепла передается рабочему телу ТНУ - хладагенту (как правило, фреону), циркулирующему по внутреннему контуру.

2. Фреон нагревается, испаряется и направляется в сторону компрессора. Компрессор сжимает фреон, при этом температура фреона возрастает.

3. Далее сжатый фреон проходит через внутренний теплообменник (конденсатор), где конденсируется и отдает тепло в систему потребителя (прямой нагрев воздуха или теплоносителя системы отопления или технологического объекта, или приготовление горячей воды для потребителей).

4. Далее фреон проходит через дросселирующий клапан, понижающий давление, что сопровождается снижением температуры. Цикл повторяется.

Принцип работы Солнечного коллектора

Солнечный коллектор – это устройство для сбора тепловой энергии от видимого солнечного света и его инфракрасного излучения. Солнечные коллекторы бывают нескольких видов. Самые распространённые вакуумные коллекторы, т.к. могут применяться в широтах с холодным климатом.

Вакуумный коллектор состоит из нескольких вакуумных труб расположенных параллельно, покрытых специальным селективным слоем, который помогает лучше абсорбировать солнечную энергию и препятствует потерям тепла.

Схема работы вакуумного солнечного коллектора:

Солнечный свет проникает внутрь вакуумной трубки и нагревает расположенную в ней медную термотрубу с небольшим количеством легкокипящей жидкости. Под воздействием тепла жидкость испаряется и забирает тепло вакуумной трубки. Пары поднимаются в верхнюю часть – наконечник, где конденсируются и передают тепло теплоносителю основного контура водопотребления или незамерзающей жидкости отопительного контура. Конденсат стекает вниз, и все повторяется снова.

Преимущества и недостатки Теплового насоса

Одними из главных достоинств тепловых насосов это:

Высокая экономическая эффективность за счет использования свободной низкопотенциальной тепловой энергии в целях обогрева помещений.

Все виды тепловых насосов экологичны, т.к. при работе ТН не выбрасываются вредные вещества, которые могли бы загрязнить окружающую среду.

Универсальность - одна из главных отличительных черт ТН по сравнению с другими альтернативными источниками теплоснабжения. Тепловой насос может работать, забирая энергию от воздуха, воды, грунта. Если требуется установить насос в месте, где отсутствует электричество, есть возможность подключить его через топливный генератор.

Безопасность. При своей работе установка не использует открытого огня, топливо, не выделяет едкие вещества, опасные для человека или животных. Работающий тепловой насос не нагревается выше 90 °С и как следствие не может быть источником пожара, к тому же в нём отсутствуют воспламеняющиеся части.

Возможность использования обратного цикла. Уникальная функция теплового насоса - использование обратного цикла с целью не обогрева, а охлаждения помещения. Тем самым, в жаркое время года, тепловой насос можно превратить в своеобразный кондиционер, который будет отдавать лишнее тепло из здания в окружающую среду.

Однако, как и любое устройство, тепловые насосы имеют не только преимущества, но и недостатки:

Малая эффективность при суровом климате в случае использования воздуха как источника теплоты. Такой тепловой насос напрямую связан с климатом, поэтому наиболее эффективное его использование возможно только в странах с “мягкими зимами”. В странах северных регионов лучше использовать ТН в связке с “классическим” котлом, что существенно повышает стоимость установки.

Высокая начальная стоимость оборудования и его установка. По разным данным средняя окупаемость теплового насоса 5-6 лет, только по истечению этого срока потребитель заметить реальную экономию.

Преимущества и недостатки Вакуумного Солнечного коллектора

Преимущества вакуумных солнечных коллекторов:

Низкие теплопотери за счет универсального теплоизолятора – вакуума. Даже при суровых погодных условиях КПД установки остается на высоком уровне.

Возможность работать при любых условиях (исключая ночь). Солнечный коллектор не утрачивает свою работоспособность даже при пасмурной погоде, т.к. инфракрасное излучение свободно проходит сквозь атмосферу. Так же коллектору не мешает и отрицательная температура, даже в -30°С вакуумный солнечный коллектор продолжает работать с максимальной эффективностью.

Все виды солнечных коллекторов экологически чистые, не загрязняют окружающую среду вредными веществами, из-за отсутствия элементов горения.

Длительный период работы в течение суток. Благодаря универсальному строению, солнечные лучи попадают на поверхность коллектора под прямым углом, сводя отражения к минимуму, позволяя эффективно работать от рассвета до заката.

Недостатки солнечных коллекторов схожи с недостатками тепловых насосов.

Главный минус – это невозможность работы солнечного коллектора в ночное время, что вынуждает использовать связку коллектора с обычным котлом. Возможное решение – использование теплоаккумуляторов.

Относительно высокая первоначальная стоимость оборудования и установки. Экономическая выгода от такого вида энергообеспечения станет видна через 6-8 лет, что определяет среднесрочный проект энергоэффективности.

Ещё один существенный минус - сложность при размещении коллектора на крыше здания. Существуют варианты установки солнечных модулей непосредственно в фасады и кровлю зданий, что облегчает работу архитекторам, проектирующим скатные крыши без возможности крепления солнечного коллектора на ней.

Сравнение Теплового насоса и Солнечного коллектора

	Тепловой насос	Вакуумный солнечный коллектор
Отсутствие взрывоопасных элементов	Да	Да
Отсутствие загрязняющих выбросов	Да	Да
Эффективен при любых погодных условиях	Да	Нет
Доступная экономическая окупаемость	Да	Да
Работает при суровых зимах	Невозможен отбор теплоты из воздуха	Да
Срок службы не менее 20 лет	Да	Да
Независимость от конфигурации здания	Да	Нет

Вывод

Тепловая насосная установка подойдет для мест с более мягким климатом (при отборе энергии из воздуха) и в местах с небольшим количеством солнечных дней, где доступного солнечного излучения будет крайне мало для обогрева дома. Также ТНУ станет достойным источником теплоты для зданий, находящихся в суровой климатической зоне, при условии, что потребление будет происходить через грунт. Тепловой насос очень надежная обогревательная установка, которая сможет прослужить долгое время и будет снабжать потребителя экологически чистой, свободной тепловой энергией.

В свою очередь солнечный коллектор - это устройство, которое подойдет, если в регионе преобладает холодный климат или же превалирует скальный грунт, не подходящий для установки ТНУ. Особенно высокая эффективность солнечного коллектора будет отмечена, в солнечных регионах. При использовании солнечного коллектора как основного источника теплоты для обеспечения работы системы отопления, необходимо предусматривать резервный источник на случай продолжительной облачной погоды в регионе.

Источники информации

Коллекция энергоэффективных советов. Гипрокоммунэнерго.

Дубровина Наталья. Жилье будущего? Нет, уже настоящего! (рус.). Журнал «Технология дела». ООО «Полиграфия» (январь 2013)

Тепловые насосы в современной промышленности и коммунальной инфраструктуре. Информационно – методическое издание. — М.: Издательство «Перо», 2016.

СВОД ПРАВИЛ СП 131.13330.2012 СТРОИТЕЛЬНАЯ КЛИМАТОЛОГИЯ Актуализированная редакция СНиП 23-01-99

РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА Двадцать третья Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов Тезисы докладов В 3 томах. Том 3

VII Всероссийский фестиваль науки Сборник докладов Том 2

Форум инженерных строительных систем TRUBA. http://forum.truba.ua/index.php?topic=2983.0

Код для цитирования: Скопировать