Сантехника Отопление Кондиционирование

Условия эффективного использования и примеры работы тепловых насосов

(0) (46119)
Опубликовано в журнале СОК №2 | 2004

Сегодня во многих регионах страны теплоснабжение находится в кризисном состоянии, что связано, прежде всего, с физическим и моральным износом существующих систем теплоснабжения и действующего оборудования. В этой ситуации целесообразно проведение объективного анализа возможности использования альтернативных способов теплоснабжения, среди которых наиболее привлекательным является применение тепловых насосов.

 

Тепловые насосы нашли широкое применение для теплоснабжения жилых и административных зданий в США, Швеции, Финляндии, Канаде и других странах с климатическими условиями, похожими на российские. Расширяется опыт применения тепловых насосов и в нашей стране. Работа теплового насоса (ТН) компрессионного типа, наиболее широко использующегося на практике, состоит в следующем. В испарителе ТН тепло невысокого температурного потенциала отбирается от некоего источника низкопотенциального тепла и передается низкокипящему рабочему телу ТН. Полученный пар сжимается компрессором. При этом температура пара повышается и тепло на нужном температурном уровне в конденсаторе передается в систему отопления и/или 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, ТН осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого температурного уровня на более высокий, необходимый потребителю. При этом на привод компрессора затрачивается механическая (электрическая) энергия. При наличии подходящего источника низкопотенциального тепла количество тепла, поставляемого потребителю, может в несколько раз превышать затраты энергии на привод компрессора. Отношение полезного тепла к работе, затрачиваемой на привод компрессора, называют коэффициентом преобразования ТН.

При температуре испарителя на уровне +5°С и температуре конденсатора на уровне 60°С коэффициент преобразования «идеального» ТН, работающего по циклу, близкому к циклу Карно, превышает 5. Для реальной установки, с учетом существующих потерь, он достигает 3. С увеличением температуры источника низкопотенциального тепла и/или с уменьшением температуры, необходимой потребителю, коэффициент преобразования реальной установки возрастает и может достигать больших значений.

Условия эффективной работы тепловых насосов

Из выше изложенного следует несколько принципиальных положений, касающихся особенностей практического применения ТН в системах теплоснабжения.

  1. Для обеспечения работы ТН необходимо, чтобы к потребителю была подведена достаточная для привода компрессора электрическая мощность. Необходимая дополнительная электрическая мощность зависит от тепловой нагрузки объекта. Например, для теплонасосного теплоснабжения современного индивидуального дома площадью около 200 м2, как правило, достаточна электрическая мощность 5–7 кВт. Потребность в дополнительной присоединенной мощности может быть сокращена, если работа ТН осуществляется в часы минимального использования электроэнергии другими внутренними потребителями, например в ночное время. В этом случае можно использовать более выгодные «ночные» тарифы на электроэнергию и применить аккумуляторы тепла, обеспечивающие выравнивание графика теплоснабжения в течение суток с учетом тепловой инерционности здания.
  2. Обязательным условием эффективного использования ТН является наличие подходящего источника низкопотенциального тепла. Отсутствие вблизи потребителя такого источника может исключить возможность применения ТН. В странах с мягким климатом в качестве источника низкопотенциального тепла часто используют атмосферный воздух. Однако для большей территории России этот источник, как правило, неприемлем в связи с чрезвычайно низкими температурами в зимнее время. Идеальный вариант для тепловых насосов — наличие вблизи потребителя источника сбросного тепла промышленного или коммунального предприятия. В наших условиях хозяйствования такие случаи нередки. Однако эти случаи следует рассматривать как частные. Хорошим источником тепла является незамерзающий водоем, речка. В ряде регионов имеются неглубоко залегающие подземные термальные воды (на Камчатке, Северном Кавказе, в Калининградской обл., некоторых районах Сибири). Наличие вблизи потребителя соответствующей скважины с температурой воды на уровне 15–20°С является исключительно благоприятным для рассмотрения варианта использования ТН. Имеется значительный зарубежный (США, Канада, Швейцария и др.) и некоторый отечественный опыт по применению грунтовых теплообменников, позволяющих отбирать тепло из грунта, температура которого на глубине более 4–5 м равна среднегодовой температуре атмосферного воздуха (в средней полосе России — 5–8°С). Поверхностные слои грунта (до 100 м) являются достаточно универсальным и повсеместно доступным источником низкопотенциального тепла. Скважины-теплообменники могут сооружаться под фундаментом здания или в непосредственной близости от него. При этом такие системы не требуют заметного отчуждения земли. Однако выбор типа, схемы расположения и размеров грунтовых теплообменников требует специального обоснования с учетом возможного переохлаждения грунта в зоне теплообменника при длительной эксплуатации с возможным снижением эффективности работы ТН. Тепловые режимы работы грунтовых теплообменников могут быть существенно улучшены при использовании, наряду с теплом грунта, других источников низкопотенциального тепла, например, солнечной энергии, которая может направляться на ускоренное восстановление температурного режима грунта в теплый период года. В конструкциях новых зданий выполнение требований по повышению теплоизоляции ограждающих конструкций (стены, окна) приводит к тому, что основным источником тепловых потерь, как правило, оказываются вентиляционные выбросы, причем повышение герметичности зданий в связи с применением герметичных стеклопакетов требует внедрения новых технических решений по организации контролируемого воздухообмена в помещениях. А это значит, что все более широкое применение находят системы приточно-вытяжной вентиляции, и, следовательно, создаются технические возможности для организации утилизации тепловых выбросов здания. 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. Итак, выбор источника низкопотенциального тепла является исключительно важной и принципиальной проблемой, успешное решение которой во многом зависит от квалификации и опыта разработчиков теплонасосной системы теплоснабжения, и этой проблеме необходимо уделять самое пристальное внимание.
  3. Энергетическая эффективность (коэффициент преобразования энергии) и соответственно экономическая эффективность применяемой системы теплонасосного теплоснабжения сильно зависит от характеристик потребителя тепла, в первую очередь от температурного уровня нагреваемого теплоносителя. Очевидно, что применение ТН особенно эффективно в случае использования воздушных и/или напольных систем водяного отопления, для которых температура конденсатора не превышает 35–40°С. Для таких систем коэффициент преобразования ТН может быть высоким. 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. В случае использования традиционных отопительных радиаторов/конвекторов следует идти на разумное увеличение их теплопередающей поверхности, обеспечивая оптимальное снижение параметров теплоносителя. При использовании ТН в системах горячего водоснабжения необходимо избегать необоснованного перегрева воды выше реально необходимого потребителю температурного уровня. Как правило, для удовлетворения большинства бытовых потребностей нагревать воду выше 40–45°С нет необходимости. То есть, если водяной бойлер снабжен резервным электронагревателем, то соответствующая его автоматика должна быть настроена с учетом этого требования. При этом объем бака-аккумулятора горячей воды должен оптимизироваться с учетом реального графика водопотребления.
  4. Проектирование и создание теплонасосных систем теплоснабжения требует системного и творческого подхода. В отличие от традиционных систем теплоснабжения, теплонасосная система может работать в переменных (нестационарных) режимах, существенно отклоняющихся от расчетных, что связано как с возможным изменением температуры низкопотенциального источника, так и с переменным характером тепловых нагрузок. При этом важным предметом оптимизации является расчетная (максимальная) мощность ТН. Очевидно, что использовать тепловой насос, рассчитанный на покрытие максимальной тепловой нагрузки, с экономической точки зрения нецелесообразно. Обычно мощность ТН выбирается на уровне 60–70% от максимума нагрузки. В этом случае ТН должен работать в тандеме с резервным источником тепла и/или оснащаться соответствующими тепловыми аккумуляторами.

Примеры практического применения тепловых насосов

С участием специалистов Института высоких температур РАН (ИВТ РАН) разработан и создан ряд опытно-демонстрационных установок и систем, использующих тепловые насосы для теплоснабжения различных объектов. С 1981 г. на полигоне ИВТ РАН «Солнце» в Дагестане успешно работает система теплоснабжения индивидуального дома с комбинированным применением теплового насоса и солнечных коллекторов. В качестве источника низкопотенциального тепла используется термальная вода, поступающая из геотермальной скважины глубиной около 60 м с температурой примерно 20°С. В доме применена низкотемпературная напольная система отопления с покомнатным автоматическим регулированием температуры.

Солнечная установка с плоскими солнечными коллекторами работает для горячего водоснабжения дома. В Подмосковье (дер. Грибаново) на территории полигона НПО «Астрофизика» в 2001 г. введена в опытную эксплуатацию солнечно-теплонасосная система теплоснабжения лабораторного здания. В качестве источника низкопотенциального тепла для теплового насоса использован вертикальный грунтовый теплообменник общей длиной около 30 м (технология ОАО «Инсолар-Инвест»). Отопительные приборы — фанкойлы и напольный нагреватель. Солнечные коллекторы обеспечивают горячее водоснабжение, избытки солнечного тепла в летнее время закачиваются в грунт для ускоренного восстановления его температурного режима.

Рассмотрим более подробно введенную в 2003 г. в опытную эксплуатацию теплонасосную систему теплоснабжения здания Большого оптического телескопа (БТА) Специальной астрофизической обсерватории РАН, расположенной в горах Западного Кавказа (пос. Н. Архыз, Карачаево-Черкессия). Эта разработка является интересным примером эффективного комплексного решения ряда проблем, связанных с энергосбережением и эксплуатацией сложного телескопного оборудования. Большой оптический телескоп САО РАН расположен в горах на высоте 2100 м и является уникальным научным комплексом, используемым для астрофизических исследований.

Энергетическое обследование комплекса показало, что созданные более 20 лет назад системы теплохладоснабжения здания могут быть существенно модернизированы, причем основой модернизации может стать тепловой насос, с помощью которого может быть решена проблема регулирования (охлаждения) температуры масла в системе подвески многотонной конструкции телескопа на гидростатических опорах и одновременно обеспечено горячее водоснабжение и отопление ряда помещений. Масляная система подвески телескопа оснащена мощными масляными насосами, работа которых приводит к нагреву масла. Тепло передается к конструкциям телескопа и приводит к нагреву воздуха в подкупольном пространстве, что в свою очередь ведет к возникновению недопустимых конвективных воздушных потоков. Для охлаждения масла на телескопе создана специальная система воздушного охлаждения, включающая дополнительные циркуляционные насосы, масловоздушный теплообменник и электровентилятор.

В то же время для отопления механических мастерских и ряда камеральных помещений используются местные электронагреватели, потребляющие дополнительную электрическую энергию, причем отопительный сезон в условиях высокогорья длится около 10 месяцев в году. Очевидно, что существовавшая до реконструкции система была весьма энергорасточительной. В условиях резкого роста тарифов на электроэнергию энергетическая составляющая эксплуатационных затрат стала чрезмерно высокой. Предложенное техническое решение предусматривало использование нагретого масла в качестве источника низкопотенциального тепла для теплового насоса, с помощью которого обеспечивается как нагрев воды, так и отопление ряда помещений здания.

При этом эффективно решается проблема охлаждения масла, практически исключается необходимость использования циркуляционных насосов и электровентилятора существовавшей системы охлаждения, а также местных электрических отопительных приборов. Основная проблема, стоявшая на пути практической реализации предложения, состояла в выборе оптимального теплового насоса и согласовании режимов работы оборудования. Сложность проблемы была в том, что масляная система подвески телескопа в зависимости от погодных условий, допускающих проведение астрономических наблюдений, работает лишь ограниченное число часов в сутки (продолжительностью от 4 (ожидание ясного ночного неба) до 12 часов при наступлении ясного неба и проведении наблюдений). Причем тепловыделение имеет место в ночное время, а основная тепловая нагрузка приходится на рабочий день, т.е. для данного объекта характерно существенное несовпадение графика выделения низкопотенциального тепла и графика потребления тепла.

Решение этой проблемы оказалось возможным на основе детального математического динамического моделирования работы создаваемой системы с использованием соответствующих программ, разработанных специалистами ИВТ РАН. Одним из ключевых элементов предложенной схемы стал аккумулятор низкопотенциального тепла, объем которого должен был обеспечить максимально полный сбор тепла в ночное время с одновременным недопущением перегрева масла. ТН отбирает тепло из бака-аккумулятора, трансформирует его на температурный уровень 50–55°С и направляет на отопление помещений с помощью фанкойлов и нагрев воды в баке-аккумуляторе.

В созданной системе был использован тепловой насос фирмы Climaveneta (Италия) тепловой мощностью около 10 кВт. Затраты на модернизацию системы составили примерно 250 тыс. руб. Экономия электроэнергии с учетом сокращения затрат энергии на привод циркуляционных насосов и электровентилятора системы охлаждения масла, а также сокращения числа часов использования местных электрических отопительных приборов превышает 50 тыс. кВтч/год. Срок окупаемости установки — не более 2,5 лет.

  1. Журнал СОК №10/2019. Программа лояльности NAVIEN PRO
  2. Журнал СОК №11/2019. Viessmann вывела на рынок энергоэффективный электрический котёл Vitotron
  3. Журнал СОК №11/2019. Электрические кабельные тёплые полы: современные решения и рыночные тенденции
Комментарии
  • В этой теме еще нет комментариев
Добавить комментарий

Ваше имя *

Ваш E-mail *

Текст комментария