Условия эффективного использования тепловых насосов в России

Примерно такая же пропорция (различие) наблюдается в объемах теплоты выделяющейся при превращении 1 м³ воды в лед и при остывании 1 м³ рассола пруда. Так 1 м³ воды котлована при замерзании выделяет 334 МДж теплоты, а 1 м³ 17 % раствора поваренной соли (плотность -- 1,12 т/м³, теплоемкость -- 3,5 кДж/(кг•?С)) придонного слоя пруда, при остывании на 10 ?С, выделяет всего 39,2 МДж теплоты, т.е. в 8,5 раз меньше. Расхождения в пропорциональности могут быть нивелированы за счет объема воды в котловане, превышающем объем рассола в пруду.

Если использовать в качестве хладагента фреон R134а (температура кипения при давлении 760 мм ртутного ст. минус 26,5 ?С), то следует отметить следующее; испарение 1 кг R134а при минус 5 ?С и давлении 2,43 кгс/см² требует 200,9 кДж теплоты, а для перегрева 1 кг его пара, при давлении 2,43 кгс/см², с - 5 до +30 ?С требуется 22,6 кДж теплоты (в 8,9 раза меньше).

Следовательно, при интенсивном отборе теплоты из котлована, и грунтовых аккумуляторов придонный рассол пруда; будет остывать медленно (дольше оставаться теплым), а значит, значительный перегрев пара хладагента перед компрессом в предложенной системе теплоснабжения может быть осуществлен до января-февраля. Синхронизации этого будет способствовать тот факт, что тепловые потоки при испарении хладагента на порядок выше, чем при перегреве пара хладагента, при прочих равных условиях.

Если проанализировать эффективность отдельных процессов, происходящих в ТН_ТП (по схеме рисунка 4), то можно утверждать, что более глубокое охлаждение конденсата хладагента в ОК, связанное с противоточным подогревом поступающего в здание даже подогретого зимнего воздуха или холодной воды однозначно увеличивает энергетическую эффективность ТН_ТП в целом. Процесс же перегрева 6-1 сопровождается увеличением работы сжатия перегретого пара в компрессоре.

Решим задачу по определению, в первом приближении, отношения; разности энтальпий перегретого пара в точках 2₁ и 2₆, полученную в результате использования для сжатия перегретого пара (точка 1) и пара насыщенного (точка 6), к величине увеличения работы сжатия из-за переноса её начала из точки 6 в точку 1. Для этого воспользуемся методикой расчета (примером 2.5) из книги [14].

Исходные данные:

Внутренний адиабатный КПД компрессора равен = 0,8;

По Т, s-диаграмме хладона Ф-12 находим параметры рабочего тела в точках:

Точка 6, насыщенный пар: температура 0 ?С; давление 3 кгс/см²; h₆ = 574 кДж/кг;

Точка 1, перегретый пар: температура + 20 ?С; давление 3 кгс/см²; h₁ = 586 кДж/кг;

Точка 2₆, сжатый до 10 кгс/см² пар: температура 48 ?С; h'₂₆ = 596 кДж/кг;

Точка 2₁, сжатый до 10 кгс/см² пар: температура 68 ?С; h'₂₁ = 610,5 кДж/кг;

Ход расчета

Энтальпия фреона в точке 2₁,на выходе из компрессора

h₂₁ = h₁ + (L₁/) = 586 + (610,5 - 586)/0,8 = 616,6 кДж/кг

Энтальпия фреона в точке 2₆, на выходе из компрессора

h₂₆ = h₆ + (L₆/) = 574 + (596 - 574)/0,8 = 601,5 кДж/кг

Удельная внутренняя работа компрессора для точек 1-2₁

L^в₁ = h₂₁ - h₁ = 616,6 - 586 = 30,6 кДж/кг

Удельная внутренняя работа компрессора для точек 6-2₆

L^в₆ = h₂₁₆- h₆ = 601,5 - 574 = 27,5 кДж/кг

Искомое отношение (h₂₁ - h₂₆)/(L^в₁ - L^в₆) равно (616,6 - 601,5)/(30,6 - 27,5) = 4,87.

Следовательно, если для повышения энтальпии хладона (Ф-12) и его температуры на выходе из компрессора использовать перегрев пара перед компрессором, то дополнительная затрата работы будет в разы меньше приращения энтальпии после сжатия.

В данной системе теплоснабжения наряду с грунтовыми источниками низкопотенциальной теплоты, используемыми для испарения хладагента и перегрева его пара используются вода, лед и раствор соли, которые имеют более высокие теплофизические свойства, по сравнению с грунтами. Удельная теплоёмкость: воды составляет -- 4,19 кДж/(кг•?С); льда -- 2,26 кДж/(кг•?С); раствора поваренной соли около 3,5 кДж/(кг•?С). Теплопередача в воде и растворе соли осуществляется за счет конвекции. Коэффициент теплопроводности льда -- 2,2 Вт/(м•?С), осадка поваренной соли -- 3,6 Вт/(м•?С). А для сухих грунтов он составляет -- 0,55; для маловлажных грунтов -- 1,1; грунтов средней влажности -- 1,7; для сильновлажных грунтов -- 2,3 Вт/(м•?С).

Кроме того, за счет повышения давления перед компрессором, можно организовать испарение хладагента непосредственно в той части испарителя, которая расположена в солнечном соляном пруду. Когда температура в пруду составляет, например, + 20 - 40 ?С. Конечно, хладагент в этом случае должен быть направлен в обход котлована (на рисунке 4 показано пунктирной линией), что оправдано, когда вся вода в котловане замерзла. Однако, использование источника теплоты; малой общей теплоемкостью и относительно высокой температуры, как остывающий рассол солнечного соляного пруда, не может в большинстве случаев стать энергетически равнозначным использованию даже только одного источника с большей общей теплоемкостью и с более низкой температурой. Постоянное использование только теплоты пруда для работы ТН_ТП наиболее оправдано, когда в него есть поступление теплоты извне, будь то осенняя или весенняя солнечная энергии, или любая другая.

Осенью, недостаточно нагретая вода в котловане может быть заменена более теплой, если такая имеется. Или, она может быть нагрета до 15 - 25 ?С в период «бабьего лета», за счет циркуляции воды котлована через плоский солнечный коллектор. Это обеспечит на время работу системы с более высоким коэффициентом трансформации теплоты, и в конечном итоге уменьшит расход топлива на привод компрессора в течение зимы. Нагрев воды котлована, например, объемом в 100 м³ на 10 ?С позволяет аккумулировать более 3,9 ГДж тепловой энергии для зимнего периода.

Второй важный момент, -- это два контура испарения у ТН_ТП. Избирательная работа контуров испарения -- в зависимости от температуры уличного воздуха позволяет использовать теплый воздух, например, в оттепели, экономя теплоту котлована для морозных периодов. Это в конечном итоге приводит к уменьшению объема котлована.

Третий не менее важный момент, -- это то, что для привода компрессора не используется электроэнергия. Известно, что 97 % стоимости жизненного цикла электродвигателя расходуется, на электроэнергию и лишь 3 % составляет его покупная цена. Около ? общего количества электрической энергии в мире расходуют электродвигатели.

В последнее время (до экономического кризиса) особенно в энергодефицитных районах, был усилен контроль над исполнением Инструкции о порядке согласования применения электрокотлов и других электронагревательных приборов (утв. Минтопэнерго РФ 24 ноября 1992 г.).

В п. 5.1 данной Инструкции отмечено, что применение электроэнергии для отопления и горячего водоснабжения может рассматриваться только при условии включения электронагревательных приборов в ночное время, оснащения их аккумуляторами тепла и автоматикой, исключающей работу в дневные часы. В примечании к п. 5.2.1 также сказано, что технико-экономическое обоснование должно подтверждать экономию первичного топлива в случае применения электроотопления. Надо быть готовым к тому, что не будет исключением возврат к данной практике и после окончания кризиса.

Кроме того для привода компрессора используется паропоршневой двигатель (водомёт) у которого роль поршня выполняет рабочая жидкость. А как известно, паровые машины малой мощности превосходят по своим характеристикам паротурбинные.

Четвертый и пятый, самые важные моменты.

По данной технологии основной «поставщик» низкопотепнциальной энергии на отопление - это замерзающая вода. Так, при разовом промерзании котлована глубиной 2 м, количество выделяемой энергии фазового перехода составляет 668 ТДж?кмІ. Если эту энергию равномерно использовать ТН в течение 150 суток на отопление, то установленная мощность «водяной топки» будет равна 51,5 МВт?кмІ.

Это сопоставимо с плотностью энергии залежей угля в районах его добычи -- 30 МВт?кмІ, при этом коэффициент извлечения угля всего ? 25 %

Конечно, эти энергии различного потенциала и озвученные цифры должны быть приведены к одному знаменателю. При этом надо учитывать, что к потребителю; в виде теплоты «доходит» ?? - ??? часть энергии залежей угля, а при использовании энергии воды, возобновляемого источника, по предлагаемой технологии будет «доходить» ???? - ???? теплоты фазового перехода. Средняя плотность искусственной энергии, обусловленная хозяйственной деятельностью, равна всего 0,02 МВт?кмІ, т.е. в 10000 раз меньше плотности солнечной энергии (200 МВт?кмІ). И только в отдельных местах земного шара этот показатель выше: в Японии - 2 МВт?кмІ, в Рурском районе ФРГ - 20 МВт?кмІ.

При удалении из помещения воздуха с температурой + 20 ?С и относительной влажностью 60 % конденсация паров воды в воздуховоде котлована будет начинаться уже при + 12 ?С (точка росы + 12 ?С). И при дальнейшем охлаждении, например, до 0 ?С будет конденсироваться непрерывно. Чем глубже охлаждение, тем больше конденсируется паров воды, тем глубже его осушение. Следовательно, при охлаждении воздуха в воздуховоде, котлован будет аккумулировать теплоту, как за счет охлаждения воздуха, так и за счет конденсации паров воды.

Шестое -- источники теплоты (котлован с водой и солнечный соляной пруд) расположены рядом. При этом расположенный между ними грунт -- это по существу аккумулятор, который постоянно пополняется энергией, теряемой зданием через пол вниз.

Для данной системы теплоснабжения коэффициент использования установленной мощности (К_ИУМ) близок к 100 %, т.к. летом пруд и котлован используются для выработки холода.

Такой К_ИУМ предложенной системы холодотеплоснабжения намного выше в сравнении с К_ИУМ ТЭЦ, особенно летом, когда потребность в теплоте минимальна, не говоря уже об обычных котельных. Зимой ночью К_ИУМ ТЭЦ также не высокий, поскольку потребность в электроэнергии меньше, чем днем.

Конкурентоспособность энергогенерирующего предприятия (производства) в целом, как и машиностроительного предприятия [15], представляет собой среднеарифметическое, или средневзвешенное, число конкурентоспособности отдельных видов энергии выпускаемых предприятием:

где - конкурентоспособность предприятия (производства) относительно конкурентов; - относительная конкурентоспособность -й продукции предприятия к продукции первого конкурента; - количество конкурентов по -й продукции; - относительная конкурентоспособность -й продукции предприятия к продукции первого конкурента; - количество конкурентов по -й продукции; - относительная конкурентоспособность -й продукции предприятия к продукции первого конкурента; - количество видов продукции на данном предприятии; - количество конкурентов.

Опираясь на это общее положение, рассмотрим работу системы холодотеплоснабжения, как обеспечивающей выработку холода и горячей воды в летний период и теплоты в зимний.

Экономическая эффективность предложенных систем напрямую зависит от показателя децентрализации потребителя энергии -- чем удаленнее потребитель от основных магистралей или чем он менее доступен, например, из-за болот, речек, оврагов и т.д., и чем меньше энергопотребление, тем более выгодно освоение системы холодотеплоснабжения.

Однако, сравнительную экономическую оценку теплоснабжения от сжигания дров и солнечной энергии, очень трудно привести к одному знаменателю. Ведь экономические потери от вырубки леса выражаются в уменьшении продуцирования кислорода, поглощения вредных газов, насыщения воздуха фитонцидами и т.д. Лес дает 40 % кислорода земной атмосферы, а океан 60 %. Охранно-защитные и рекреационные функции лесов, само собой, разумеется, являются не перевозимыми.

Может быть использовано много методик и показателей оценки эффективности использования ВИЭ в сферах производства, быта, отдыха и т.д. Экономическая эффективность систем генерирования энергии обычно складывается из социального, экономического и экологического эффектов, или из социально-эколого-экономической эффективности и она будет рассмотрена в других статьях.

При выборе архитектуры рассмотренной системы теплоснабжения (в частности, источников низкопотенциальной теплоты) и оценке её энергетической эффективности учитывались климатические условия Омской области, приведенные ниже (таблицы 10 - 17) из литературы [16].

Таблица 10. Средняя суточная амплитуда температуры воздуха (Омск, степная) при ясном, полуясном и пасмурном небе и вне зависимости от состояния неба (по характеристике нижней облачности)

Таблица 11. Суточный ход температуры воздуха в г. Омске

Таблица 12. Средняя месячная температура воздуха лесостепной зоны Омской области (при среднегодовой в г. Омске -- +0,3 ?С, Русской Поляне (Р. П.) -- +0,4 ?С)

Таблица 13. Дата первого и последнего заморозка и продолжительность безморозного периода

Таблица 14 - Средние даты наступления, прекращения и продолжительность устойчивых морозов

Таблица 15. Средняя месячная, максимальная и минимальная температуры (?С) поверхности почвы Русской Поляны (Почва -- чернозем)

Таблица 16. Средняя месячная и годовая температуры почвы (?С) по вытяжным термометрам

Таблица 17. Средняя, наибольшая и наименьшая глубина проникновения температуры 0 ?С в почву (см) (под естественным покровом)

Примечание. Глубины наблюдения: 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,2; 1,6 и 2,4 м. Нуль (0) обозначает, что температура 0 ?С в почве не достигает глубины самого близкого к поверхности термометра. Точка (*) обозначает, что в данном месяце более чем в 50 % лет температура 0 ?С в почве не достигает глубины самого близкого к поверхности термометра

Список литературы

1 Гашо Е.Г. Три порога энергоэффективности / Е.Г. Гашо // Энергия Экономика Техника Экология. 2009. № 3. С. 16 - 20.

2 Паршуков Н.П. Источники и системы теплоснабжения города / Н.П. Паршуков, В.М. Лебедев. Омск, Омская областная типография. 1999. 168 с.

3 Кузнецов П.А. Организационная надежность управления ресурсным обеспечением при переустройстве аварийных объектов /П.А. Кузнецов, С.П. Олейник, П.А. Захаров // Жилищное строительство. 2006. № 1. С. 5 - 6.

4 Гершкович В.Ф. Альтернативное теплоснабжение жилых домов Использование теплового потенциала речной воды на о Хортица / В.Ф. Гершкович // Энергосбережение. 2009. № 3. С. 28 - 33.

5 Накоряков В.Е. Оценка экологической эффективности теплоисточников малой мощности / В.Е. Накоряков, С.Л. Елистратов // Промышленная энергетика. 2009. № 2. С. 44 - 51.

6 Гертис К. Здания XXI века -- здания с нулевым потреблением энергии / К. Гертис // Оборудование Разработки Технологии. 2010. № 1 - 3. С. 45 - 46.

7 Горбунов А.В. Энергопассивные дома / А.В. Горбунов // Оборудование Разработки Технологии. 2010. № 1 - 3. С. 50 - 51.

8 Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки / Н.В. Харченко. М:, Энергоиздат, 1991. с.208.

9 Ефимов С.С. Фазовый состав сорбционной влаги при отрицательных температурах / С.С. Ефимов // В кн.: Математическое моделирование и экспериментальное исследование процесса тепло-массопереноса. Якутск, изд. Якутского филиала СО АН СССР, 1979, С. 97 - 99.

10 Васильев Г.П. Применение ГТСТ в России / Г.П. Васильев // Энергия Экономика Техника Экология. 2009. № 7. С. 22 - 29.

11 Мааке В. Учебник по холодильной технике / В. Мааке, Г.-Ю. Эккерт, Ж.-Л. Кошпен. М.: Издательство Московского университета. 1998. 1142 с.

12 Методические вопросы развития энергетики сельских районов / Х.З. Барабанер, В.М. Никитин, Т.И. Клокова и др. Иркутск, СЭИ, 1989. 260 с.

13 Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г.Б. Осадчий. Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.

14 Мартынов А.В. Установки для трансформации тепла и охлаждения / А.В. Мартынов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 200 с. 146.

15 Воронов А.А. К оценке уровня конкурентоспособности машиностроительных предприятий / А.А. Воронов // Машиностроитель. 2000. № 12. С. 27 - 29. 147.

16 Справочник по климату СССР выпуск 17, часть II. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. 276 с.

Размещено на Allbest.ru