Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федераций

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Воронежский государственный технический университет

Факультет инженерных систем и сооружений

Кафедра теплогазоснабжения и нефтегазового дела

Курсовая работа

на тему: «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»

Группа: 3611Б

Выполнил: Муравлева Л.Г.

Проверил: доц. Чудинов Д.М.

Воронеж 2017

ВВЕДЕНИЕ

Нетрадиционными источниками энергии являются солнце, ветер, океанические приливы, тепло земных глубин. Эти варианты получения энергии как дополнительной используются в последнее время всё чаще. Многие учёные убеждены, что к 2030--2050 гг. нетрадиционные (возобновляемые) источники энергии будут основными, а традиционные потеряют своё значение.

Использование энергии ветра. Человечество научилось использовать энергию ветра на ранней стадии своего развития. Ветряные электростанции производят электроэнергию только тогда, когда дует достаточно сильный ветер. Современный ветряк -- сложное устройство. В нём запрограммирована работа в двух режимах -- слабого и сильного ветра и остановка двигателя, если ветер станет очень сильным. Недостатком ветряных двигателей являются шумы, которые производят лопасти пропеллера во время вращения. Если ветряк мощный, то шумовое загрязнение делает опасным длительное пребывание людей в зоне работы установки. Наиболее оправданы небольшие ветряки для обеспечения дешевой и экологически безопасной электроэнергией отдельных ферм, дачных участков.

Недостатки: Прежде всего, ветроустановки неблагоприятно влияют на работу телевизионной сети. Другая особенность ветровых установок проявилась в том, что они оказались источником достаточно интенсивного инфразвукового шума, неблагоприятно действующего на человеческий организм, вызывающего постоянное угнетенное состояние, сильное беспричинное беспокойство и жизненный дискомфорт.

Достоинства: Отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, потребления кислорода, выбросов углекислого газа и т. д. Возможность преобразования в различные виды энергии (механическую, тепловую, электрическую). Непредсказуемые изменения скорости ветра в течение суток и сезона.

Приливные электростанции (ПЭС). Для выработки электроэнергии электростанции такого типа используют энергию прилива. Для устройства простейшей приливной электростанции нужен бассейн, перекрытый плотиной залив или устье реки. В плотине имеются водопропускные отверстия и установлены гидротурбины, которые вращают генератор. По принципу действия гидравлические турбины подразделяются на активные и реактивные; по конструкции -- на вертикальные и горизонтальные. Мощность гидрогенераторов от нескольких десятков до нескольких сотен МВт. Во время прилива вода поступает в бассейн. Когда уровни воды в бассейне и море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, и когда напор становится достаточным, турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейнапостепенно уходит.

Недостатки: Они нарушают нормальный обмен соленой и пресной воды и тем самым -- условия жизни морской флоры и фауны. Влияют они и на климат, поскольку меняют энергетический потенциал морских вод, их скорость и территорию перемещения. Морские теплостанции, построенные на перепаде температур морской воды, способствуют выделению большого количества углекислоты, нагреву и снижению давления глубинных вод и остыванию поверхностных. А процессы эти не могут не сказаться на климате, флоре и фауне региона.

Достоинства: Преимуществами ПЭС является экологичность и низкая себестоимость производства энергии. Не загрязняет атмосферу. Дешёвая и возобновляемая энергия. Сокращает уровень добычи, транспортировки и сжигания органического топлива.

Использование геотермальных источников. В этом случае подразумевается использование тепла земных глубин (глубинных горячих источников). Это тепло можно использовать практически в любом районе, но затраты окупаются только там, где горячие воды приближены к поверхности земной коры. Источники геотермальной энергии могут быть двух типов. Первый тип -- это подземные бассейны естественных теплоносителей -- горячей воды (гидротермальные источники), или пара (паротермальные источники), или пароводяной смеси. По существу, это непосредственно готовые к использованию «подземные котлы», откуда воду или пар можно добыть с помощью обычных буровых скважин. Второй тип -- это тепло горячих горных пород. Это даёт возможность получить пар или перегретую воду для дальнейшего использования в энергетических целях.

Недостатки: Главная проблема заключается в необходимости обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности, так как эти вещества оказывают губительное действие на всё живое на земле.

Достоинства: Во-первых, их запасы практически неисчерпаемы. Во-вторых, геотермальная энергия довольно широко распространена. Концентрация её связана в основном с поясами активной сейсмической и вулканической деятельности, которые занимают 1/10 площади Земли. А это не так уж и мало.

Солнечная энергия - кинетическая энергия излучения, образующаяся в результате реакций в недрах Солнца. Поскольку ее запасы практически неистощимы, ее относят к возобновляемым энергоресурсам. Подсчитано, что небольшого процента солнечной энергии вполне достаточно для обеспечения нужд транспорта, промышленности и нашего быта не только сейчас, но и в обозримом будущем. Более того, независимо от того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится.

Однако солнечная энергия падает на всю поверхность Земли, нигде не достигая особой интенсивности. Потому ее нужно уловить на сравнительно большой площади, сконцентрировать и превратить в такую форму, которую можно использовать для промышленных, бытовых и транспортных нужд. Кроме того, надо уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение и ночью, и в пасмурные дни. Перечисленные трудности и затраты, необходимые для их преодоления, привели к мнению о непрактичности этого энергоресурса, по крайней мере сегодня. Однако во многих случаях проблема преувеличивается. Главное - использовать солнечную энергию так, чтобы ее стоимость была минимальна или вообще равнялась нулю. По мере совершенствования технологий и удорожания традиционных энергоресурсов эта энергия будет находить все новые области применения.

Примером устройства, которое способно превращать солнечную энергию в тепло, является солнечный коллектор- отзывы о нем доказывают эффективность системы. После того, как энергия, полученная от солнца, превращается в тепловую энергию, она передается теплоносителю. Все это делает возможным использование солнца для обогрева помещения, подогрева воды, а также подогрева бассейнов и прочих конструкций.

В качестве сердца термических солнечных установок выступает коллектор. Наиболее распространена его плоская форма. Состоит коллектор из покрытого избирательного абсорбера, который в свою очередь поглощает солнечные лучи, трансформируя их в тепловую энергию. Для того чтобы свести к минимуму термические потери, такой коллектор помещается в термоизолированный ящик с прозрачными стенками. Теплоноситель, роль которого в основном выполняет смесь воды и антифриза, протекает через абсорбер. Циркуляция производится между резервуаром с горячей водой и коллектором. Запуск в действие термической солнечной установки производится посредством специального регулятора. Когда в коллекторе температура превышает температуру жидкости в резервуаре, включается насос, и теплоноситель переносит тепловую энергию в резервуар из коллектора.

Чаще всего абсорберы создают из большого количества металлических пластинок. Теплоноситель передается по трубкам к этим пластинкам, где и происходит процесс теплообмена. Если заводить речь о листовом абсорбере, то здесь два металлических листа сваривают между собой таким образом, чтобы между ними мог циркулировать теплоноситель. Обычно в таком случае в качестве исходного материала используют алюминий и медь.

Вообще конструкция солнечной установки, используемой для нагрева воды, является достаточно сложной. Сюда входят: датчики температуры в накопителе и коллекторе; подключение системы к холодной воде; расширительный бак; солнечный регулятор; циркуляционный насос; водосток горячих вод; датчики температуры для подогрева воды.

Конструкция плоского коллектора предполагает наличие абсорбера, корпуса, прозрачного покрытия и теплоизоляции. Для прозрачного покрытия чаще всего используют безосколочное стекло, обладающее высоким коэффициентом пропуска коротковолновых солнечных лучей. Одновременно с этим снижается отражение с поверхности стеклянного слоя. Также прозрачное покрытие коллектора способствует отводу тепла через процесс конвекции.

Таким образом, прозрачное покрытие вместе с корпусом способно защитить абсорбер от неблагоприятных погодных и природных условий.

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Заметим, что использование всего лишь 0,0125% количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти огромные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Одно из наиболее серьезных препятствий такой реализации - низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения относительно невелика. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» энергию, необходимую хотя бы для частичного удовлетворения потребностей населения, нужно разместить их на громадной территории.

Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты. Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в них жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам на изготовление коллекторов солнечного излучения идет довольно много алюминия.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовления гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки.

Пока еще электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, проводимые на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы широкого применения гелиоэнергии.

солнечный энергия тепловой насос

Исходные данные

1. Климатический район

г.Воронеж

2. Количество потребителей

m=1

3. Норма расхода ГВ на человека

а=105

4. Произведение

5. Произведение

=0,57

6. Поправочный коэффициент, учитывающий влияние теплообменника

=0,96

7. Альбедо поверхности

=0,2

1. РАСЧЕТ ДОЛИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ, ОБЕСПЕЧИВАЕМОЙ ЗАСЧЕТ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

1. Средний тепловой поток на горячее водоснабжение в зимний период определяется по следующей расчетной формуле:

где: 1,2 - коэффициент, учитывающий теплопотери трубопроводами системы ГВ;

с - удельная массовая теплопроводность воды;

m - количество потребителей;

а - норма расхода ГВ на одного человека в сутки;

- температура холодной воды в зимний отопительный период;

24 и 3,6 - переводные коэффициенты.

2. Средний тепловой поток на горячее водоснабжение в летний период определяется по следующей расчетной формуле:

- средний тепловой поток в зимний период;

- температура холодной воды в летний отопительный период;

- коэффициент, учитывающий изменение величины теплового потока в летний период по отношению к зимнему периоду.

=196 Вт

3. Полная месячная тепловая нагрузка на ГВ определяется по следующей формуле:

где: - количество дней в месяце;

- зависит от месяца.

4. Годовая тепловая нагрузка на ГВ определяется по следующей формуле:

5. Объем бака аккумулятора определяется по следующей формуле:

6. Площадь солнечных коллекторов определяется по следующей формуле:

6а. Количество солнечных коллекторов определяется по формуле:

7. Угол наклона солнечного коллектора равен географической широте.

Для города Воронежа угол наклона СК

7а. Азимут солнечного коллектора z=0.

1.1 Определение безразмерного комплекса Q1

8. Безразмерный комплекс определяется по следующей расчетной формуле:



где: - площадь солнечного коллектора;

- коэффициент отвода теплоты;

- полный коэффициент потерь коллектора, ;

- эффективный коэффициент отвода теплоты;

-среднемесячная температура наружного воздуха,

(принимается по СП СНИП строительной климатологии);

- количество секунд в месяце;

- полная месячная тепловая нагрузка.

9. При вместимости бака аккумулятора, отличной от 75 необходимо учесть поправку, которая определяется по формуле:

10. Для систем ГВ значение необходимо умножить на поправочный коэффициент, который определяется по следующей формуле:

где: - температура горячей воды ( принимается 55

- температура холодной воды (в зимний период 5



11. Среднемесячный дневной приход суммарной солнечной энергии на наклонную поверхность определяется по формуле:

где - среднемесячный дневной приход суммарной солнечной энергии на горизонтальную поверхность; - отношение среднемесячного дневного прихода суммарной солнечной энергии на наклонную и горизонтальную плоскость.

12. Среднемесячный дневной приход суммарного излучения на горизонтальную поверхность определяется по уравнениям таблицы П.1.1 с учётом поправочного коэффициента , определяемого по таблице П.1.2

- географическая широта;

 - поправочный коэффициент ослабления валового потенциала солнечной энергии.

13. Отношение среднемесячных дневных приходов суммарного излучения на наклонную и горизонтальную поверхность определяется по следующей формуле:

где: - среднемесячный дневной приход диффузного излучения на горизонтальную поверхность, ;

- отношение среднемесячных приходов прямого излучения на наклонную и горизонтальные поверхности;

- угол наклона коллектора к горизонту;

- отражающая способность земли.

14. Отношение приходов диффузного излучения к суммарному излучению определяется для каждого месяца по следующей формуле:

где - показатель снижения солнечного излучения атмосферы земли.

15. Показатель снижения солнечного излучения атмосферы земли определяется по следующей формуле:



где - среднемесячный дневной приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность за пределами земной атмосферы, определяется по таблице П.1.3.

16. Среднемесячный дневной приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность за пределами земной атмосферы определяется по таблице П.1.3.

при:

17. Отношение среднемесячных приходов прямого излучения на наклонную и горизонтальную поверхность может быть определено по номограмме (рис. 1) в зависимости от широты местности и угла наклона коллектора к горизонту S.

17. Отношение может быть определено по следующей формуле:

где , , - среднемесячные значения приведенной поглащательной способности по отношению к прямому, диффузному и отраженному от земли излучению.

Отношения , можно рассчитать таким же образом, как и для прямого излучения.

Отношение равно произведению значений и , соответствующих углу падения прямого излучения, который может быть определен по номограмме в зависимости от разностей углов .

Средний угол падения диффузного излучения можно принять равным 60⁰. Для отраженного от земли излучения средний угол падения принимается так же 60⁰.

Значения и для прямого, диффузного и отраженного от земли излучений в зависимости от угла падения для коллектора с одним, двумя и тремя листами стекла, для матово-чёрной поглощающей поверхности могут быть определены по графикам (рис. 2).



1.2 Определение безразмерногокомплексаQ2

19. Безразмерный комплекс определяется по следующей формуле:

1.3 Определение коэффициента замещения

20. Коэффициент замещения определяется по формуле:

21. Месячное количество солнечной теплоты (месячная теплопроизводительность солнечной установки) определяется умножением коэффициента замещения на полную месячную нагрузку.



22.Доля годовой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии, равна отношению годового количества солнечного тепла к годовой тепловой нагрузке.

График полной месячной тепловой нагрузки на горячее водоснабжение и месячной теплопроизводительности солнечной установки,Дж.

2. ТЕПЛОВые НАСОСы

Тепловой насос представляет собой парокомпрессионную установку, которая переносит тепло от холодных, низкопотенциальных источников тепла к горячим, высокопотенциальным. Тепло передается за счет конденсации и испарения хладагента, в качестве которого чаще всего используется фреон, циркулирующий по замкнутому контуру. Электроэнергия, от которой работает тепловой насос, тратится только на эту принудительную циркуляцию.

Принцип работы теплового насоса основан на так называемом цикле Карно, который прекрасно знаком вам по работе холодильных установок.

Как работает тепловой насос.

Любой тепловой насос состоит из испарителя, конденсатора, расширителя, понижающего давление, и компрессора, который давление повышает. Все эти устройства соединены в один замкнутый контур трубопроводом. По трубам циркулирует хладагент, инертный газ с очень низкой температурой кипения, поэтому в одной части контура, холодной, он представляет собой жидкость, а во второй, теплой, он переходит в газообразное состояние. Точка кипения, как известно из физики, может меняться в зависимости от давления, вот зачем нужны в этой системе расширитель и компрессор.

Предположим, что снаружи теплоноситель циркулирует по трубам, уложенным в земле, поскольку он имеет низкую температуру, то проходя по ним, он нагревается, даже когда внешняя температура составляет всего около 4-5оС. Поступая в испаритель, который выполняет функцию теплообменника, теплоноситель отдает полученное тепло во внутренний контур системы, который заполнен хладагентом. Даже этого тепла достаточно, чтобы хладагент перешел из жидкого в газообразное состояние.

Двигаясь дальше, газ перемещается в компрессор, где под действием высокого давления сжимается, а его температура при этом повышается. Став горячим, газ поступает в конденсатор, который также является теплообменником. В нем происходит передача тепла от горячего газа к теплоносителю обратного трубопровода, входящего в отопительную систему дома. Отдав тепло, газ охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, в то время, как нагретый теплоноситель поступает в систему горячего водоснабжения и отопления. Проходя через редукционный клапан расширителя, сжиженный газ снова попадает в испаритель - цикл замыкается.

Очень сложный на первый взгляд принцип работы тепловых насосов базируется на нескольких простых законах термодинамики и свойствах жидкостей и газов:

1. Когда газ переходит в жидкое состояние (конденсация), выделяется тепло

2. Когда жидкость переходит в газ (испарение), поглощается тепло

Большинство жидкостей могут закипать при достаточно высоких температурах, близких к 100 градусам. Но встречаются вещества и с достаточно низкими температурами кипения. У фреона она около 3-4 градусов. Превращаясь в газ, он легко сжимается и внутри емкости начинает расти температура.

Теоретически фреон можно сжимать до получения любых желаемых температур, но на практике ограничиваются 80-90 градусами, необходимыми для полноценной работы классической системы отопления.

Каждый сталкивается с тепловым насосом не один раз в день, когда проходит мимо холодильника. Однако в нем он работает в обратном направлении, забирая тепло продуктов и рассеивая в атмосферу.



Схема теплового насоса

Работоспособность большинства тепловых насосов базируется на тепле грунта, в котором на протяжении года температура практически не колеблется (в пределах 7-10 градусов). Тепло перемещается между тремя контурами:

1. Контур отопления

2. Тепловой насос

3. Рассольный (он же земляной) контур

Классический принцип работы тепловых насосов в отопительной системе состоит из следующих элементов:

1. Теплообменник, отдающий внутреннему контуру тепло, забираемое у земли; 2.Сжимающее устройство; 3.Второе теплообменное устройство, передающее отопительной системе энергию, получаемую во внутреннем контуре; 4. Механизм, понижающий давление в системе (дросселе); 5. Рассольный контур; 6. Земляной зонд

Труба, которая выполняет роль первичного контура, помещается в колодец или закапывается непосредственно в землю. По ней перемещается незамерзающий жидкий теплоноситель, температура которого повышается до аналогичной характеристики земли (около +8 градусов) и поступает во второй контур.

Вторичный контур забирает тепло у жидкости. Циркулирующий внутри фреон начинает закипать и преобразовываться в газ, который направляется в компрессор. Поршень сжимает его до 24-28 атм, благодаря чему происходит увеличение температуры до +70-80 градусов.

На данном рабочем этапе происходит концентрирование энергии в один небольшой сгусток. Благодаря этому увеличивается температура.

Разогретый газ поступает в третий контур, который представлен системами горячего водоснабжения или даже отопления дома. При передаче тепла возможны потери до 10-15 градусов, но они оказываются не существенны.

Когда фреон остывает, происходит уменьшение давления, и он вновь превращается в жидкое состояние. При температуре 2-3 градуса он поступает обратно во второй контур. Цикл повторяется снова и снова.

Основные виды.

Устроен принцип работы тепловых насосов так, чтоб они легко эксплуатировались без перебоев в широком диапазоне температур - от -30 до +40 градусов. Наибольшую популярность получили следующие два вида моделей:

· Абсорбционного типа

· Компрессионного типа

Абсорбционного типа модели имеют достаточно сложное устройство. Они передают полученную тепловую энергию непосредственно при помощи источника. Их эксплуатация значительно снижает материальные затраты на расходующиеся электричество и топливо. Компрессионного типа модели для переноса тепла потребляют энергию (механическую и электрическую).

В зависимости от применяемого теплового источника насосы подразделяются на следующие виды:

1. Перерабатывающие вторичное тепло - самые дорогостоящие модели, получившие популярность для обогрева объектов в промышленности, в которых вторичное тепло, вырабатываемое другими источниками, расходуется в никуда

2. Воздушные - забирающие тепло из окружающего воздуха

3. Геотермальные - выбирают тепло из воды или земли

По видам входного/выходного теплоносителя все модели можно классифицировать следующим образом - грунт, вода, воздух и их различные сочетания.

Геотермальные тепловые насосы

Популярными являются геотермальные модели насосов, которые подразделяются на два вида: замкнутого или открытого типа.

Простое устройство открытых систем позволяет нагревать проходящую внутри воду, которая в последствии вновь поступает в землю. Идеально она работает при наличии неограниченного объема чистого жидкого теплоносителя, который после потребления не наносят вред среде.

Замкнутые системы геотермальных тепловых насосов делят на следующие разновидности:

· Водный - коллектор располагается в водоеме на непромерзаемой глубине

· С вертикальным расположением - коллектор помещается в скважину на глубину до 200 м и применим в местностях с неровным ландшафтом

· С горизонтальным расположением - коллектор помещается в землю на глубину 0.5-1 м, очень важно обеспечить на ограниченной площади большой контур

Насос типа воздух-вода.

Одним из наиболее универсальных вариантов является модель «воздух-вода». В теплые периоды года она весьма эффективна, но зимой производительность может существенно падать.



Преимуществом системы является простой монтаж. Подходящее оборудование может монтироваться в любом удобном месте, например, на крыше. Тепло, которые в виде газа или дыма удаляется из помещения, может использоваться повторно.

Тип вода-вода.

Тепловой насос «вода-вода» один из самых эффективных. Но его использование может быть ограничено наличием поблизости водоема или недостаточной глубиной, на которой в зимний период не наблюдается существенного падения температуры.

Низко потенциальная энергия может выбираться из следующих источников:

· Грунтовые вода

· Водоемы открытого типа

· Сточные промышленные воды

Наиболее прост принцип работы тепловых насосов у моделей, отбирающих тепло в водоеме. Если принято решение использовать подземные воды, может потребоваться бурение колодца.

Тип грунт-вода.

Тепло из грунта можно получать на протяжении всего года, так как на глубинах от 1 м температура практически не меняется. В качестве носителя тепла используют «рассол» - незамерзающую жидкость, которая циркулирует по пластиковым трубам.



Один из недостатков системы «грунт-вода» - необходимость большой площади для достижения желаемой эффективности. Нивелировать его стараются укладкой труб кольцами.

Коллектор можно располагать в вертикальном положении, но потребуется скважина глубиной до 150 м. На дне монтируются зонты, отбирающие тепло грунта.

2.1 Плюсы и минусы отопительных систем с тепловым насосом

Тепловые насосы нашли широкое применение в системах отопления частной жилой площади или промышленных площадей. Они постепенно вытесняют более классические источники энергии благодаря надежности и экономичности.

Среди многочисленных преимуществ, которые предоставляет эксплуатация теплового насоса, выделяют:

· Экономия материальных средств на техническом обслуживании систем и теплоносителе

· Насосы работают полностью в автономном режиме

· В окружающую среду не выделяются вредные продукты горения и прочие токсичные вещества

· Пожаробезопасность монтируемого оборудования

· Возможность легко реверсировать работу системы

Несмотря на массу преимуществ, необходимо принять во внимание и отрицательные стороны эксплуатации теплового насоса:

· Большие первоначальные вложения на обустройства отопительной системы - от 150000 до 800000 рублей

· В холодные периоды, когда температура отпускается ниже -15 градусов, необходимо подумать об альтернативных вариантах отопления

· Отопление, основанное на работе теплового насоса, наиболее эффективно только в системах низкотемпературным теплоносителем

2.2 Условия применения тепловых насосов в России

Тепловой насос с грунтовым коллектором можно применять только в случае, если температура грунта на уровне прокладки коллектора не опускается ниже 0°С (то есть нет перехода грунта в мерзлое состояние (промерзание)), даже в зимний период времени. Так в 9 городах (Псков, Санкт-Петербург, Астрахань, Сочи, Салехард, Петропавловск-Камчатский, Владивосток, Красноярск, Екатеринбург) из 11 проанализированных есть возможность прокладывать горизонтальный грунтовый теплообменник на глубине 1,6 м, так как глубина промерзания почв расположена выше этой величины.

Россия - территория с наибольшим распространением вечной мерзлоты. В зоне многолетне-мерзлых грунтов находится более 60% территории страны; в основном это территория Средней и Восточной Сибири и северной части Дальнего Востока. На вечной мерзлоте стоят Магадан, Анадырь, Якутск, Мирный, Норильск, Игарка, Надым, Воркута, на границах с Читой также имеются острова вечной мерзлоты. Город Якутск расположен в районе вечной мерзлоты, грунт промерзает на достаточно большую глубину, что делает невозможным использование тепловой системы с горизонтальным коллектором в районах с вечной мерзлой и, в частности, в Якутске. Читинская область имеет часть территории в районе вечной мерзлоты, где глубина промерзания почвы превышает 3,2 метра, что делает также нецелесообразным применение установки с горизонтальным коллектором в Читинской области в качестве источника теплоты для обогрева помещении.

На Российском рынке представлены тепловые насосы зарубежных производителей, так как отечественный рынок теплонаносной техники только формируется. Наиболее дешевыми производителями ТН являются такие страны как Китай, Чехия и США. Тепловые установки, производимые в Германии и Швеции, являются наиболее дорогими. По проведенным расчетам, стоимость 1 кВт тепловой геотермальной установки у зарубежных производителей составляет 19 996 рублей, стоимость воздушной тепловой установки незначительно превышает данную сумму и составляет 20 505 рублей.

Результаты расчётов эффективности тепловых насосов.

Сравнение затрат на установку геотермальных и воздушных коллекторов с учетом затрат на транспортировку, монтаж и наладочные работы показывает, что тепловой насос с вертикальным расположением грунтового контура является наиболее дорогостоящим -- 102 279 руб. на 1 кВт мощности оборудования, далее следует тепловой насос с горизонтальным расположением грунтового контура -- 79 674 рублей. Наиболее дешевой является воздушная теплоустановка с 44 383 рублей за 1 кВт, так как в качестве источника теплоты используется наружный воздух и не требуются дополнительные затраты на раскопку траншей, поэтому стоимость ТН снижается и определяется только ценой самого насоса и монтажных работ.

Срок окупаемости (СО) ТН прямо пропорционален капитальным затратам на его установку и обратно пропорционален экономии денежных средств, которая равна затратам на отопление. Тарифы на тепловую энергию в городах России сильно отличаются, так цена 1 Гкал энергии в Санкт-Петербурге составляет 1050 руб., а в г. Петропавловск-Камчатский -- 3580 руб. (т.е тарифы разнятся в 3 раза).

Наименьший срок окупаемости по проведенным подсчетам просматривается в восточных регионах России, где затраты на централизованное теплоснабжение достаточно высоки. Минимальный срок окупаемости в Петропавловск-Камчатском для геотермального насоса с горизонтальным контуром составляет 7 лет, для тепловой установки с вертикальным коллектором - 9 лет, далее следуют Якутск (СОвер. = 13 лет)) и Красноярск (СОгор. = 15 лет, СОвер. = 22 года). Максимальный срок окупаемости тепловых установок в Санкт-Петербурге (СОгор. = 34 года, СОвер. = 47 лет) и Пскове (СОгор.= 33 года, СОвер. = 46 лет), Сочи (СОгор. = 31 год, СОвер. = 41 год).

Отопление с помощью воздушных тепловых насосов возможно только в двух городах из одиннадцати рассмотренных, а именно в Сочи и в Петропавловск-Камчатском, сроки окупаемости тепловых установок в этих городах составляют 10 лет и 2 года соответственно.

Срок службы теплового насоса ограничивается только сроком службы компрессора, как единственного устройства, содержащего движущиеся части, срок службы которых составляет 25 лет. По истечении этого срока компрессор должен быть заменен. Срок эксплуатации коллекторов достигает 50 лет. В таблице ниже представлены расчеты денежных затрат (ДЗ) на теплоснабжение в течение 25 лет с использованием различных источников тепловой энергии: централизованного теплоснабжения (ДЗЦТС); электрического, твердотопливного и дизельного котла (ДЗЭК, ДЗТТ, ДЗДТ), воздушного теплового насоса (ДЗТН.В), ТН с горизонтальным и вертикальным коллектором (ДЗТН.Г, ДЗТН.U).

У большинства из рассмотренных городов срок окупаемости тепловой установки меньше срока ее эксплуатации (25 лет). Это позволяет получить прибыль от 171 126 руб. (Астрахань, при использовании тепловой установки с горизонтальным коллектором) до 2 992 380 руб. (Петропавловск-Камчатский, при использовании воздушного теплового коллектора) за 25 лет использования ТН.

В климатических условиях Санкт-Петербурга и Пскова ни один из видов тепловых насосов не окупается. В данном случае следует рассмотреть варианты теплоснабжения с помощью других источников энергии. Из таблицы выше видно, что в Санкт-Петербурге тепловой насос с горизонтальным коллектором недоокупится на 285 653 руб. и на 720 706 руб. с вертикальным коллектором. При сравнении с другими источниками тепловой энергии получается, что использование ТН, даже если срок их окупаемости больше срока эксплуатации, является экономически выгоднее, так как затраты за 25 лет (недоокупаемость) при этом будут меньше затрат на теплоснабжение дома при использовании других установок за этот же период.

Результаты расчета эффективности применения тепловых насосов, выполненные с учетом температурных ограничений (температура наружного воздуха tн ? -20 °C и температура грунта tг > 0°C) и срока эксплуатации тепловых насосов (25 лет), показывают целесообразность и эффективность их применения на территории России.

Вывод

Узнав и освоив принцип работы теплового насоса, можно подумать и принять решение о целесообразности его установки и использования. Первоначальные затраты, которые могут показаться очень масштабными, в скором времени окупятся и начнут приносить своеобразную прибыль в виде экономии на классическом топливе.

Список литературы

1. Алексеев В.В. «Экология и экономика энергетики» М.: Знание, 1990. -64 с.

2. Алексеев В.В., Чекарев К.В. «Солнечная энергетика». - М.: Знание, 1991.-64 с,

3. Калашников Н.П. «Альтернативные источники энергии» М.: Знание 2008 г.

4. Кононов Ю.Д. «Энергетика и экономика. Проблемы перехода к новым источникам энергии». -- М.: Наука, 2009 г

5. СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»

6. Методические указания к выполнению практических расчетов и курсовых работ Воронежский ГАСУ: Д.М. Чудинов, Н.А. Петрикеева, Н.М. Попова, С.В. Чуйкин. - Воронеж, 2015. - 14 с.

Приложение

Таблица П.1.1

Таблица П.1.2 Среднемесячный дневной приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность за пределами земной атмосферы,

Средняя широта	Янв	Фев	Мар	Апр	Май	Июн	Июл	Авг	Сен	Окт	Ноя	Дек
25	23,9	28,2	33,0	37,1	39,4	40,1	39,6	37,9	34,4	29,5	24,9	22,7
30	21,1	25,7	31,3	36,5	39,6	40,7	40,1	37,6	33,1	27,3	22,1	19,7
35	18,8	23,1	29,3	35,5	39,6	41,2	40,3	37,0	31,5	24,9	19,2	16,7
40	15,1	20,3	27,2	34,3	39,3	41,4	40,3	36,2	29,7	22,3	16,3	13,6
45	12,0	17,5	24,8	32,8	3,88	41,3	40,0	35,1	27,7	19,6	13,3	10,6
50	9,0	14,5	22,3	31,2	38,1	41,2	39,6	33,8	25,4	16,7	10,3	7,6
55	6,1	11,5	19,5	29,3	37,2	40,9	39,1	32,4	23,0	13,8	7,3	4,8

Рисунок 1

Рисунок 2

Размещено на Allbest.ur

...