Система отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения на базе возобновляемых источников энергии для Южного федерального округа Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 620.97/697

СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО ОКРУГА

© 2012 г. Н.Н. Ефимов, В.И. Паршуков, В.В. Папин, И.В. Янченко, А.В. Машков, Р.В. Безуглов, А.В. Бундиков

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Описывается принцип работы системы, состоящей из теплового насоса, солнечного коллектора, фанкойлов и системы тепловых полов. Также подробно описана необходимость использования технологического оборудования, работающего на возобновляемых источниках энергии. Приведены принципиальные схемы всего комплекса и отдельно его элементов. Показаны преимущества данной системы перед традиционной в аспекте экономии, экологичности и возобновляемости.

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии; теплофикация; децентрализованное энергоснабжение; турбина малой мощности; нетрадиционная энергетика; тепловой насос.

In article the principle of work of the system consisting of the thermal pump, a solar collector, fancoils and systems of heat-insulated floors is described. Also necessity of use of the process equipment working on renewed energy sources is in detail described. In article circuit diagrammes of all complex and separately its elements are resulted. Advantages of the given system before traditional economy in aspect, ecological compatibility and renewability are painted.

Keywords: renewed energy sources; the central heating; the decentralized power supply; the turbine of low power; non-conventional power; the thermal pump.

Существующая ситуация с теплоснабжением в городах и населенных пунктах Южного федерального округа, повсеместная изношенность теплофикационного оборудования и тепловых сетей [1], постоянный рост цен на все виды энергоносителей и, как следствие, устойчивая тенденция повышения тарифов на тепловую энергию диктуют необходимость радикального изменения энергоснабжения населения и масштабного применения энергосберегающих технологий.

Значительного улучшения сложившегося положения с обеспечением населения тепловой энергией и определенной стабилизации роста тарифов можно ожидать при широком внедрении систем, работающих на возобновляемых источниках энергии, таких как тепловые насосы, солнечные коллектора и др. Это обусловлено тем, что, в данном случае, затраты на генерацию тепловой энергии с помощью тепловых насосов снижаются в сравнении с традиционными энергоустановками на природном газе в 1,1; угле - 5; мазуте - 7 раз соответственно [2].

Наиболее эффективным внедрение таких экономичных и экологичных энергетических систем, как тепловые насосы, может быть только в рамках региональных и муниципальных программ по строительству жилья и модернизации объектов коммунальной инфраструктуры.

В настоящее время в Ростовской области и в Южном федеральном округе реализованы несколько проектов комплексных систем, работающих на нетрадиционных и возобновляемых источниках энергии.

На кафедре ТЭС ЮРГТУ (НПИ) была разработана нетрадиционная схема использования теплонасосной установки, представленная на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная тепловая схема теплонасосной установки: 1 - трехходовые клапана (ТК1 и ТК2); 2 - фан-койл; 3 - обратный клапан; 4 - тепловой насос; 5 - потребитель горячей воды; 6 - циркуляционные насосы (Н1 и Н2);

7 - грунтовый теплообменник Такая схема может работать в следующих режимах: отопления и горячего водоснабжения; пассивного кондиционирования и горячего водоснабжения.

Переключение с одного режима работы на другой осуществляется путем переключения потоков трехходовыми клапанами ТК1 и ТК2 с помощью сервоприводов. Управляющий сигнал на сервоприводы поступает от комнатного термостата, расположенного в помещении теплового пункта.

В режиме отопления и горячего водоснабжения трехходовые клапаны ТК1 и ТК2 по сигналу термостата переключаются, образуя схему, представленную на рис. 2 а. В этом случае тепловой насос работает в номинальном режиме, обеспечивая и отопление, и горячее водоснабжение потребителя.

ТК2

ТК2

W

W

б

Рис. 2. Принципиальная тепловая схема теплонасосной установки, работающей в режиме отопления и горячего водоснабжения (а) и пассивного кондиционирования и горячего водоснабжения (б)

В режиме пассивного кондиционирования и горячего водоснабжения по сигналу термостата, трехходовые клапаны ТК1 и ТК2 отключают тепловой насос от отопления (рис. 2 б) и подключают грунтовый теплообменник напрямую к фанкойлам, обеспечивающим охлаждение воздуха в помещении. Горячее водоснабжение по-прежнему осуществляется тепловым насосом, который в этом случае работает на сниженной нагрузке.

Важно, чтобы напор, создаваемый циркуляционным насосом Н1 был выше напора, создаваемого циркуляционным насосом Н2, в противном случае обратный клапан ОК может не закрыться и будет происходить подмешивание горячего теплоносителя в первичный контур.

Преимуществом представленной комбинированной схемы подключения теплового насоса и грунтового теплообменника можно считать следующее:

- отсутствие дополнительного теплообменника для пассивного кондиционирования, что ведет к удешевлению схемы;

- малое количество переключающей арматуры по сравнению с традиционными аналогами, что также ведет к удешевлению системы;

- простое управление при регулировании тепла и холода от комнатного термостата;

- возможность интеграции в общую систему управления объектом.

Подобные схемы была применены в теплонасос-ных установках у различных потребителей и дали положительный результат: демонстрационный центр ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск); «Умный дом», реализованный в пилотном проекте, построенном при финансировании Фондом содействия реформирования ЖКХ РФ (пос. Усть-Донецкий, Ростовской обл.), и на некоторых других объектах.

В поселке Усть-Донецком была разработана и смонтирована система отопления, кондиционирования и горячего водоснабжения для двухквартирного дома на базе теплового насоса, работающего от грунтового теплообменника, и солнечного коллектора. На рис. 3

представлено оборудование энергоснабжения этого дома.

Рис. 3. Тепловой пункт энергоснабжения «умного дома»

На фотографии (рис. 3) видны тепловой насос, бойлер (на переднем плане) и коллекторы грунтового теплообменника, расположенного за тепловым насосом. Данная конструкция позволяет поддерживать заданную температуру в помещении, осуществляя отопление, если температура в помещении ниже заданной и пассивное кондиционирование, если температура в помещении выше заданной. На рис. 4 показана технологическая схема такого комплексного энергоснабжения.

Тепловой пункт такого «умного дома» состоит из следующего комплекта оборудования:

- компрессионного теплового насоса 8, предназначенного для отопления и горячего водоснабжения;

- четырех геотермальных грунтовых зондов (теплообменников) 11, выполняющих отбор низкопотенциальной теплоты грунта для работы теплового насоса;

- бойлера 1, в котором подогревается вода для горячего водоснабжения;

- буферной емкости 13, используемой для гидравлического разделения контура теплового насоса и системы отопления и горячего водоснабжения.

- солнечной водонагревательной установки 3, осуществляющей горячее водоснабжение в светлое время суток;

а

V /

Ик / -6

Рис. 5. Схема теплового пункта умного дома: 1 - бойлер; 2 - сбросной клапан бойлера; 3 - линии к солнечному нагревателю; 4 - манометры солнечной водонагревательной установки, вторичного и первичного контуров (слева -направо); 5 - заправочный кран солнечной водонагревательной установки и первичного контура; 6 - автоматический сброс воздуха вторичного контура, буферной емкости и первичного контура; 7 - подпиточный кран солнечной водонагревательной установки, вторичного и первичного контуров; 8 - тепловой насос; 9 - трехходовой клапан первичного контура ТК2; 10 - линии к фанкойлам; 11 - входы и выходы грунтовых зондов; 12 - расширительные емкости первичного и вторичного контуров и солнечной водонагревательной установки; 13 - буферная емкость; 14 - отводы на отопление; 15 - кран подпитки холодной воды; 16 - циркуляционные насосы бойлера и солнечной

водонагревательной установки

- фанкойлов 10 для пассивного кондиционирования, осуществляющих охлаждение воздуха в помещении;

- стандартных отопительных приборов (теплых полов) и сопутствующих коммуникаций, а также трехходовых клапанов ТК1 (14) и ТК2 (9) с сервоприводами, осуществляющих переключение режимов работы.

Вакуумный солнечный коллектор такой комплексной схемы энергоснабжения позволяет преобразовывать прямые и рассеянные солнечные лучи в тепло, которое аккумулируется в бойлере и используется для горячего водоснабжения. Тепловой насос для осуществления отопления и приготовления горячей воды в приведенной системе также использует солнечное тепло, аккумулируемое в грунте.

Технологическая схема состоит из пяти контуров:

- первичный (грунтовый) контур, в него входят, связанные между собой, теплообменник-испаритель теплового насоса, расположенный в корпусе теплового насоса, геотермальные зонды, циркуляционный насос первичного контура (также расположенного в корпусе теплового насоса) и фанкойлы, которые работают, если система находится в режиме пассивного кондиционирования;

- вторичный контур, который объединяет теплообменник-конденсатор теплового насоса, циркуляционный насос вторичного контура, расположенные в корпусе теплового насоса и буферную емкость теплового насоса;

- отопительный контур, куда входят буферная емкость теплового насоса и отопительные приборы (в нашем случае это теплые полы);

- солнечный контур - солнечный вакуумный коллектор, циркуляционный насос солнечного коллектора и поверхность теплообмена (змеевик) бойлера горячего водоснабжения;

- фреоновый контур теплового насоса, состоящий из спирального компрессора, двух теплообменников (испаритель и конденсатор) и расширительного клапана.

Пассивное кондиционирование осуществляется для снижения температуры в помещении с использованием холода грунта, температура которого для Ростовской области 8 - 12 оС. При проведении пассивного кондиционирования теплоноситель циркулирует между грунтовыми зондами и фанкойлом, передавая холод из грунта в помещение, тепловой насос при этом выключен (если в этот момент не включено горячее водоснабжение); работает только циркуляционный насос первичного контура. Это обусловливает высокую экономичность такой схемы кондиционирования. Электропотребление в 9 - 10 раз ниже, чем у традиционных сплит-систем, при той же охлаждающей мощности. В представленной системе теплоноситель циркулирует через испаритель теплового насоса и в тот момент, когда тепловой насос включается с целью подогрева бойлера для горячего водоснабжения, идет дополнительное охлаждение теплоносителя испарителем в системе пассивного кондиционирования.

5

При работе на отопление в теплообменнике-испарителе теплового насоса тепло передается низко-кипящему внутреннему теплоносителю (фреоновый рассол), который закипает, забирая тепло от низкопотенциального источника. Пары рассола поступают в компрессор, где повышается давление и растет температура. В теплообменнике-конденсаторе теплового насоса фреоновый рассол отдает теплоту, переходя в жидкую фазу (конденсируется). Отбор теплоты осуществляется при температуре порядка 55 - 60 оС. Затем рассол проходит через расширительный клапан, давление падает, и он снова поступает в теплообменник-испаритель. Далее цикл повторяется.

Горячее водоснабжение днем может осуществляться с помощью солнечного коллектора. Если его мощности недостаточно, то ему помогает тепловой насос, в ночное же время горячее водоснабжение полностью обеспечивается работой теплового насоса.

Поступила в редакцию

Данная статья подготовлена в ходе работ по государственного контракта № 16.516.11.6017 Министерства образования и науки РФ, в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 - 2013 гг.».

Литература

1. Байбаков С.А. Структура современных систем теплоснабжения и предложения по ее изменению // Новости теплоснабжения. 2010. № 1.

2. Перспективы использования тепловых насосов [электронный ресурс] / Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт // Обзор инноваций и научно-технических разработок. 2009. № 6. Режим доступа : http://copy.yandex.net - Загл. с экрана.

26 сентября 2011 г.

Ефимов Николай Николаевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-52-18. E-mail: efimov@novoch.ru

Паршуков Владимир Иванович - ведущий инженер, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)22-76-06. E-mail: v_parshukov@mail.ru

Папин Владимир Владимирович - инженер, кафедра «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8 904-441-06-48. E-mail: vampire_2006@inbox.ru

Янченко Илья Владимирович - инженер, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-55-00. E-mail: vozhdvolgi@rambler.ru

Машков Александр Владимирович - инженер, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8 904-343-65-98. E-mail: termal1402@mail.ru

Безуглов Роман Владимирович - ведущий инженер, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-55-00. E-mail: roman.reer@mail.ru

Бундиков Александр Викторович - инженер, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-928-196-40-29. E-mail: alekxander.rus61@rambler.ru

Efimov Nikolay Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)25-52-18. E-mail: efimov@novoch.ru

Parshukov Vladivir Ivanovich - conducting engineer, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)22-76-06. E-mail: v_parshukov@mail.ru

Papin Vladimir Vladimirovich - engineer, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8 904-441-06-48. E-mail: vampire_2006@inbox.ru

Yanchenko Ilya Vladimirovich - engineer, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)25-55-00. E-mail: vozhdvolgi@rambler.ru

Mashkov Alexander Vladimirovich - engineer, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8 904-343-65-98. E-mail: termal1402@mail.ru

Bezuglov Roman Vladimirovich - conducting engineer, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-55-00. E-mail: roman.reer@mail.ru

Bundikov Alexander Viktorovich - engineer, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8-928-196-40-29. E-mail: alekxander.rus61@rambler.ru