Аннотация
В этой статье рассматриваются проблемы энергосбережения и возможности применения тепловых насосов. Также рассмотрена принципиальная схема работы теплового насоса. В заключительной части статьи приведены сравнительные данные газовых котлов и тепловых насосов.
В настоящее время перед Казахстаном, как и перед всем миром, остро стоят две взаимосвязанные проблемы: экономия топливно-энергетических ресурсов и уменьшение загрязнения окружающей среды. В условиях истощения запасов органического топлива и резкого повышения затрат на освоение новых месторождений становится все более нерациональным сжигание угля, газа и нефтепродуктов в миллионах маломощных котельных и индивидуальных топочных агрегатах, вызывающее большое количество вредных выбросов в атмосферу и существенное ухудшение экологической обстановки в городах и мире [1].
Одним из эффективных путей экономии топливно-энергетических ресурсов является использование экологически чистых нетрадиционных возобновляемых источников энергии, и в первую очередь, солнечной энергии, аккумулированной в грунте, водоемах, воздухе. Однако периодичность действия и низкий температурный потенциал этих источников не позволяют использовать их энергию для отопления зданий непосредственно, без преобразования. В качестве преобразователей тепловой энергии от энергоносителя с низкой температурой к энергоносителю с более высокой температурой используются тепловые насосы. Тепловой насос представляет собой обращенную холодильную машину и позволяет вырабатывать тепловую энергию, используя низкопотенциальное тепло вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Применение тепловых насосов позволяет экономить до 70% традиционных энергетических ресурсов.
В настоящее время отопление и горячее водоснабжение городских объектов осуществляется, как правило, от централизованных систем теплоснабжения. Источником тепловой энергии в таких системах являются городские ТЭЦ, на которых осуществляется комбинированная выработка электроэнергии и тепла, или районные котельные. Преимущества централизованного теплоснабжения широко признаны. C термодинамической точки зрения комбинированное производство электроэнергии и тепла на ТЭЦ является гораздо более эффективным, чем раздельное производство электроэнергии на конденсационных тепловых электростанциях и тепла котельными.
Вместе с тем применение централизованных систем теплоснабжения имеет свои недостатки и ограничения. Строительство протяженных теплотрасс к удаленным объектам, а также к объектам в районах с малой плотностью застройки, сопряжено со значительными капитальными вложениями и большими тепловыми потерями на трассе. Их эксплуатация впоследствии также требует больших затрат. Теплонасосные системы теплоснабжения представляются одним из наиболее эффективных альтернативных средств решения проблемы. C термодинамической точки зрения схемы теплоснабжения на базе тепловых насосов в большинстве случаев являются даже более эффективными, чем от ТЭЦ и индивидуальных котельных.
Принципиальная схема теплового насоса изображена на рисунке 1 [2]. Суть его работы состоит в следующем. В испарителе теплового насоса тепло невысокого температурного потенциала отбирается от некоего источника низкопотенциального тепла (грунт, сбросное тепло, воздух и т.п.) и передается низкокипящему рабочему телу теплового насоса (фреону). Полученный пар сжимается компрессором. При этом температура пара повышается, и тепло на нужном температурном уровне в конденсаторе передается в систему отопления и горячего водоснабжения. Для того чтобы замкнуть цикл, совершаемый рабочим телом, после конденсатора оно дросселируется до начального давления, охлаждаясь до температуры ниже источника низкопотенциального тепла, и снова подается в испаритель. Таким образом, тепловой насос осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого температурного уровня на более высокий уровень, необходимый потребителю.
При этом на привод компрессора затрачивается механическая (электрическая) энергия.
При наличии источника низкопотенциального тепла с более или менее высокой температурой, количество тепла, поставляемого потребителю, в несколько раз превышает затраты энергии на привод компрессора. Отношение полезного тепла к работе, затрачиваемой на привод компрессора, называют коэффициентом преобразования теплового насоса, и в наиболее распространенных теплонасосных системах он достигает 3 и более.
Типичные зависимости идеального и реального коэффициентов преобразования теплового насоса от температуры конденсатора и испарителя приведены на рисунке 2 [3]. Например, при температуре испарителя на уровне О oC и температуре конденсатора на уровне 60 oC коэффициент преобразования реальной установки достигает 3. C увеличением температуры источника низкопотенциального тепла или с уменьшением температуры, необходимой потребителю, коэффициент преобразования возрастает и может достигать 4, 5 и больших значений.
Применение тепловых насосов особенно эффективно в случае использования воздушных систем или напольных систем водяного отопления, для которых температура теплоносителя не превышает 35-40 °C. Все более широкое применение в последнее время находят системы отопления с применением современных теплообменников с высокими коэффициентами теплопередачи и соответственно допускающих использование теплоносителя с пониженными температурами.
Ключевым вопросом, от которого в значительной степени зависит эффективность применения тепловых насосов, является вопрос об источнике низкопотенциального тепла.
В качестве низкопотенциальных источников теплоты могут использоваться: а) вторичные энергетические ресурсы:
- теплота вентиляционных выбросов;
- теплота серых канализационных стоков;
- сбросная теплота технологических процессов.
б) нетрадиционные возобновляемые источники энергии:
- теплота окружающего воздуха;
- теплота грунтовых вод;
- теплота водоемов и природных водных потоков;
- теплота солнечной энергии;
- теплота поверхностных слоев грунта.
В качестве довольного универсального источника низкопотенциального тепла можно использовать теплоту грунта. Известно, что на глубине 4-5 м и более температура грунта в течение года практически постоянна и соответствует среднегодовой температуре атмосферного воздуха. Поверхностные слои грунта (до 50 - 60 м), являются достаточно универсальным и повсеместно доступным источником низкопотенциального тепла. Скважины-теплообменники могут сооружаться под фундаментом здания или в непосредственной близости от него. При этом такие системы не требуют заметного отчуждения земли. Тепловые режимы работы грунтовых теплообменников могут быть существенно улучшены при использовании, наряду с теплом грунта, утилизируемого тепла вентиляционных выбросов, тепла жидких стоков, а в ряде случаев и солнечной энергии [4].
В процессе эксплуатации систем на базе тепловых насосов, происходит экономия первичного топлива (Таблица 1). В результате воздействие таких систем на окружающую среду существенно снижается. Сегодня они считаются более «чистыми» в экологическом плане, нежели самые современные высокоэффективные газовые котлы.
Проведенные исследования помогают провести сравнительный анализ воздействия на среду тепловых насосов и газовых котлов по годовым эксплуатационным показателям сгорания, объемам выбросов в атмосферу СОг.
Таблица 1 Примерные сравнительные эксплуатационные характеристики различного типа отопительного оборудования (180 м2 отапливаемой площади)
|
Тепловой насос (к-т 6) |
Газовое оборудование |
Дизельное оборудование |
Электрическое оборудование |
|
|
Количество рабочих часов за сезон |
1700 |
1700 |
1700 |
1700 |
|
Потребление топлива |
3 кВт/час |
4 м3/час |
3 кг/час |
18 кВт/час |
|
Стоимость единицы топлива |
3,08 тг. (ночной тариф) |
5,2 тг. |
61,6 тг. |
3,08 тг. (ночной тариф) |
|
Годовые затраты на топливо |
15708 тг. |
35033,6 тг. |
314160 тг. |
94248 тг. |
|
Гарантия на оборудование |
Свыше 3 лет |
1 год |
1 год |
1 год |
Для примера: тепловой насос с показателем SEER 3,0 по сравнению с котлом, имеющим коэффициент годовой производительности на уровне 90% (уровень чрезвычайно высокий и труднодостижимый), выбрасывает в атмосферу СОг на 40% меньше, чем котел той же мощности за аналогичный временной отрезок (Рисунок 3) [5].
Внедрение тепловых насосов приводит также к снижению и других вредных соединений (Таблица 2). Опыт проектирования, создания и практической эксплуатации теплонасосных систем теплоснабжения, технико-экономические и проектно-конструкторские обоснования их внедрения в реальные малые и крупные объекты строительства, расположенные как в условиях плотной городской застройки, так и в сельской местности, свидетельствуют о широких возможностях эффективного применения теплонасосных систем и обеспечения с их помощью заметного экономического, энергосберегающего и экологического эффектов [6].
Таблица 2 Сравнительная оценка вредных выбросов за отопительный сезон (5448 ч) от различных тепловых источников тепловой мощностью 1,16 МВт
|
Вид вредного выброса, т/год |
Котельная на угле |
Электрообогрев |
Тепловой насос, с среднегодовым коэффициентом 3,6 |
|
SOx |
21,77 |
38.02 |
10.56 |
|
NOx |
7,62 |
13,31 |
3.70 |
|
Твердые частицы |
5,8 |
8,89 |
2.46 |
|
Фтористые соединения |
0,182 |
0,313 |
0.087 |
|
Всего |
34,65 |
60,53 |
16.81 |
Таким образом, применение систем на базе тепловых насосов - это во многих случаях оправданное решение, ведущее как к сбережению невозобновляемых энергоресурсов, так и к защите окружающей среды, в том числе и за счет сокращения выбросов СОг в атмосферу.
Литература:
- Закиров Д.Г. Энергосбережение. Пермь: Книга, 2000.
- http://odnastroyka.ru/princip-raboty-teployyx-nasosov-dlya-otopleniya.
- https://refdb.ru/look/1051428-pall.html.
- Закиров Д.Г. Утилизация вторичных энергетических ресурсов и использование возобновляемых источников энергии с применением тепловых насосов - основной путь снижения энергоемкости производства//Промышленная энергетика. 2002.
- https://yvww.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=454.
- Калнинь И.М. Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра //Холодильная техника. 2000.