Применение тепловых насосов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Тепловые насосы

1.1 Определение и краткая история возникновения

1.2 Устройство и принцип действия теплового насоса

1.3 Типы тепловых насосов

1.3.1 Воздушный тепловой насос

1.3.2 Грунтовый тепловой насос

2. Перспективы использования тепловых насосов

2.1 Функционал тепловых насосов

2.2 Экологическая нагрузка на окружающую среду

2.3 Перспективные проекты

2.3.1 Применение на предприятиях

2.3.2 Применение для жилых и общественных зданий

2.4 Проблемы внедрения теплонасосной техники

Заключение

Библиографический список

тепловой насос теплонасосный техника

Введение

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет собой одну из актуальных проблем. В настоящее время полезное применение энергии, в первую очередь, связывают с энергосбережением. Официальное определение устанавливается ГОСТом Р 51387-99[1].

«Энергосбережение» - комплекс мер по реализации правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное (рациональное) использование (и экономное расходование) топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), при существующем полезном эффекте от их использования и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии (закон РФ «Об энергосбережении») [2].

Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий, основанных на использовании нетрадиционных источников энергии.

Одной из наиболее перспективных альтернативных технологий получения тепла, на данный момент, является тепловой насос. Постепенно, но все больше привлекает эта экологически безопасная технология внимание потребителей. Если в Европе активное внедрение началось относительно давно, то российский потребитель еще только начинает осваивать это, необычное, на первый взгляд, решение.

Когда-то принцип переноса тепла хладагентом получил широкое распространение в бытовых холодильниках и в промышленных холодильных установках, и вот теперь, благодаря работе инженерной мысли, сходным образом можно организовать функционирование систем отопления и даже горячего водоснабжения.

Это касается как жилых, так и производственных помещений, и даже целых коттеджных городков. Так, идея «умножителя теплоты», предложенная еще в 1852 году Уильямом Томсоном, наконец, активно воплощается в наступившие прогрессивные годы.

Теплоснабжение и холодоснабжение с помощью тепловых насосов получает все большее распространение в мире. Эта технология по заключению целого ряда авторитетных международных организаций, наряду с другими энергосберегающими технологиями (использование солнечной, ветровой энергии, энергии Океана и т.п.), относится к технологиям XXI века [3].

Целью данной работы является изучение вопросов, связанных с использованием теплонасосных установок для теплоснабжения зданий и сооружений.

В работе ставятся следующие задачи: рассмотрение принципа действия теплового насоса и его конструкции, изучение типов источников теплоты на основе теплонасосных установок, определение основных положений для проектирования систем теплоснабжения с использованием тепловых насосов, анализ эффективности использования систем теплоснабжения с тепловыми насосами.

1. Тепловые насосы

1.1 Определение и краткая история возникновения

Тепловой насос -- устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой [4].

В 1824 году Николя Леонард Сади Карно представил миру свою научную работу «Размышления о движущей силе огня и о машинах способных развивать эту силу». В этой работе Сади Карно анализировал идеальный круговой процесс (цикл Карно), рассматривал вопрос о «получении движения из тепла» и пришел к выводу, что полезная работа производится только при переходе тепла от нагретого тела к более холодному. Так появился принцип работы холодильной установки.

В 1852 году британский физик и инженер Уильям Томсон (Лорд Кельвин) совместно с Джоулем проводят исследования над охлаждением газов при расширении без совершения работы, другими словами, газы при снятии высокого давления охлаждаются, а при повышении давления, наоборот нагреваются. В 1856 году австрийский физик Петер Риттер фон Риттегер, используя открытие Томсона, смог построить первую паровую машину для перегрева пара. Так был открыт принцип теплового насоса. Но практическое применение тепловой насос приобрел значительно позже, а точнее в 40-х годах ХХ столетия, когда изобретатель-энтузиаст Роберт Вебер экспериментировал с морозильной камерой. Однажды Вебер случайно прикоснулся к горячей трубе на выходе камеры и понял, что тепло просто выбрасывается наружу. Изобретатель задумался над тем, как использовать это тепло, и решил поместить трубу в бойлер для нагрева воды. В результате Вебер обеспечил свою семью таким количеством горячей воды, которое они физически не могли использовать, при этом часть тепла от нагретой воды попадала в воздух. Это подтолкнуло его к мысли, что от одного источника тепла можно нагревать и воду, и воздух одновременно. Поэтому Вебер усовершенствовал свое изобретение и начал прогонять горячую воду по спирали (через змеевик) и с помощью небольшого вентилятора распространять тепло по дому с целью его отопления. Со временем именно у Роберта Вебера появилась идея «выкачивать» тепло из земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Он поместил в грунт медные трубы, по которым циркулировал фреон, который «собирал» тепло земли. Газ конденсировался, отдавал свое тепло в доме, и снова проходил через змеевик, чтобы подобрать следующую порцию тепла. Воздух приводился в движение с помощью вентилятора и распространялся по дому. В следующем году Вебер продал свою старую угольную печь.

В 40-х годах тепловой насос был известен благодаря своей чрезвычайной эффективности, но реальная потребность в нем возникла в период Арабского нефтяного эмбарго в 70-х годах, когда, несмотря на низкие цены на энергоносители, появился интерес к энергосбережению. Именно тогда доктор Джеймс Бозе, профессор Университета штата Оклахома, случайно наткнулся на старый инженерный текст о концепции тепловых насосов. Доктор Бозе решил помочь владельцам домов, чьи тепловые насосы выбрасывали горячую воду в бассейн, и приспособил тепловой насос для циркуляции воды по трубам вместо сброса в бассейн. Это положило начало новой эре в области геотермальных систем [3].

1.2 Устройство и принцип действия теплового насоса

Каждый насос независимо от способа получения тепла содержит:

- Испаритель

- Компрессор

- Конденсатор

- Расширительный клапан

Это основные элементы, которые присутствуют во всех видах тепловых насосов.

На рисунке 1 представлена схема работы теплового насоса.

Рисунок 1 Схема работы теплового насоса

Тепловой насос имеет следующий принцип действия. Он «извлекает» тепло из окружающей среды и передает его в дом. Причем ему не обязательно отбирать из природы высокую температуру. Для работы теплового насоса достаточно температуры 0-7?С, которая далее преобразовывается в 35-50?С, необходимые для обогрева здания.

Рассмотрим подробнее, как это происходит [5].

1. Тепловой насос извлекает тепло из окружающей среды - земли, воздуха или воды. Достаточная температура - 0…7?С.

2. Внутри насоса установлен испаритель с хладагентом, температура кипения которого около 0?С.

3. За счет тепла полученного из окружающей среды хладагент закипает и принимает газообразную форму.

4. В виде газа хладагент поступает в компрессор. Здесь он сжимается, в результате чего увеличивается его давление и растет температура.

5. Далее уже нагретый газ поступает в конденсатор, где отдает тепло системе отопления. После чего он охлаждается и снова принимает жидкое состояние.

6. Жидкий хладагент поступает в расширительный клапан, где его давление понижается до начального низкого значения.

7. После этого хладагент возвращается в испаритель. Контур замыкается. Процесс повторяется непрерывно.

Большинство современных тепловых насосов работают как на отопление так и на охлаждение, по необходимости. Поэтому в них обычно встраивается возможность переключения контуров теплообмена то на охлаждение, то на обогрев.

Для работы агрегатов теплового насоса используется электрическая энергия. Также электричество требуется для обеспечения работы теплообменных контуров (прокачки теплоносителя, обдува и т. п.). Каждый тепловой насос характеризуется мощностью потребляемой электроэнергии и количеством производимой тепловой энергии или охлаждения. Соотношение величины вырабатываемой (отбираемой) тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициент трансформации (coefficient of performance - COP). Эта величина характеризует эффективность теплового насоса и зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эффективность. По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество источников низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом деле, при этом растёт эффективность теплового насоса, поскольку при слабом охлаждении источника тепла не происходит значительного роста разницы температур.

Например, коэффициент трансформации = 4. Это значит, что на 1 кВт затраченной электроэнергии тепловой насос обеспечит 4 кВт тепловой энергии. Для сравнения - обычный электронагреватель на 1 кВт затрачиваемой электроэнергии производит 1 кВт тепловой.

Эффективность работы теплового насоса и коэффициент трансформации (COP) - величина непостоянная. Например, когда воздушный тепловой насос использует в качестве тепла воздух с температурой +5 и дает для отопления воздух в помещении +35, то разница составит 30 градусов и коэффициент COP будет = 3. Если температура воздуха на улице будет -5, то разница температур составит 40 градусов и значение COP, например, до 2. Чем ниже температура исходной среды и чем выше требуемая температура нагрева, тем меньше будет эффективность насоса [6].

1.3 Типы тепловых насосов

Самыми распространенными типами тепловых насосов являются воздушные и грунтовые.

1.3.1 Воздушный тепловой насос

В качестве источника энергии используется уличный воздух, а их принцип действия аналогичен работе кондиционера.

Воздушные насосы популярны за счет легкого совмещения с существующей системой отопления. Для их установки не требуется специальное разрешение. Они дешевле стоят и проще монтируются.

В свою очередь, этот вид тепловых насосов имеет самый низкий КПД, который нестабилен и меняется в зависимости от уличной температуры. При лучших погодных условиях СОР = 1:3.

Чаще всего воздушные насосы рассматривают в качестве дополнения к основному источнику тепла.

1.3.2 Грунтовый тепловой насос

Грунтовые насосы используют тепло земли. Она является хорошим аккумулятором тепла, так как накапливает в себе солнечную энергию и также подогревается за счет энергии центра земли.

Для извлечения тепла в грунт укладываются обычные пластиковые трубы, внутри которых циркулирует теплоноситель (рисунок 2).

Главное преимущество таких насосов - высокий и постоянный КПД в течение года - 1:4-4,5. Это обусловлено тем, что температура грунта в течение года неизменна и поэтому грунтовые тепловые насосы могут постоянно получать достаточное количество тепла и использоваться в качестве единственного источника энергии [7].

Рисунок 2 Схема устройства труб грунтового теплового насоса

Конечно, существуют и другие источники энергии для теплового насоса. Главное, чтобы температура источника в течение года была положительна и неизменна. Например:

- Грунтовые воды. Тепловой насос прокачивает через себя грунтовые воды и использует их тепло. Это самый эффективный вид насоса с точки зрения СОР. Но для использования этого вида тепловых насосов требуется разрешение. Также можно напрямую закачивать речную или морскую воду - в этом случае нужно ставить специальный фильтр для очистки воды.

- Укладка трубы на дно моря и реки. Принцип действия похож на грунтовый насос. На достаточной глубине вблизи дна вода имеет постоянную положительную температуру ~4?C.

2. Перспективы использования тепловых насосов

2.1 Функционал тепловых насосов

Классификация тепловых насосов характеризуется разными вариантами оборудования, поэтому необходимо сделать акцент на разделении тепловых насосов с учетом выполняемых ими функций:

- тепловые насосы, с помощью которых отапливается здание и (или) функционирует горячее водоснабжение;

- тепловые насосы, с помощью которых охлаждается здание на протяжении 12 месяцев (с дополнительной функцией отопления).

В данное время наибольшее предпочтение рынок отдает реверсным устройствам типа «воздух-воздух». Тепловые насосы, имеющие среднюю и большую мощность и используемые для объектов обслуживающей отрасли, наделены гидравлическими контурами, позволяющими распределять тепло и холод. Вместе с тем у них есть возможность параллельного обеспечения рабочих режимов.

Тепловые насосы могут быть частью интегрированных систем, благодаря которым помещения отапливаются и охлаждаются. Кроме того, такие системы могут приготавливать воду для ГВС и в определенных случаях утилизировать тепло вытяжной воздушной массы.

В тепловых насосах, которые способны только готовить горячую воду, в большинстве случаев источником тепла является наружная воздушная масса. Однако такие устройства не пренебрегают использованием удаляемого воздуха.

С учетом режимов функционирования тепловые насосы могут быть моновалентными и бивалентными. Для определения производительности теплового насоса необходимо учитывать моновалентный и бивалентный режимы функционирования. При работе в моновалентном режиме тепловому насосу приходится выполнять функцию единственного генератора тепла или холода.

Что касается бивалентных тепловых насосов, они в полной мере выполняют функцию охлаждения. При этом доля тепловой нагрузки при их функционировании в зимний период может снижаться на 20-60 процентов, а в отопительный сезон (осень-весна) - на 50-95 процентов. Покрытие пиковой нагрузки происходит благодаря дополнительным источникам тепловой энергии, газовым, жидкотопливным или электрическим котлами.

2.2 Экологическая нагрузка на окружающую среду

В проектах на теплонасосную технику обязательно разрабатываются разделы по экологической безопасности. В таблице 1 приведены сравнительные характеристики экологической эффективности теплонасосной установки и традиционных теплоисточников, работающих на органическом топливе. Расчеты выполнены для теплоисточника мощностью 1 Гкал/ч и удельным расходом топлива 0,3 кг у.т./кВт.ч. Теплотворная способность, принятая в расчетах: уголь: 19,5 МДж/кг, мазут: 39 МДж/кг.

Таблица 1

Сравнительные характеристики экологической эффективности теплонасосной и котельной установки

Как видно из таблицы, для выработки электроэнергии для ТН при коэффициенте преобразования (ц) равном 3 количество выбросов окислов азота, серы и окиси углерода в среднем в 1,5-2 раза меньше, чем при выработке тепловой энергии котельной, работающей на угле или мазуте. В таблице также показано снижение выбросов «парниковых газов» (СО₂) в случае использования ТН, получающих электроэнергию от ТЭЦ. С увеличением коэффициента преобразования экологическая эффективность ТН улучшается пропорционально.

В настоящее время в Европейских странах современные теплонасосные установки типа «вода - вода» имеют коэффициент сезонной производительности (отношение общей тепловой энергии, выработанной за сезон, к общей израсходованной электроэнергии за сезон) равный 4. Но, например, даже теплонасосная установка, имеющая коэффициент сезонной производительности равный 2,75, выбрасывает в атмосферу СО₂ на 35% меньше, чем газовая установка с КПД 95% [6].

2.3 Перспективные проекты

2.3.1 Применение на предприятиях

Наиболее перспективными проектами в теплонасосостроении является внедрение ТН компрессионного типа на очистных сооружениях и в системе оборотного водоснабжения предприятий. Экономическая эффективность таких проектов значительно возрастает за счет высокого энергетического потенциала сбросного тепла. Температура воды низкопотенциального источника тепла (НИТ) в этих случаях составляет 20-60 ^ОС. Коэффициент преобразования ТН может достигать 8.

Проводились технико-экономические расчеты эффективности внедрения ТН компрессионного типа на очистных сооружениях в гг. Павлове, Нижнем Новгороде и Семенове. Так, при средней стоимости топочного мазута для Павловского района около 4500 руб./т, расчетный срок окупаемости капитальных вложений при строительстве теплонасосного пункта (ТНП) мощностью 700 кВт, предназначенного для подогрева сырой подпиточной воды мазутной котельной на одном из заводов, составил около 2 лет.

Другим примером является ТН тепловой мощностью 65 кВт, установленный на производственной базе «Символ» (г. Нижний Новгород), для отопления производственных помещений площадью 1200 м2. Привод компрессора управляется частотным регулятором с использованием микропроцессорного блока, поэтому вмешательство в работу ТН не требуется, кроме периодического контроля за уровнем масла в компрессоре охранным персоналом производственной базы [8].

2.3.2 Применение для жилых и общественных зданий

Существует тепловой насос (ТН) небольшой тепловой мощности (10-25 кВт) для отопления жилого дома площадью 200-500 м². Низкопотенциальным источником тепла в этом случае, как правило, служит грунтовая вода. Габариты ТН не превышают размеры небольшого домашнего холодильника, что позволило разместить его в подвальном помещении жилого дома. С 1998 г. в Борском районе Нижегородской области успешно работают два ТН коттеджного типа тепловой мощностью 17,5 и 21 кВт, которые обеспечивают теплом и горячей водой здания площадью 300-350 м². Вода забирается из скважины, обустроенной внутри дома в подвальном помещении, а после охлаждения сбрасывается в водоем [8].

Здания, имеющие средние и большие размеры, лучше всего оборудовать закрытой водяной кольцевой системой. При этом каждое обслуживающее помещение строительного объекта будет иметь отдельный реверсивный тепловой насос. Применение данных систем наиболее эффективно в зданиях, которые имеют много помещений. В частности, это касается административных зданий, кооперативных домовладений, гостиниц, мотелей, торговых комплексов.

Теплонасосные установки, применяющие грунт в качестве источника тепла, получили большое распространение за рубежом для теплоснабжения жилых и административных зданий. Грунт, как и подпочвенные воды, имеет одно преимущество - относительно стабильную в течение года температуру, обеспечивающую высокий коэффициент преобразования ТН.

2.4 Проблемы внедрения теплонасосной техники

В процессе эксплуатации тепловых насосных установок, как правило, возникают проблемы. Например, по компрессорному оборудованию: почти все ТН имеют компрессоры со встроенным электродвигателем. Преимущество - естественное охлаждение электродвигателя компрессора газообразным хладагентом в процессе его циркуляции, но в то же время при нарушении режимов работы и отказе защитной автоматики происходит короткое замыкание на обмотках электродвигателя с последующим выходом его из строя.

При монтаже ТН мало внимания уделяется контролю сварных швов и качеству сборки, в результате чего в процессе работы появляются течи, потеря хладона. Заделка «свищей» на сварных швах производится только при пустом фреоновом контуре, а это опять потеря времени и дополнительные расходы.

Внедрение ТН - мероприятие дорогостоящее, поэтому ввиду экономии оборудование устанавливается дешевое - недоброкачественное. Все это потом сказывается на эффективности, аварийности и дополнительных расходах, что, в конечном счете, компрометирует саму идею внедрения ТН в нашем регионе.

Аналогичные проблемы есть и в Новосибирской области - одном из центров теплонасосостроения. Благодаря региональной программе энергосбережения специалистам ЗАО «Энергия» за несколько лет удалось внедрить более 200 ТН различной мощности, тем не менее, спрос на ТН не велик [8].

Заключение

На фоне массы положительных моментов в использовании тепловых насосов есть и отрицательные аспекты применения.

Например, в энергодефицитных регионах по электрической мощности, с одной стороны, внедрение тепловых насосов должно рассматриваться только как перспективное направление, т.к. при переход с централизованного отопления на ТН (даже при наличии в непосредственной близости источника низкотемпературного тепла) может вызвать рост нагрузки на энергосистему, в связи с потреблением ТН электроэнергии. С другой стороны, может снизить электрическую нагрузку, используемую потребителями на электроотопление.

Ещё пример. При использовании в качестве источника подземной воды охлажденную в ТН воду нельзя возвращать назад прямо в место отбора, т.к. при этом охлаждается колодец. Предлагаемые инженерные решения сбрасывать отдавшую тепло воду в другой колодец так, чтобы направление течения подземных вод было от места сброса к месту отбора - несут большие удорожания проекта.

При использовании поверхностной воды к ней предъявляются определенные требования, как и для подземной воды. При внедрении ТН 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 России на основании энергетической стратегии [9] практически во всех регионах разработаны программы энергосбережения, в которых предусматриваются мероприятия по экономии первичных видов топлива за счет использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ), в т.ч. и ТН. Потенциал всех НВИЭ составляет 170 млн тонн у.т. (условного топлива) ежегодно, что соответствует 22% общего энергопотребления в стране. По данным Объединенного института высоких температур РАН 12% потенциала НВИЭ можно реализовать с помощью ТН [8].

Несмотря на введение ФЗ «Об энергосбережении» [2] существует проблема на государственном уровне:

- правительство не субсидирует переход от использования жидкого топлива и электрообогрева к отоплению тепловыми насосами;

- очень низкий рост строительства нового жилья;

- отсутствие государственного сертифицирования монтажных организаций, подтверждающего наличие достаточной квалификации для установки ТН.

Библиографический список

1. ГОСТ Р 51387-99, введен Постановлением Госстандарта России от 30.11.1999. №485-ст.

2. Федеральный закон РФ от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации".

3. Горшков В. Г. Тепловые насосы. Аналитический обзор // Справочник промышленного оборудования. 2004. № 2.

4. Большая советская энциклопедия (3-е издание)

5. Жидович И.С., Трутаев В.И. Системный подход к оценке эффективности тепловых насосов // Новости теплоснабжения. 2001. №11.

6. Петин Ю. М. Опыт производства тепловых насосов в ЗАО «Энергия» // Энергетическая политика. 2001. Вып. 3.

7. Проценко В.П., Радченко В.Е. Коэффициент преобразования парокомпрессионных тепловых насосов//Теплоэнергетика. 1998. №8.

8. Крахмалин И.Г., Тепловые насосы в системе теплоснабжения/ К.т.н. И.Г. Крахмалин, генеральный директор, Е.Л. Люсин, заместитель главного инженера, ЗАО «НПО «Промэнерго» г. Нижний Новгород,// Журнал «Новости теплоснабжения» №7 (83), 2007.

9. Энергетическая стратегия Российской Федерации на период до 2020 года. М.: Приор, 2003.

Размещено на Allbest.ru