CC BY
641
УДК 573. 036
АКТУАЛЬНОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
© 2015
В. Н. Волков, бакалавр
Л. Н. Козина, старший преподаватель кафедры «Энергетические машины и системы управления» А. М. Дзюбан, доцент кафедры «Энергетические машины и системы управления»
С. А. Мырцымов, бакалавр П. П. Каськаев, бакалавр
Тольяттинский государственный университет, Тольятти (Россия)
Аннотация. В настоящее время тепловые насосы не приобрели должного распространения в нашей жизни. Решением этой проблемы является применение бивалентной схемы отопления, при которой основную (базовую) нагрузку несет тепловой насос, а пиковые нагрузки покрываются вспомогательным источником (газовый или электрокотел). В статье рассмотрены различные типы тепловых насосов, их достоинства и недостатки. Эффективность и выбор определённого источника тепловой энергии сильно зависят от климатических условий, особенно, если источником отбора тепла является атмосферный воздух. Рассмотрена возможность применения тепловых насосов комбинированно с существующими системами централизованного теплоснабжения. К потребителю в этом случае может подаваться относительно холодная вода, тепло которой преобразуется тепловым насосом в тепло с потенциалом, достаточным для отопления. Тепловые насосы и теплофикация являются взаимно исключающими и взаимно дополняющими энергосберегающими технологиями. Применять тепловые насосы непосредственно на ТЭЦ, ГРЭС, где имеются круглогодичные сбросы тепла в градирни. Однако, если на ТЭЦ имеются сбросы тепла в атмосферу или в водоем, то можно применять тепловой насос для сверх балансовой нагрузки, непосредственно забирая тепло из обратной сетевой воды у удаленного потребителя, по цене сбросного тепла. Это означает, что если на ТЭЦ имеется сбалансированная тепловая и электрическая нагрузка, то область применения тепловых насосов возможна только в те периоды, когда нет пиковых нагрузок. Тепловой насос лучше использовать с водяным теплым полом, а не с конвекторами, радиаторами или фанкойлами. Все дело в температуре подачи системы отопления. Для водяного теплового пола рабочая температура лежит в интервале 35-45 °С, а низкотемпературные радиаторы и фанкойлы требуют 50-55 °С. Поэтому КПЭ «Коэффициент преобразования энергии» получается около 4,0 и 2,5 соответственно. Широкое применение стали получать тепловые насосы в дачно-коттеджном строительстве.
Ключевые слова: источник тепла, компрессор, контур, тепловой насос, тепловая энергия, эффективность, хладагент.
В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива).
В зависимости от источника отбора тепла тепловые насосы подразделяются на:
1) геотермальные (используют тепло земли, наземных либо подземных грунтовых вод: а) замкнутого типа:
- горизонтальные. Коллектор размещается кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта (обычно от 1,2 м и более). Такой способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур (рисунок 1);
тепловой насос
- вертикальные. Коллектор размещается вертикально в скважины глубиной до 200 м. Этот способ применяется в случаях, когда площадь земельного участка не позволяет разместить контур горизонтально или существует угроза повреждения ландшафта (рисунок 2);
Рисунок 1 - Горизонтальный геотермальный
Рисунок 2 - Вертикальный геотермальный тепловой насос
- водные. Коллектор размещается извилисто либо кольцами в водоёме (озере, пруду, реке) ниже глубины промерзания. Это наиболее дешёвый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объёму воды в водоёме для конкретного региона (рисунок 3);
Рисунок 3 - Водный геотермальный тепловой насос
- с непосредственным теплообменом. В отличие от предыдущих типов, хладагент компрессором теплового насоса подаётся по медным трубкам, расположенным:
- вертикально в скважинах длиной 30 м и диаметром 80 мм;
- под углом в скважинах длиной 15 м и диаметром 80 мм;
- горизонтально в грунте ниже глубины промерзания.
Циркуляция хладагента компрессором теплового насоса и теплообмен фреона напрямую через стенку медной трубы с более высокими показателями теплопроводности обеспечивает высокую эффективность
и надёжность геотермальной отопительной системы. Также использование такой технологии позволяет уменьшить общую длину бурения скважин, уменьшая, таким образом, стоимость установки;
б) открытого типа. Подобная система использует в качестве теплообменной жидкости воду, циркулирующую непосредственно через систему геотермального теплового насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе возвращается в землю. Этот вариант возможно реализовать на практике лишь при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии, что такой способ использования грунтовых вод не запрещён законодательством;
2) воздушные (источником отбора тепла является воздух) (рисунок 4);
Рисунок 4 - Воздушный тепловой насос
3) использующие производное (вторичное) тепло (например, тепло трубопровода центрального отопления). Подобный вариант является наиболее целесообразным для промышленных объектов, где есть источники паразитного тепла, которое требует утилизации.
По виду теплоносителя во входном и выходном контурах насосы делят на восемь типов: «грунт - вода», «вода - вода», «воздух - вода», «грунт - воздух», «вода - воздух», «воздух - воздух» «фреон - вода», «фреон - воздух». Тепловые насосы могут использовать тепло выпускаемого из помещения воздуха, при этом подогревать приточный воздух - рекуператоры.
Отбор тепла от воздуха (рисунок 5). Эффективность и выбор определённого источника тепловой энергии сильно зависят от климатических условий, особенно, если источником отбора тепла является атмосферный воздух. По сути, этот тип более известен в виде кондиционера. В жарких странах таких устройств десятки миллионов. Для северных стран наиболее актуален обогрев зимой. Системы «воздух - воздух» и
«воздух - вода» используются и зимой при температурах до минус 25 градусов, некоторые модели продолжают работать до -40 градусов. Но их эффективность невысока, порядка 1.5 раза, а за отопительный сезон в среднем около 2.2 раза по сравнению с электрическими нагревателями. При сильных морозах используется дополнительное отопление. Когда мощности основной системы отопления тепловыми насосами недостаточно, включаются дополнительные источники теплоснабжения.
Рисунок 5 - Тепловой насос с отбором тепла от воздуха
Отбор тепла от горной породы. Скальная порода требует бурения скважины на достаточную глубину (100-200 метров) или нескольких таких скважин. В скважину опускается и-образный груз с двумя пластиковыми трубками, составляющими контур. Трубки заполняются антифризом. По экологическим соображениям это 30 % раствор этилового спирта. Скважина заполняется грунтовыми водами естественным путём, и вода проводит тепло от камня к теплоносителю. При недостаточной длине скважины или попытке получить от грунта сверхрасчётную мощность, эта вода и даже антифриз могут замерзнуть, что и ограничивает максимальную тепловую мощность таких систем. Именно температура возвращаемого антифриза и служит одним из показателей для схемы автоматики. Ориентировочно на 1 погонный метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой мощности. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной около 170 м. Нецелесообразно бурить глубже 200 метров, дешевле сделать несколько скважин меньшей глубины через 10-20 метров друг от друга. Даже для маленького дома в 110-120 кв.м при небольшом энергопотреблении срок окупаемости 10-15 лет. Почти все имеющиеся на рынке установки работают и летом, при этом тепло (по сути, солнечная энергия) отбирается из помещения и рассеивается в породе или грунтовых водах. В скандинавских странах со скальным грунтом гранит вы-
полняет роль массивного радиатора, получающего тепло летом/днём и рассеивающего его обратно зимой/ночью. Также тепло постоянно приходит из недр Земли и от грунтовых вод.
Отбор тепла от грунта. Самые эффективные, но и самые дорогие схемы предусматривают отбор тепла от грунта, чья температура не меняется в течение года уже на глубине нескольких метров, что делает установку практически независимой от погоды. По данным 2013 года, в Швеции полмиллиона установок, в Финляндии 50 000, в Норвегии устанавливалось в год 70 000. При использовании в качестве источника тепла энергии грунта трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на 30-50 см ниже уровня промерзания грунта в данном регионе. На практике 0,7-1,2 метра. Минимальное рекомендуемое производителями расстояние между трубами коллектора -1,5 метра, минимум - 1,2. Здесь не требуется бурение, но требуются более обширные земельные работы на большой площади, и трубопровод более подвержен риску повреждения. Эффективность такая же, как при отборе тепла из скважины. Специальной подготовки почвы не требуется. Но желательно использовать участок с влажным грунтом, если же он сухой, контур надо сделать длиннее. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода: в глине - 50-60 Вт, в песке - 30-40 Вт для умеренных широт, на севере значения меньше. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350-450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м2 (20х20 м). При правильном расчёте контур мало влияет на зелёные насаждения.
В скважинах диаметром 218-324 мм можно существенно снизить необходимую глубину скважины до 50-70 м, увеличить отбор тепловой энергии минимум до 700 Вт на 1 пог. м. скважины и обеспечить стабильность круглогодичной эксплуатации позволяет применение активного контура первичного преобразователя теплового насоса, размещённого в стволе водозаборной скважины (применяется в скважинах, имеющих погружной насос, с устройством беструбного водоподъёма, который создаёт проточность жидкости в стволе скважины, продувая током перекачиваемой жидкости теплообменный контур с хладагентом первичного преобразователя теплового насоса, увеличивая отбор тепла не только от прилегающего массива грунта, но и от перекачиваемой жидкости).
Отбор тепла от водоёма. При использовании в качестве источника тепла близлежащего водоёма контур укладывается на дно. Глубина не менее 2 метров. Коэффициент преобразования энергии тепловым насосом такой же, как при отборе тепла от грунта.
Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м трубопровода - 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длиной 300 м. Чтобы трубопровод не всплывал, на 1 пог. м устанавливается около 5 кг груза. Промышленные образцы: 70-80 кВтч/м в год.
Если тепла из внешнего контура всё же недостаточно для отопления в сильные морозы, практикуется эксплуатация насоса в паре с дополнительным генератором тепла (в таких случаях говорят об использовании бивалентной схемы отопления). Когда уличная температура опускается ниже расчётного уровня (температуры бивалентности), в работу включается второй генератор тепла - чаще всего небольшой электронагреватель.
Преимущества [1]:
1. Экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВтч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с КПД до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается -тригенерация. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования [1].
2. Возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы или системы «холодный потолок».
3. Тепловой насос надёжен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют особых навыков и описаны в инструкции.
4. Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.
5. Сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.
Недостатки геотермальных тепловых насосов, используемых для отопления:
1. Большая стоимость установленного оборудования, необходимость сложного и дорогого монтажа внешних подземных или подводных теплообменных контуров.
2. Недостатком воздушных тепловых насосов является более низкий коэффициент преобразования тепла, связанный с низкой температурой кипения хладагента во внешнем «воздушном» испарителе.
3. Сравнительно низкая температура нагреваемо й воды, в большинстве не более +50 °С ^ +60 °С, причём, чем выше температура нагреваемой воды, тем меньше эффективность и надёжность теплового насоса. Ограничения применимости тепловых насосов. Оптимальная мощность теплонасосной установки составляет 60-70 % от необходимой установленной мощности, что также влияет на закупочную стоимость установки отопления тепловым насосом. В этом случае тепловой насос обеспечивает не менее 95 % потребности потребителя в тепловой энергии за весь отопительный сезон. При такой схеме среднесезонный коэффициент преобразования энергии для климатических условий Центральной Европы равен порядка СОР=3 (рисунок 6). Коэффициент использования первичного топлива для такой системы легко определить, исходя из того, что КПД тепловых электростанций составляет от 40 % (тепловые электростанции конденсационного типа) до 55 % (парогазовые электростанции). Соответственно, для рассматриваемой теплонасосной установки коэффициент использования первичного топлива лежит в пределах 120-165 %, что в 2-3 раза выше, чем соответствующие эксплуатационные характеристики газовых котлов (65 %) или систем центрального отопления (50-60 %). Понятно, что системы, использующие геотермальный источник теплоты или теплоту грунтовых вод, свободны от этого недостатка.
I
+7
+1 -1
-20
Рисунок 6 - График зависимости коэффициента трансформации от температуры источника
Выводы:
1. Для установки теплового насоса необходимы первоначальные затраты: стоимость насоса и монтажа системы составляет $ 300-1 200 на 1 кВт необходимой мощности отопления. Время окупаемости теплонасо-сов составляет 4-9 лет, при сроке службы по 15-20 лет до капитального ремонта.
Существует и альтернативный взгляд на экономическую целесообразность установки теплонасосов. Так, если установка теплонасоса производится на средства, взятые в кредит, экономия от использования теплонасоса может быть меньше, чем стоимость использования кредита. Поэтому массовое использования теплонасосов в частном секторе можно ожидать, если стоимость теплонасосного оборудования будет сопоставима с затратами на установку газового отопления и подключения к газовой сети [3].
Ещё более многообещающей является система, комбинирующая в единую систему теплоснабжения геотермальный источник и тепловой насос. При этом геотермальный источник может быть как естественного (выход геотермальных вод), так и искусственного происхождения (скважина с закачкой холодной воды в глубокий слой и выходом на поверхность нагретой воды).
2. Применение теплового насоса в комбинирование с существующими системами централизованного теплоснабжения. К потребителю в этом случае может подаваться относительно холодная вода, тепло которой преобразуется тепловым насосом в тепло с потенциалом, достаточным для отопления. Но при этом вследствие меньшей температуры теплоносителя потери на пути к потребителю (пропорциональные разности температуры теплоносителя и окружающей среды) могут быть значительно уменьшены. Также будет уменьшен износ труб центрального отопления, поскольку холодная вода обладает меньшей коррозионной активностью, чем горячая [2].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Давыдчев Р. А., Марков Ю. В., Козина Л. Н. В сб. Градостроительство, реконструкция и инженерное обеспечение устойчивого развития городов Поволжья, г. Тольятти, ТГУ, 2012 С. 191
2. Википедия [Электронный ресурс]. Электрон. ст. Режим доступа к ст. http://ru.wikipedia.org/wiki.
3. Филенков В. М., Козина Л. Н. Бухонов Д. О. О перспективах использования тепловых насосов в регионах России. Вестник НГИЭИ. 2014. № 12 (43). С. 94-97.
TOPICAL APPLICATION OF HEAT PUMP FOR HEATING OF BUILDINGS AND STRUCTURES
© 2015
V. Volkov, bachelor
L. N. Kozina, assistant professor of the chair «Energy machines and control systems» A. M. Dzyuban, associate professor of the chair «Energy machines and control systems»
S. A. Myrtsymov, bachelor P. P. Kaskaev, bachelor Togliatti State University, Togliatti (Russia)
Annotation. Currently, heat pumps have not acquired proper distribution in our lives. The solution to this problem is to use a bivalent heating circuit in which the primary (basic) load is carried by the heat pump, and peak loads are covered by an auxiliary source (gas or electric boiler). The article describes the different types of heat pumps, their advantages and disadvantages. And selecting a particular effectiveness thermal energy source highly dependent on climatic conditions, especially if the source is a heat extraction air. The possibility of using heat pumps in combination with the existing district heating systems. To the consumer in this case can be referenced to the cold water, which is converted to heat in a heat pump with heat capacity sufficient to heat. Heat pumps and district heating are mutually exclusive and complementary energy-saving technologies. Apply heat pumps directly to the CHP power station where there are year-round discharges heat in the cooling tower. However, if there are faults in the CHP heat in the atmosphere or in a body of water, the heat pump can be used for carrying loads in excess of directly taking heat from the return water from the remote user, the price of waste heat. This means that if there is a balanced CHP thermal and electrical load, the area of application of heat pumps is possible only during those periods when there is peak load. The heat pump is better to use water heated floors, and not with convector heaters, radiators or fan coil units. All business in the supply temperature of the heating system. To water heat floor operating temperature is in the range of 35-45 °C and low temperature radiators and fan coil units require 50-55 ° C. Therefore KPI «energy conversion efficiency» would be about 4.0 and 2.5, respectively. The widespread use of heat pumps began to receive a villa-cottage construction.
Keywords: heat pump, thermal energy, circuit, a heat source, the efficiency of the refrigerant compressor.
