|
Тепловые насосы
Тепловые насосы —
эффективный путь энергосбережения
Попель О.С., к.т.н.
В настоящее время отопление и
горячее водоснабжение городских объектов осуществляется, как
правило, от централизованных систем теплоснабжения. Источником
тепловой энергии в таких системах являются городские ТЭЦ, на
которых осуществляется комбинированная выработка электроэнергии
и тепла, или районные котельные. Преимущества централизованного
теплоснабжения широко признаны. С термодинамической точки зрения
комбинированное производство электроэнергии и тепла на ТЭЦ
является гораздо более эффективным, чем раздельное производство
электроэнергии на конденсационных тепловых электростанциях и
тепла котельными. Россия является признанным лидером по
масштабам использования централизованных систем электро- и
теплоснабжения. Во многих странах (Дания, Германия и др.)
строительство ТЭЦ по примеру России рассматривается как
эффективное средство энергосбережения и уменьшения
отрицательного воздействия энергетических объектов на окружающую
среду.
Вместе с тем применение централизованных систем теплоснабжения
имеет свои недостатки и ограничения. Строительство протяженных
теплотрасс к удаленным объектам, а также к объектам в районах с
малой плотностью застройки, сопряжено со значительными
капитальными вложениями и большими тепловыми потерями на трассе.
Их эксплуатация впоследствии также требует больших затрат.
Серьезные проблемы возникают и при реконструкции существующих
объектов и строительстве новых в обжитых городских районах с
плотной застройкой. В этих случаях увеличение тепловых нагрузок
создает для застройщика часто непреодолимые трудности, в том
числе финансовые, при получении и реализации технических условий
на подключение к районной тепловой сети.
Действующие в настоящее время тарифы на тепловую энергию в
сочетании с затратами на подключение к городским тепловым сетям
заставляют все чаще задумываться над альтернативными способами
теплоснабжения.
Теплонасосные системы теплоснабжения представляются одним из
наиболее эффективных альтернативных средств решения проблемы. С
термодинамической точки зрения схемы теплоснабжения на базе
тепловых насосов в большинстве случаев являются даже более
эффективными, чем от ТЭЦ. Тепловые насосы нашли широкое
применение для теплоснабжения жилых и административных зданий в
США, Швеции, Канаде и других странах со сходными России
климатическими условиями. Расширяется опыт применения тепловых
насосов и в нашей стране.
 Принципиальная
схема компрессионного теплового насоса изображена на рис. 1.
Суть его работы состоит в следующем. В испарителе теплового
насоса тепло невысокого температурного потенциала отбирается от
некоего источника низкопотенциального тепла и передается
низкокипящему рабочему телу теплового насоса. Полученный пар
сжимается компрессором. При этом температура пара повышается и
тепло на нужном температурном уровне в конденсаторе передается в
систему отопления и горячего водоснабжения.
Для того, чтобы замкнуть цикл, совершаемый рабочим телом, после
конденсатора оно дросселируется до начального давления,
охлаждаясь до температуры ниже источника низкопотенциального
тепла, и снова подается в испаритель. Таким образом тепловой
насос осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого
температурного уровня на более высокий, необходимый потребителю.
При этом на привод компрессора затрачивается механическая
(электрическая) энергия. При наличии источника
низкопотенциального тепла с более или менее высокой температурой
количество тепла, поставляемого потребителю, в несколько раз
превышает затраты энергии на привод компрессора. Отношение
полезного тепла к работе, затрачиваемой на привод компрессора,
называют коэффициентом преобразования теплового насоса, и в
наиболее распространенных теплонасосных системах он достигает 3
и более. Типичные зависимости идеального и реального
коэффициентов преобразования теплового насоса от температуры
конденсатора и испарителя приведены на рис. 2. Видно, что,
например, при температуре испарителя на уровне ° С и температуре
конденсатора на уровне 60° С коэффициент преобразования реальной
установки достигает 3. С увеличением температуры источника
низкопотенциального тепла и/или с уменьшением температуры,
необходимой потребителю, коэффициент преобразования возрастает и
может достигать 4, 5 и больших значений.
 Очевидно, что применение тепловых насосов особенно эффективно в
случае использования воздушных систем и/или напольных систем
водяного отопления, для которых температура конденсатора не
превышает 35-40° С. Все более широкое применение в последнее
время находят системы отопления с применением современных
теплообменников типа фанкойлов, характеризующихся высокими
коэффициентами теплопередачи и соответственно допускающих
использование теплоносителя с пониженными температурами.
Ключевым вопросом, от которого в значительной степени зависит
эффективность применения тепловых насосов, является вопрос об
источнике низкопотенциального тепла. Где найти этот источник?
Таким источником мог бы быть атмосферный воздух. Однако в зимнее
время, когда тепловая нагрузка возрастает, его температура в
наших природно-климатических условиях становится слишком низкой,
чтобы обеспечить эффективную работу теплового насоса. Идеальный
вариант для тепловых насосов — наличие вблизи от потребителя
источника сбросного тепла промышленного или коммунального
предприятия. В наших условиях хозяйствования такие случаи
нередки. Тем не менее эти случаи следует рассматривать как
частные.
В качестве довольного универсального источника
низкопотенциального тепла можно использовать теплоту грунта.
Известно, что на глубине 4-5 м и более температура грунта в
течение года практически постоянна и соответствует среднегодовой
температуре атмосферного воздуха. В климатических условиях
средней полосы России эта температура составляет +5–8° С., что
весьма неплохо для использования в тепловых насосах. Большой
опыт практического применения тепловых насосов с грунтовыми
теплообменниками, накоплен в США и Канаде. Значительные успехи в
освоении этой технологии достигнуты компанией “Инсолар-инвест” в
России.
В настоящее время с использованием этой технологии создан ряд
систем теплоснабжения коттеджей. В 1998 году пущена в
эксплуатацию система теплоснабжения средней школы в деревне
Филиппово Ярославской области, ведется строительство крупной
(более 1,5 МВт) системы теплоснабжения первого в Москве и в
России аквапарка. Система теплонасосного горячего водоснабжения
заложена в проект экспериментального энергоэффективного
многоэтажного жилого дома в микрорайоне Никулино-2 г. Москвы,
разработка которого ведется в рамках Долгосрочной
научно-технической программы “Энергосбережение в городе Москве”,
реализуемой Миннауки России совместно с московским
правительством. Сооружается ряд объектов с тепловыми насосами в
московском городском парке “Фили”, где помимо традиционных
технико-экономических проблем подключения к городским тепловым
сетям, возникают серьезные проблемы охраны окружающей среды
(прокладка теплотрасс в парковой зоне) и др.
Поверхностные слои грунта (до 50-60 м), как отмечалось выше,
являются достаточно универсальным и повсеместно доступным
источником низко потенциального тепла. Скважины-теплообменники
могут сооружаться под фундаментом здания или в непосредственной
близости от него. При этом такие системы не требуют заметного
отчуждения земли.
Тепловые режимы работы грунтовых теплообменников могут быть
существенно улучшены при использовании, наряду с теплом грунта,
утилизируемого тепла вентвыбросов, тепла жидких стоков, а в ряде
случаев и солнечной энергии.
В конструкциях новых зданий выполнение требований по повышению
теплоизоляции ограждающих конструкций (стены, окна) приводит к
тому, что основным источником тепловых потерь, как правило,
оказываются теперь вентиляционные выбросы, причем повышение
герметичности зданий в связи с применением стеклопакетов,
требует внедрения новых технических решений по организации
контролируемого воздухообмена в помещениях. А это значит, что
все более широкое применение будут находить системы
приточно-вытяжной вентиляции, и следовательно, будут созданы
технические возможности для организации утилизации тепловых
выбросов. По сравнению с широко известными воздушными
теплообменниками утилизаторами теплонасосные установки позволяют
обеспечить более глубокую и, что особенно важно, круглогодичную
утилизацию тепла выходящего из здания воздуха, т.к. утилизация
тепла в этом случае осуществляется теплоносителем с более низкой
температурой.
Утилизируемое тепло вентвыбросов, жидких стоков и тепло,
получаемое в простейших солнечных коллекторах, целесообразно
направлять в грунт для восполнения теплоты, интенсивно
“выкачиваемой” из грунта в зимнее время, тем самым
восстанавливая или даже повышая его температурный потенциал.
Такая схема реализуется в настоящее время на одном из опытных
объектов парка Фили.
Накопленный многолетний опыт проектирования, создания и
практической эксплуатации теплонасосных систем теплоснабжения,
технико-экономические и проектно-конструкторские обоснования их
внедрения в реальные малые и крупные объекты строительства,
расположенные как в условиях плотной городской застройки, так и
в сельской местности, свидетельствуют о широких возможностях
эффективного применения теплонасосных систем и обеспечения с их
помощью заметного экономического, энергосберегающего и
экологического эффектов. Дополнительный потенциал повышения
эффективности использования тепловых насосов кроется также в
возможности их внедрения не только для целей отопления и
горячего водоснабжения, но и для кондиционирования воздуха,
включая контроль и управление влажностью воздуха в помещениях и
в ряде технологических процессов.
Источник информации —
www.aces.ru
|
