Тепловые насосы в российских системах отопления. Проблемы и перспективные решения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Забайкальский государственный университет

Тепловые насосы в российских системах отопления. Проблемы и перспективные решения

Батухтин Андрей Геннадьевич

канд. техн. наук, профессор каф. ТЭС

Кобылкин Михаил Владимирович

инженер Технопарка

Аннотация

теплонасоснвый установка теплохладоснабжение отопление

Статья посвящена проблеме внедрения систем теплохладоснабжения на основе теплонасосных установок (ТНУ) в существующие системы отопления зданий. Рассмотрено перспективное направление внедрения ТНУ. Описан малозатратный способ теплохладоснабжения на базе водяных ТНУ, а также представлена его экономическая эффективность на основе опытной эксплуатации.

Ключевые слова: малозатратность, энергосбережение, горячее водоснабжение, тепловой насос

Основная часть

Системы теплохладоснабжения на основе теплонасосных установок (ТНУ) считаются наиболее приоритетным направлением в развитии энергосберегающих технологий. Кроме того, за рубежом, активному внедрению тепловых насосов способствует Международное Энергетическое Агентство (IEA), которое предусматривает установку 3,5 миллиардов тепловых насосов в коммунальном хозяйстве к 2050 г. Более того, IEA прогнозирует, что к 2050 году более половины систем отопления зданий будут снабжены аккумуляторами тепловой энергии на основе тепловых насосов [1].

В Российской энергетике процесс внедрения энергосберегающих технологий носит поверхностный характер и ограничивается традиционными методами сокращения потерь энергии, такими как дополнительная изоляция ограждающих конструкций, установка доводчиков входных дверей и замена ламп освещения на более экономичные. Подобная тенденция во многом связана с низкой заинтересованностью самих потребителей во внедрении высокотехнологичных энергосберегающих решений, вследствие высокой стоимости основной массы классических зарубежных проектов, которые, в настоящее время, практически полностью занимают соответствующий сектор рынка энергосберегающих технологий [2].

В связи с чем, даже частичный переход от действующих систем централизованного теплоснабжения к системам теплохладоснабжения при помощи ТНУ в России будет практически невозможен, пока на рынке не появятся малозатратные технологические решения, адаптированные под российские отопительные системы и доступные широкому кругу потребителей. Малозатратные технологические решения позволят потребителям не только получить значительную экономию энергоресурсов, но и дадут возможность ознакомиться со всеми преимуществами высокотехнологичных энергосберегающих решений, а также подтолкнут отечественных исследователей к развитию данной отрасли.

С этой точки зрения, перспективным направлением внедрения ТНУ, при условии минимальных капитальных затрат, может стать компенсация нагрузки горячего водоснабжения (ГВС) в неотопительный период. Стоит отметить, что суммарная нагрузка ГВС, при различных условиях, может превышать 20% от общего расчетного количества потребляемой тепловой энергии. При этом учитывая потери тепла из-за низкой скорости теплоносителя в теплосетях после перехода на летний режим работы, а также низкое качество тепловой изоляции, гидравлическую разлаженность теплотрасс и использование тупиковых схем горячего водоснабжения данное количество теплоты увеличивается на треть, приводя к перерасходу топлива на станциях [3-5]. В таких условиях покрытие тепловой нагрузки ГВС с помощью ТНУ позволит сберечь колоссальное количество энергетических ресурсов уже на ранних стадиях внедрения. В связи с этим, Забайкальский государственный университет предлагает принципиально новый способ теплохладоснабжения на базе ТНУ типа «вода-вода».

Способ теплохладоснабжения на базе водяного ТНУ

С целью минимизации капитальных затрат на внедрение разработан способ перехода систем ГВС, в летний период времени, на источник тепла, доступ к которому не требует значительной реконструкции исходной схемы теплоснабжения, и реализуем для любого потребителя имеющего систему отопления.

Источником тепла в данном способе выступает замкнутый контур системы отопления здания, который не функционирует в летний период.

Рис. 1 система горячего водоснабжения здания: 1 - подающий трубопровод, 2 - обратный трубопровод, 3 - трубопровод воды идущей на горячее водоснабжение, 4 - конденсатор теплонасосной установки, 5 - испаритель теплонасосной установки, 6 - теплообменник горячего водоснабжения, 7, 8, 9 - запорная арматура, 10 -циркуляционный насос, 11 - отопительный прибор, 12 - трехходовой клапан

Технологическое решение реализуется следующим образом (рис. 1). В неотопительный период, когда система отопления и ГВС здания переводится на режим ГВС, закрывается запорная арматура 8 и открывается арматура 9, тем самым создавая закрытый контур циркуляции внутри системы отопления здания изолированный от внешних тепловых сетей. В закрытом контуре теплоноситель, при помощи циркуляционного насоса, подается в систему отопления. Проходя отопительные приборы, теплоноситель забирает избыточное тепло помещений, тем самым реализуя хладоснабжение здания, после чего поступает в испаритель ТНУ, где охлаждается, передавая собранное тепло хладагенту, циркулирующему в контуре ТНУ. Тепло, полученное хладагентом, отдается в конденсаторе ТНУ, в который, в качестве нагреваемой среды, подается вода, идущая на ГВС, нагрев осуществляется до температуры не менее 60 °С, после чего вода подается потребителю.

Одновременно с закрытием арматуры 8 производится закрытие арматуры 7 и трехходового клапана, что приводит к остановке циркуляции в подающем и обратном трубопроводах абонентского ввода здания, это полностью исключает тепловые потери от трубопроводов абонентского ввода.

Способ позволяет получить высокие значения коэффициента преобразования, которые свойственны водяным ТНУ, при компактности, автономности и минимальных затратах на внедрение. Также, отличительной особенностью данного способа является утилизация избыточного тепла помещений, реализуя принцип теплохладоснабжения, который свойственен дорогостоящим зарубежным проектам комплексного энергоснабжения.

Экономическая эффективность.

Опытная реализация вышеизложенного способа производилась на основе системы отопления корпуса энергетического факультета Забайкальского государственного университета (корпус «Э») с среднесуточным расходом тепла на ГВС 0,023 Гкал/час.

Для того чтобы оценить возможность реализации изложенного способа для здания производилось предварительное моделирование изменения основных характеристик здания при установке ТНУ в систему теплоснабжения, при условии полной и стабильной компенсации нагрузки ГВС.

В качестве основной характеристики здания, которая является критичной для работы ТНУ по предложенному способу, принималась температура внутреннего воздуха в помещениях. Поскольку основной особенностью способа является утилизация избыточного тепла помещений, то работа ТНУ приведет к снижению температуры внутреннего воздуха, которую, в свою очередь, нельзя опустить ниже определенного минимума установленного санитарными нормами. При этом избыточное тепло в помещениях формируется от внешних тепловых возмущений со стороны окружающей среды, и внутренних возмущений со стороны аккумулирующей способности самого здания.

На основе предварительного моделирования было определено, что стабильная компенсация нагрузки ГВС возможна при относительно малой разности температур наружного и внутреннего воздуха, которая должна составлять минимум 5 °С, а при увеличении температуры наружного воздуха избыточное тепло будет аккумулироваться в здании. Также необходимо отметить, что корпус «Э» является административным зданием с объемной отопительной системой, рассчитанной на нагрузку 0,573 Гкал/час, что позволит не останавливать ТНУ в часы пониженных температур наружного воздуха во время переходного периода (сентябрь, май), используя при этом избыток аккумулированного тепла из системы без критического захолаживания здания.

При реализации способа, для сокращения общего электропотребления и сохранения высоких показателей коэффициента преобразования, ТНУ была дополнительно снабжена собственным циркуляционным насосом относительно малой мощности, который поддерживает циркуляцию теплоносителя в системе отопления только для нужд ТНУ.

В ходе исследования работы системы сопоставлялись затраты на теплопотребление корпусом «Э» при стандартной схеме ГВС, когда подогрев воды, идущей на ГВС, осуществляется в теплообменнике за счет теплоносителя, который подается из магистральных теплосетей при нефункционирующей системе отопления, и затраты на привод компрессора ТНУ и привод циркуляционного насоса при модернизированной схеме.

Согласно выполненным исследованиям затраты при использовании стандартной схемы по меньшей мере в 3 раза превышают затраты при использовании ТНУ, в связи с чем, капитальные затраты на модернизацию системы отопления окупаются за 2 года, с последующей экономией около 150 тыс. руб. в год.

Таким образом, переход от стандартной схемы ГВС к схеме с использованием ТНУ позволит не только выгодно компенсировать нагрузку ГВС, но и избежать значительных тепловых потерь благодаря полной независимости схемы от централизованного источника тепла, а также позволит потребителям ознакомиться со всеми преимуществами высокотехнологичных способов энергосбережения, при относительно малых капитальных затратах.

Список литературы

1. Берзан В.П. Аспекты проблемы стимулирования внедрения тепловых насосов / В.П. Берзан, С.Г. Робу, М.Л. Шит // Проблемы региональной энергетики. 2011. № 1. С. 91-94.

2. Кобылкин М.В. Перспективное направление внедрения тепловых насосов / М.В. Кобылкин, С.Г. Батухтин, К.А. Кубряков // Международный научно-исследовательский журнал. 2014. № 5-1 (24). С. 74-75.

3. Батухтин А.Г. Методы повышения эффективности функционирования современных систем транспортировки, распределения и потребления тепловой энергии / А.Г. Батухтин, М.С. Басс, С.Г. Батухтин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. №2. С. 199-202.

4. Петин В.В. Современные технологии использования электрической энергии в системах централизованного теплоснабжения / В.В. Петин, А.Г. Батухтин, А.В. Калугин, П.Г. Сафронов. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2010. №4. С. 32-38.

5. Сафронов П.Г. Использование теплового насоса в тепловых схемах тепловых электростанций / П.Г. Сафронов, А.Г. Батухтин, С.А. Иванов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. №2. С. 202-204.

Размещено на Allbest.ru