Использование тепловых насосов в системах теплоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ)

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Середeнина Е.А., Корягин М.В.

Нижний Новгород, Россия

Основным потребителем энергетических ресурсов является жилищно-коммунальное хозяйство (ЖКХ). В настоящее время ЖКХ неэффективно расходует энергоресурсы [1]:

- потери теплоты в тепловых сетях превышают нормативные;

- срок службы теплотрасс в 4-6 раз ниже нормативного;

- КПД некоторых котельных -40%;

- модернизации требуют 30% систем водоснабжения, 17% канализационных сетей;

- утечки и неучтенные расходы воды в районе составляют 15%.

Всё это четко обозначило проблему энергосбережения и повышения энергоэффективности зданий и сооружений.

Одновременно с этими процессами происходит:

- истощение природных ресурсов;

- экономическое непостоянство цен на нефть;

- глобальное изменение климата.

Поэтому стоит ли удивляться тому, что возобновляемые источники энергии сегодня находятся в центре всеобщего внимания, так как они являются альтернативой традиционным. К ним следует отнести и теплонасосное оборудование, производство которого растет быстрыми темпами в Европе. По прогнозам МИРЭК к 2020 году во всех развитых странах мира теплоснабжение будет осуществляться с помощью тепловых насосов.

Тепловой насос - устройство для переноса тепловой энергии от источника с более низкой температурой к источнику с более высокой температурой, позволяющее посредством затрат электрической энергии использовать низкотемпературную тепловую энергию грунта, воздуха, воды, хозяйственно-бытовых стоков, шахтных вод, промышленных сбросов и многого другого для получения теплоносителя пригодного для тепло- и хладоснабжения помещений, зданий, сооружений.

При этом затрачивая 1 кВт·ч электроэнергии на работу насоса можно получить около 2,5-3,5 кВт·ч тепловой энергии.

Применение тепловых насосов для отопления и ГВС, применяется по следующим причинам:

• по экономическим - позволяет значительно снизить расход денежных средств по сравнению с электроотоплением, а при определенных факторах конкурировать с теплоснабжением от централизованных систем (котельных, ТЭЦ). Более подробно анализ стоимостных показателей приведен в [3];

• по экологическим - по сравнению с другими источниками тепловой энергии не выделяет вредных веществ;

• простота обслуживания - не требуется более одного оператора в смену;

• не требуется масштабная реконструкция систем отопления и ГВС помещений, зданий, сооружений.

Линейка мощности тепловых насосов довольно разнообразна. Можно обеспечить теплоснабжение частного дома, а при использовании двух и более тепловых насосов - крупных районов и промышленных предприятий. Главным приоритетом при реализации таких проектов является наличие источника низкотемпературной тепловой энергии и экономическая эффективность самого проекта.

Применение тепловых насосов экономически оправдано, если тепловая энергия получается непосредственно на месте установки оборудования. Для сравнения в централизованных системах теплоснабжения требуется протяженных тепловых сетей до потребителя, которые требуют не только капитальных вложений при строительстве, но и при эксплуатации.

Рассмотрим основные источники низкотемпературной тепловой энергии:

Наружный воздух. Тепло, содержащееся в воздухе, может использоваться непосредственно в тепловом насосе. Этот источник является самым легкодоступным, учитывая, что температура воздуха в отопительном периоде значительно меняется, применение данного источника в это время не всегда целесообразно для качественного и надежного теплоснабжения потребителя. Некоторые производители тепловых насосов внедряются решения, которые позволяют в летний период за счет наружного воздуха вырабатывать горячую воду, а в отопительный сезон насос переключается на другой источник низкотемпературной тепловой энергии (например, на подземную воду). Тепловой насос позволяет обеспечивать глубокую и круглогодичную утилизацию тепла вентиляционных выбросов.

Подземная вода. Тепло, содержащееся в подземной воде и подземных озерах, может напрямую подаваться в тепловой насос (при этом не требуется установка теплообменника, как при использовании тепла земли), но и охлажденную воду нельзя возвращать назад прямо в место отбора. Ведущие компании производства тепловых насосов рекомендуют сбрасывать отдавшую тепло воду в другой колодец так, чтобы направление течения подземных вод было от места сброса к месту отбора. Вода должна иметь соответствующий состав, температуру не менее + 8 °С на протяжении всего года, а также должна быть чистой и в достаточном количестве.

Геотермальное тепло или тепло земли. Известным фактом является то обстоятельство, что на определенной глубине почвы ее температура положительна (и по мере увеличения углубления температура растет). Тепло содержащее в почве посредством теплообменника (коллектора) в углублении и теплоносителя передается через циркуляционную схему в тепловой насос. Теплоносителем в данном случае должна являться незамерзающая, экологически безвредная жидкость, а циркуляцию обеспечивает циркуляционный насос. Теплообменник может быть помещен в землю на различное расстояние, в зависимости от требуемой мощности. Для получения большой тепловой мощности рекомендуется скважина глубиной 100-150 м. Для получения низких мощностей достаточно поместить теплообменник в плоскостной или траншейный коллектор на глубину 1,5-2 м.

Минусом установки теплообменника на малую глубину является то обстоятельство, что вокруг площадки, куда погружен коллектор, температура почвы из-за постоянного теплосъема понижается, тем самым при определенных температурных условиях на улицы этот участок почвы также может промерзнуть.

Наиболее качественным и надежным способом является бурение скважин и установка теплообменников на большой глубине.

Поверхностная вода. При использовании поверхностной воды к ней предъявляются определенные требования, как и для подземной воды. При внедрении теплового насоса с использованием данного вида источника низкотемпературной тепловой энергии очень часто возникают проблемы с чистотой воды, а также с регулярностью температуры (в большинстве случаев температура поверхностной воды поддерживается за счет стоков промышленных предприятий).

В климатических зонах с мягким климатом и регулярностью температуры поверхностной воды, тепловой насос может быть отличным решением для решения проблем с ГВС.

Отработанное тепло промышленных предприятий. В результате технологических процессов на промышленных предприятиях возникает большое количество низкотемпературной тепловой энергии, которая не используется в технологическом цикле. В зависимости от конкретных условий отработанное тепло можно использовать в ТН для теплоснабжения цехов, мастерских, складов и т.д. промышленного предприятия. В частных домах, жилых многоквартирных домах отработанное тепло используется крайне редко из-за зависимости от работы и удаленности от потребителя промышленного предприятия.

Для подтверждения эффективности применения тепловых насосов рассмотрим опыт применения теплонасосной станции для отопления объектов Велижанского водозабора.

Тепловые нагрузки составляют (без горячего водоснабжения) на промышленные нужды - 2,65 Гкал/ч, на жилье и соцкультбыт - 0,79 Гкал/ч, всего 3,44 Гкал/ч.

До 1996 г. теплоснабжение объектов осуществлялось от котельной, работающей на дизельном топливе. В котельной были установлены 4 котла мощностью по 3,5 Гкал/ч, из них 2 резервных. Таким образом, рабочая мощность котельной составляла 7 Гкал/ч. В связи с резким подорожанием дизельного топлива было принято решение о приобретении и монтаже теплонасосной станции.

Теплонасосная станция представляет собой автономный источник теплоснабжения, использующий в качестве низкопотенциального источника тепла воду из скважин Велижанского водозабора. Низкопотенциальное тепло воды водозабора (5 °С, расход не менее 500 м³/ч) с помощью ТН получается теплоноситель для систем отопления (65 °С) и горячего водоснабжения (55 °С). Оборудование теплонасосной станции позволяет регулировать как температуру прямой воды отопления, так и количество передаваемого ей тепла. тепловой насос водоснабжение

Оборудование теплонасосной станции достаточно энергоемкое: установленная мощность компрессора составляет 630 кВт при напряжении 10 кВ. Потребляемая мощность одной установки (по паспорту) в номинальном режиме при теплопроизводительности 2,8 Гкал/ч составляет 720 кВт, не считая сетевых насосов и другого вспомогательного оборудования.

Годовой экономический эффект составляет 154000 руб./год. При стоимости приобретенного оборудования теплонасосной станции 1,8 млн руб. (без стоимости строительных и монтажных работ) срок окупаемости составит 11,7 лет (по данным 1996 г.).

Выводы

Практически в каждом муниципальном образовании имеются те или иные проблемы с теплоснабжением потребителей. Довольно часто при строительстве новых домов встает вопрос об источниках теплоснабжения для постройки, т.к. подключение к теплоснабжающим организациям может быть невозможно из-за дефицита тепловой мощности, дорого из-за строительства протяженных тепловых сетей. Теплоснабжение удаленных населенных пунктов осуществляется посредством использования дорогого завозного дизельного топлива и мазута. В этом случае должны рассматриваться проекты установки теплового насоса в конкуренции с другими технологическими решениями и проектами по теплоснабжению.

В энергодефицитных регионах по электрической мощности, с одной стороны, внедрение тепловых насосов должно рассматриваться только как перспективное направление, т.к. при переходе с централизованного отопления на насос (даже при наличии в непосредственной близости источника низкотемпературного тепла) может вызвать рост нагрузки на энергосистему, в связи с потреблением насосом электроэнергии. С другой стороны, может снизить электрическую нагрузку, используемую потребителями на электроотопление. Поэтому к вопросу о внедрении тепловых насосов надо подходить очень серьезно.

Литература

1. Корягин М.В. О необходимости комплексной оценки энергроэффективности зданий/ М.В. Корягин// 15-й Международный научнопромышленный форум "Великие реки'2013". Труды конгресса. Т.3. - Н.Новгород, ННГАСУ, 2014. С. 30-32.

2. Павлов Д.А., Семикова Е.Н. Экологическая оценка котельной с энергосберегающим оборудованием/ Д.А. Павлов, Е.Н. Семикова// VI Международная студенческая электронная научная конференция "Студенческий научный форум ", 2014. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http// www.rae.ru/snt

3. Половинкина Е.О. Использование тепловых насосов в системах теплоснабжения зданий и сооружений / Половинкина Е.О.// VI Международная студенческая электронная научная конференция "Студенческий научный форум", 2014. С. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http// www.rae.ru/snt

Размещено на Allbest.ru