CC BY
32ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
GEOTHERMAL ENERGY
Статья поступила в редакцию 04.08.14. Ред. рег. № 2078 The article has entered in publishing office 04.08.14. Ed. reg. No. 2078
УДК 621.577+624.139.62
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В РАЙОНАХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
1 2 С.А. Гулый , С.Н. Трушевский
'Северо-Восточная научно-исследовательская мерзлотная станция Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН 685000 Магадан, ул. Портовая, д. 16 Тел.: +79148534019, факс: 8(413-2)655261, e-mail: [email protected] 2Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства РАСХН 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 E-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 09.08.14 Заключение совета экспертов: 14.08.14 Принято к публикации: 19.08.14
Для типового 5-этажного жилого дома на 40 квартир сделана оценка эффективности применения тепловых насосов (ТН) с вертикально расположенными теплообменниками в криолитозоне. Рассчитано, что средние месячные потребности в тепле и горячей воде в таких зданиях в условиях Севера составляют 100-120 кВт. Получено, что эквивалентное количество низкопотенциального тепла можно извлечь из грунта только в первые часы работы теплового насоса. В конце первого года эта величина падает до 6,4 кВт. Несмотря на это, затраты на покупку теплового насоса и морозильного оборудования в некоторых населенных пунктах могут окупиться даже в течение первого года работы при выгодном соотношении тарифов на теплоэнергию или электроэнергию, когда отопление ведется за счет электробойлера или прямого электроотопления.
Ключевые слова: тепловой насос, вечная мерзлота, вертикальные теплообменники, экономические оценки.
ANALYSIS OF THE EFFECTIVENESS OF VERTICAL HEAT EXCHANGERS OF HEAT PUMPS IN PERMAFROST REGION
S.A. Guliy1, S.N. Trushevskiy2
'North-Eastern Permafrost Station, Melnikov Permafrost Institute, Siberian Branch of RAS 16 Portovaya str., Magadan, 685000, Russia Tel.: +79148534019, fax: 8(413-2)655261, e-mail: [email protected] 2The All-Russia Scientific-Research Institute for Electrification of Agriculture 2, 1-st Veshnyakovski proezd, Moscow, 109456, Russia E-mail: [email protected]
Referred: 09.08.14 Expertise: 14.08.14 Accepted: 19.08.14
An evaluation of the efficiency of heat pumps (HP) with vertical heat exchangers for the case of standard 5-storey 40-flat apartment building in the permafrost area was made. The calculation shows, that average monthly demand for heat and hot water in building in the conditions of the North is equal 100-120 kW. As received, an equivalent amount of low potential heat extraction can be taken from the ground only during the first few hours of the work of heat pump. At the end of the first year this value falls to 6.4 kW. In spite of this in some settlements (with a favourable ratio of prices of heat energy and electricity, when the heating is carrying out by direct electric heating or electric boiler) the costs of purchase of heat pump and refrigeration facilities can be recouped during the first year of the work of HP.
Keywords: heat pump, permafrost, vertical heat exchangers, economic estimates.
№ 17 (157) Международный научный журнал
N
Сведения об авторе: начальник Северо-Восточной научно-исследовательской мерзлотной станции Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН, канд. техн. наук.
С 1981 г. практический опыт проектирования и строительства жилых и промышленных зданий, гидротехнических сооружений на территории распространения многолетнемерзлых пород Магаданской области и республики Саха (Якутия).
Область научных интересов: устойчивость зданий и сооружений в криолитозоне, моделирование термического состояния мерзлых грунтов, обоснование перспектив применения тепловых насосов на Севере.
Публикации: 54, 2 авторских свидетельства на изобретения.
Сергей Александрович Гулый
Станислав Николаевич Трушевский
Сведения об авторе: ведущий научный сотрудник ВИЭСХ, канд. техн. наук.
Награды: медали ВДНХ СССР, медаль «В память 850-летия Москвы.
С 1963 г. практический опыт - исследования макетных образцов, 1985 г. - первая в СССР и не повторенная ни в СССР, ни в РФ солнечная комбинированная фотоэлектрическая станция мощностью 10/100 кВт.
Область научных интересов: тепловое аккумулирование с фазовым переходом при 40-1500 °С, аккумулирование водорода, солнечная энергетика, теплопроводность разреженных газов, исследования влияния грунтовых тепловых насосов на окружающую среду, возможности извлечения тепловой энергии из вечной мерзлоты.
Публикации: свыше 200, более 30 авторских свидетельств на изобретения, 11 патентов РФ.
Введение
Наблюдения за температурой мерзлых грунтов по международной программе мониторинга вТЫ-Р на всей территории криолитозоны указывают на ее рост на 0,2-0,6 °С за последние 30 лет [1-6]. Сохранение таких темпов оттаивания грунтов может привести к катастрофическому снижению несущей способности свайных фундаментов, воспринимающих нагрузку от зданий за счет сил смерзания их боковой поверхности с мерзлым грунтом [7-9]. Расчеты показали, что для г. Якутска у шестиметровых вмороженных свай, основанием фундаментов которых являются песчаные грунты, коэффициент запаса, принятый при проектировании в 1970-90 гг., может обеспечить надежность фундамента при повышении средней температуры грунтов с -5 °С только до -3,5 °С, а если начальная температура была -3 °С, то до -2 °С.
В настоящее время предлагается много способов по защите мерзлых грунтов от протаивания. Один из них - искусственное охлаждение и сохранение их при температуре, обеспечивающей требуемую несущую способность грунтов с помощью замораживающих устройств теплонасосных установок (ТНУ), позволяющих использовать тепло, извлеченное из грунтов [10-12].
Ранее считалось, что область применения тепловых насосов - это районы с теплым и умеренным климатом [13]. Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в течение трех последних десятилетий в Канаде, Норвегии и России, показали возможность использования ТНУ для инженерных сооружений и на территории криолитозоны [14-17].
Общие сведения о тепловых насосах и способах оценки экономической целесообразности их применения
Теплонасосная установка - это устройство, позволяющее отобрать тепло у холодного источника и с помощью затраченной механической или иной работы передать его теплообменнику с более высокой температурой. В компрессионных ТНУ термодинамический процесс осуществляется следующим образом:
- рабочая жидкость закипает в испарителе при невысокой температуре за счет тепла низкопотенциального источника (например, грунта или поверхностного водотока);
- образовавшийся пар сжимается в компрессоре, в результате чего его температура повышается до нужной потребителю величины;
- пар поступает в теплообменник и нагревает рабочее вещество отопительной системы, а сам при этом, остывая и конденсируясь, возвращается в испаритель.
Рабочий цикл ТНУ полностью совпадает с циклом работы обычной холодильной машины. Отличием те-плонасосной установки от всем известного холодильника является возможность утилизации тепла, которое отбирается у охлаждаемого источника.
Основной энергетической характеристикой ТНУ является коэффициент преобразования ф:
ф = QtJ e = (QL + е)/е
(1)
где QT - суммарная теплопроизводительность; QL -количество тепла, отбираемого у низкопотенциаль-
№ 17 (157) Международный научный журнал
ного источника в единицу времени; е - расход электроэнергии.
Коэффициент преобразования связан с термическими характеристиками ТН-цикла следующим соотношением:
Ф = п(т2/ (т -т )):
(2)
где Ть Т2 - соответственно, температуры кипения и конденсации хладагента, К; п - соотношение между реальной и идеальной эффективностью термодинамического процесса, для ориентировочных расчетов это соотношение принимается равным 0,5. Обычно Т задается на 3-5 °С ниже температуры низкопотенциального источника, а Т2 - на столько же выше температуры рабочего вещества отопительной системы.
Тепловой насос не может работать без дополнительного источника энергии, способного поднять температуру со ступени низкопотенциальной энергии до температуры потребителя высокопотенциальной энергии. Поэтому расчет ТНУ связан не только с температурами Ть Т2, но и с тарифами на электро-
энергию и теплоснабжение, действующими в данный момент на территории, где она внедряется. Для определения экономической целесообразности ТНУ стоимость ее «продукции» необходимо сопоставлять с экономическими показателями систем теплоснабжения различных типов.
Если принять, что т - это отношение цен на электроэнергию и эквивалентное количества тепла, выработанного традиционным способом, то использование тепловых насосов в отопительных целях или для горячего водоснабжения (ГВС) может быть экономически целесообразным только при соблюдении условия, когда ф > т. Эффективность тепловых насосов будет тем выше, чем больше коэффициент ф превышает коэффициент т, то есть там, где используется относительно дешевая электроэнергия при высокой стоимости органического топлива, расходуемого на теплоснабжение. Значения т варьируются в очень широких пределах не только для различных регионов (табл. 1), но даже для одного и того же населенного пункта (табл. 2).
Таблица 1
Изменение среднестатистических тарифов на электроэнергию и теплоэнергию по городам Магадану и Якутску с 2000 по 2014 г.
Table 1
Change of the average electric power and thermal energy prices in the cities of Magadan and Yakutsk
in the last 14 years
Город октябрь 2000 г. февраль 2004 г. июль 2007 г. январь 2014 г.
№ 1 № 2 m № 1 № 2 m № 1 № 2 m № 1 № 2 m
Магадан 41,4 402,3 1,2 85,1 542 1,8 164,6 1688,8 1,1 345,0 3498,4 1,1
Якутск 72,1 195,4 4,3 142,5 387,9 4,3 201,1 495.0 4,7 425,0 1371,0 3,6
Примечание. Столбец № 1 - тариф на электроэнергию в коп./кВт-ч, столбец № 2 - тариф на теплоэнергию в руб./Гкал.
Таблица 2
Тарифы, утвержденные энергетической комиссией, на электро- и теплоэнергию на 2014 г. в разных населенных пунктах республики Саха (Якутия) и Красноярском крае, показатель m
Table 2
Electric power and thermal energy prices approved by the energy commission for the year 2014 in different settlements of the Sakha Republic (Yakutia) and Krasnoyarsk region
Район Тарифы, действовавшие в январе - июне 2014 г. m
Электроэнергия, руб./кВт-ч Тепло, руб./Гкал
минимум среднее максимум минимум среднее максимум
ГО «Город Якутск» 4,25 962,71 1371,0 2563,13 5,1 3,6 1,9
Алданский улус 1786,61 2557,25 3072,24 2,8 1,9 1,6
Верхневилюйский улус 2570,22 5351,83 8430,45 1,9 0,9 0,6
Вилюйский улус 1819,38 2622,91 3834,59 2,7 1,9 1,3
Ленский улус 2589,91 3332,20 3984,69 1,9 1,5 1,2
Мирнинский улус 4508,47 8305,00 1,1 0,6
электробойлерная 12100,85 0,4
Нюрбинский улус 2345,75 5524,22 2,1 0,9
электробойлерная 11541,11 0,4
п.Хатанга Красноярского края 34,9 гор. вода 5754,00 7,0
№ 17 (157) Международный научный журнал
Из табл. 1 видно, что с 2000 по 2014 г. коэффициент т имеет небольшую тенденцию к снижению. Кроме того, так как т в Магадане в три раза меньше, чем в Якутске, то предпосылки к внедрению тепловых насосов в Магадане лучше, чем в Якутске. Анализируя тарифы на теплоэнергию (табл. 2) для всей территории Республики Саха (Якутия), можно видеть, что разные поставщики тепла продают тепло по очень разным ценам. Это дает возможность найти достаточно много предприятий в разных населенных пунктах Якутии, где внедрение ТНУ будет экономически оправданно как для отопления зданий, когда в качестве низкопотенциального источника используются сточные воды (Т = 12 °С, Т2 = 75 °С, ф = 2,76), так и для горячего водоснабжения при использовании речной воды (Т = 2 °С, Т2 = 65 °С, ф = 2,68).
Следует учитывать и еще один фактор. Приобретение ТНУ подразумевает заем в банке, следовательно, требует погашения банковского кредита. В связи с этим эффект от экономии топлива должен быть больше годовой суммы погашения банковского кредита:
ДЭ > р-КЗ,
(3)
где ДЭ - экономия от производства тепла с помощью ТНУ в сравнении с существующими в данной местности системами отопления или горячего водоснабжения, руб./год; р - ставка погашения банковского кредита, %/год; КЗ - капитальные затраты на переход к теплоснабжению на основе ТНУ, руб.
Экономия ДЭ равна
ДЭ = Эоетт = |Ст - ^ I ßTт ,
(4)
где Э0 - удельная экономия, руб./кВт •ч; СТ, Сэ — приведенные тарифы на тепло и электроэнергию, руб./ кВт-ч; т — время работы ТНУ в течение года, ч.
Соответственно, срок окупаемости (Ы, лет) в первом приближении можно оценить по формуле
N = КЗ/(ДЭ - р - КЗ).
(5)
Оценка эффективности тепловых насосов для одновременного сохранения устойчивости здания путем искусственной проморозки его основания и получения тепла для обогрева здания
Постановка задачи исследований Проведенные ранее исследования возможности применения ТНУ на территории криолитозоны показали, что наиболее перспективными источниками тепла для работы теплового насоса являются сточные и грунтовые воды, солнечная энергия, морская вода [16]. Грунт, который не является источником возобновляемой энергии, был признан самым плохим источником низкопотенциального тепла. В результате математического моделирования тепловых
потоков, идущих от мерзлого грунта к испарителю ТНУ, было получено, что наихудшие показатели для выработки тепла имеют вертикально расположенные теплообменники [17-20].
В рассматриваемом нами варианте использования теплового насоса для сохранения устойчивости здания путем искусственной проморозки его основания решается главная задача — восстановление температуры мерзлых грунтов до величины, принятой при проектировании. И именно вертикальные теплообменники наилучшим образом подходят для этих целей. Выполненные расчеты показали, что если установить обычную морозильную колонку непосредственно у каждой сваи на глубину, равную глубине заложения свай, то со своей задачей (понижением температуры грунтов, например, с 0 °С до -5 °С) она справится в течение одного или двух месяцев.
Естественно, что затраты на бурение скважин, установку морозильных колонок, работу морозильной системы плюс стоимость самого морозильного агрегата несопоставимы с затратами, которые могут потребоваться в случае разрушения дома, его последующего демонтажа и нового строительства. Если кроме здания будут сохранены человеческие жизни, то эффект от внедрения замораживающей системы возрастает многократно.
Обычную морозильную установку целесообразно использовать только в аварийной ситуации, а когда она устранена — ее надлежит демонтировать. В следующий раз она может быть использована тогда, когда температура около свай опять приблизится к критической отметке.
В отличие от холодильного агрегата ТНУ работает не только для промораживания грунта. Извлеченное из грунта тепло должно использоваться на обогрев дома или ГВС.
Зная, насколько малоэффективны вертикальные теплообменники при извлечении низкопотенциального тепла из мерзлого грунта, примем, что использование ТНУ будет экономически оправданно, если в период работы теплового насоса по поддержанию мерзлых грунтов в требуемом температурном режиме окупятся затраты на его приобретение и монтаж. Если же дополнительно за счет теплового насоса можно будет окупить затраты на буровые работы и обустройство замораживающего оборудования, то можно сказать, что внедрение ТНУ будет полностью оправданно.
Насколько эффективно использование ТНУ с вертикальными теплообменниками, выясним на примере его работы по восстановлению температурного режима грунтов под типовым 5-этажным жилым домом на 40 квартир, запроектированным, возведенным и эксплуатирующимся с 1960-1980 гг. в трех населенных пунктах: г. Якутске, пос. Нюрба (республика Саха), пос. Хатанга (Красноярский край). Для этого сделаем расчет количества тепла, требуемого для этого здания, и сравним его с фактической мощностью низкопотенциального источника.
№ 17 (157) Международный научный журнал
На основании действующих тарифов на тепло и электроэнергию определим эффективность применения теплового насоса.
Считаем, что рассматриваемое здание запроектировано и эксплуатируется по I принципу строительства. В связи с изменением термического режима грунтов в период эксплуатации здания температура вокруг его вмороженных свай повысилась с -5,0 до -0,1 °С, и ее требуется понизить до исходного значения. Для расчетов принимаем: Т1 = -8 °С, Т2 = 65 °С, ф = 2,32. Общую тепловую мощность ТНУ определим в зависимости от полученной мощности низкопотенциального источника. Диаметр теплообменников ё0 равняется 0,15 м, их длина И - 6,1 м, объем здания V - 6500 м3, количество теплообменников - 65. Размер банковского кредита примем равным 10%.
Расчет требуемых затрат тепла на отопление и горячее водоснабжение здания Ориентировочные затраты тепла на отопление здания подсчитаем по формуле
X Q = qV ('в - 'н а),
(6)
где V - кубатура здания по наружному периметру, м3; ^ - температура внутри помещения, принимаемая равной 21 °С; 4 - средняя месячная температура воздуха для каждого из рассматриваемых населенных пунктов, °С (табл. 3); д0 - удельная тепловая характеристика, принимаемая из [21], равная 0,38 ккал/ч-м3-град.; а - поправочный коэффициент, принимаемый в зависимости от /„ по табл. 4.
Таблица 3
Средние месячные температуры наружного воздуха Гн < 8 °С, принятые в расчетах по [22]
Table 3
Average monthly temperatures of outdoor air Гн < 8 °С, accepted in estimates on [22]
Населенный пункт Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
г. Якутск -42,6 -35,9 -22,2 -7,2 5,8 7 6,2 -8 -28,3 -39,5
п. Нюрба -36 -31,9 -20,6 -7,2 5 - 5,2 -7,3 -26 -34,2
п. Хатанга -33,1 -31,7 -27,8 -18 -7 5,2 1,7 -12 -26,4 -29,6
Таблица 4
Значения поправочного коэффициента a в зависимости от Гн
Table 4
The values of modifying factor a as dependent on Гн
'н -50 -40 -30 -20 -10
а 0,82 0,9 1,0 1,17 1,45
Количество тепла, требуемое для горячего водоснабжения рассматриваемого здания, сделано из расчета на 100 человек при ежесуточном расходе горячей воды 90 л/сутки на одного человека. Конечная температура воды принята равной 60 °С, начальная 3 °С - для зимнего периода и 18 °С - для летнего, что требует затрат энергии на ее нагрев до требуемой величины - 24,8 и 18,3 кВт-ч зимой и летом соответственно.
Результаты расчетов приведены в табл. 5 и на рисунке.
Таблица 5
Затраты тепла на отопление и горячее водоснабжение в различных населенных пунктах
для 40-квартирного жилого дома, кВт
Table 5
The expenditures of heat on central heating and hot water supply for a 40-flat residential house in
various settlements, kW
Населенный пункт Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь
г. Якутск 169 158 132 91 44 40 0 0 43 95 148 162
п. Хатанга 154 150 145 122 90 45 0 0 55 109 142 145
п. Нюрба 159 151 129 91 39 0 0 0 45 92 141 154
ГВС 25 24 24 23 23 20 18 19 21 23 24 25
№ 17 (157) Международный научный журнал
q = (tl -12 )/R
(7)
где ^ = -5 °С - температура на поверхности теплообменника; /2 = 0 °С - температура грунта; Я - термическое сопротивление грунта в зоне льдогрунто-вого цилиндра (между <з?0 и d1), ч^°С /ккал:
R =
ln (d,M)
2nXh ''
(8)
где X = 2 ккал/м^°С — коэффициент теплопроводности мерзлого грунта; И = 6,1 м — высота теплообменника, равная глубине заложения сваи, около которой необходимо восстановить термический режим.
Время, в течение которого произойдет охлаждение грунта на расстояние di, определим по формуле, взятой из [23]:
z =
р (о, 5 d )2 2 ( - t2 )
_
а(0,5d0)
--0,5 + ln-^
d„
(9)
где р = 30000 ккал/м — теплосодержание грунта; а = 100 ккал/м2-ч-°С — коэффициент теплопередачи.
Расчет д и г ведем для di, равных 0,45; 0,75; 1,05; 1,35 и 1,65 м. Последнее значение соответствует смыканию льдогрунтовых цилиндров рядом расположенных теплообменников.
Грунт не является источником возобновляемой энергии, поэтому приток тепла к теплообменнику будет очень быстро снижаться. В соответствии с формулой Лыкова тепловой поток в грунте меняется по следующей зависимости:
= м/Л ,
(10)
Среднемесячные потребности в теплоснабжении и горячей воде в типовом 5-этажном 40-квартирном жилом доме в различных населенных пунктах Need for heat and hot water supply in the standard 5-storeyed 40-flat building in various settlements
Получено, что в зимнее время максимальные затраты тепла на отопление в рассматриваемых населенных пунктах достигают 140-170 кВт. В среднем за год на отопление и горячее водоснабжение требуется 100-120 кВт.
Расчет мощности низкопотенциального источника при вертикальном расположении
теплообменников в мерзлых грунтах Подсчитаем количество тепла, которое можно будет извлечь из грунта при вертикальном расположении теплообменников, установленных в мерзлых грунтах и предназначенных для восстановления температурного режима с 0 °С до -5 °С (т.е. без наличия фазовых переходов).
Тепловой поток к теплообменнику из грунта определим по формуле
где M - константа, зависящая от температурного напора и теплофизических свойств грунта; t - время в сутках.
Результаты расчетов представлены в табл. 6.
Таблица 6
Количество тепла (q), которое за первые полгода можно извлечь вертикальными теплообменниками из мерзлого грунта с помощью теплового насоса, кВт
Table 6
Quantity of heat (q) extracted from frozen ground in the first six months of thermal pump employment, kW
Параметр di, м
0,19 0,45 0,75 1,05 1,35 1,65
z, суток 0,1-0,3 5 24 59 122 184
q, кВт формула (7) 122 26 18 15 13 12
формула (10) 122 55 25 16 12 9
Продолжая вычисления мощности теплового потока во времени по (10), получаем, что к концу первого года количество извлекаемого тепла из грунта снизится до 6,4 кВт, к концу второго — до 4,6 кВт, третьего — до 3,7 кВт, четвертого — до 3,3 кВт, пятого — до 2,9 кВт. После того как льдогрунтовые цилиндры сомкнутся между собой, теплосъем будет еще меньше.
Таким образом, если сравнить мощность низкопотенциального источника со средним за отопительный период количеством тепла, требуемым для отопления (рисунок), то уже к концу первого года это значение будет менее 10% от требуемого. Для горячего водоснабжения показатели будут в 3-4 раза выше, но все равно недостаточными, чтобы тепла, извлеченного из грунта с помощью теплообменнико, полностью хватило на обеспечение здания горячей водой более чем на два месяца. Расчеты, выполнен-
№ 17 (157) Международный научный журнал
ные в работах [18, 19, 21], показывают, что если вертикальные теплообменники в летнее время будут производить дополнительно забор тепла из воздуха и из грунта в пределах слоя сезонного оттаивания, то прибавка составит 30-40 Вт/м2 для теплообменников, находящихся на поверхности, и 2-3 Вт/м2 - для находящихся в грунте на глубине до 1 м. Но в общей сложности при площади теплообменников 30 м2 над землей и 30 м2 под землей это даст прибавку всего 1,2 кВт, что принципиально ничего не решает.
Экономическая оценка эффективности использования теплового насоса
Последней, но не менее важной составляющей, как и две предыдущие, является экономическая эффективность использования теплового насоса. Для объективной оценки этого показателя сравнение затрат делается с действующими на рассматриваемой территории традиционными способами получения тепла по тарифам на теплоэнергию и электроэнергию той организации, где предполагается внедрение теплового насоса. К сожалению, на практике при внедрении теплового насоса в предварительных расчетах эта составляющая не всегда учитывается. Но, как оказывается в конечном счете, при технико-экономическом обосновании именно она имеет решающее значение.
На основании выполненных расчетов можно принять, что при использовании вертикальных теплообменников ТНУ (заданных параметров) для восстановления температурного режима с 0 до -5 °С из грунта в течение первого года можно в среднем извлекать 10 кВт, в последующие четыре года - от 6 до 3 кВт. При известных ф = 2,32 и QL = 10 кВт из (1) можно определить расход электроэнергии на работу ТНУ (е = = 7,6 кВт) и общую мощность ТНУ (Qt = 17,6 кВт).
В табл. 2 приведены действующие в 2014 г. тарифы на теплоэнергию и электроэнергию в некоторых северных населенных пунктах, значение коэффициента т. Сравнивая показатель т с принятым ф = 2,32, можно сделать окончательный вывод, где использование теплового насоса будет экономически оправданно, а где нет.
Получено, что применение тепловых насосов в пос. Хатанга (Красноярский край) из-за очень высоких тарифов на электроэнергию и сравнительно низких на теплоэнергию, когда т достигает величины, равной 7, невыгодно с точки зрения окупаемости ТНУ. Столь высокое значение т не дает возможности внедрять тепловой насос не только когда в качестве низкопотенциального источника используется мерзлый грунт, но и тогда, когда применяются сточные воды с Тист = 20 °С. В этих условиях его можно использовать только для догрева горячей воды, например, с 45 до 60 °С - в этом случае применение ТНУ будет экономически оправданно, так как ф будет больше 7.
Что касается территории Республики Саха (Якутия), где в расчетах принят одинаковый для всей республики тариф на электроэнергию, равный 4,25 рубля, то здесь можно подобрать такие населенные пункты, где соотношение т и ф будут выгодны для внедрения теплового насоса и он может окупиться за счет извлекаемого из грунта тепла в течение одного года работы и даже быстрее. Из табл. 2 видно, что особенно благоприятные условия будут там, где отопление ведется электробойлерной или котельной. Следует добавить, что если за счет теплового насоса попытаться окупить также и стоимость буровых работ по устройству теплообменников вместе со всем оборудованием (оценочная стоимость примерно 2500 рублей за один погонный метр), то сделать это будет возможно при т = 0,4-0,6 всего за один год в Верх-невилюйском, Мирнинском и Нюрбинском районах.
Заключение
Рассмотрев все составляющие работы теплового насоса в условиях, когда основной целью его работы является замораживание грунта вокруг свайного фундамента уже существующего здания, грунт основания которого оттаял до температур, не обеспечивающих его дальнейшей безаварийной работы, можно сделать следующие выводы.
1. Коэффициент запаса, принятый при проектировании зданий, возведенных в 1960-80-х гг. по первому принципу строительства на вечномерзлых песчаных грунтах в северных городах России, может обеспечить безаварийную работу при повышении температуры грунтов с -5 до -3,5 °С, а в случае когда проектная температура была -3 °С, то до -2 °С. При более высоких температурах неизбежна потеря несущей способности вмороженных свай.
2. Одним из способов сохранения требуемого температурного режима мерзлых грунтов является их искусственное промораживание морозильными агрегатами с помощью вертикальных теплообменников, расположенных непосредственно около каждой сваи.
Расчетами установлено, что тепла, извлекаемого из грунта 65 вертикальными теплообменниками длиной 6,1 м с помощью теплового насоса мощностью 18 кВт под типовым 5-этажным 40-квартирным жилым домом при принятой температуре испарения хладагента Тисп = -8 °С, хватит для полного замещения традиционного способа отопления (Тконд = 65 °С) в лучшем случае не более чем на одну неделю, а для горячего водоснабжения - на один месяц. Через год из грунта можно будет извлекать не более 6 кВт тепла, через 5 лет - 3 кВт.
3. Использование тепловых насосов в отопительных целях или для горячего водоснабжения может быть экономически оправданно только при соблюдении условия ф > т. Для территории республики Саха (Якутия) для вертикальных теплообменников
№ 17 (157) Международный научный журнал
для принятого ф = 2,32 следует крайним значением признать т = 1,7. То есть тогда, когда при тарифе на электроэнергию, равном 4,25 руб./кВт-ч, тариф на теплоэнергию будет не менее 2700 руб./Гкал. Тогда при 10% банковском кредите, взятом на покупку теплового насоса, его полная окупаемость произойдет через 1 год. Установка срока окупаемости более одного года нецелесообразна, так как мощность низкопотенциального источника к концу первого года снизится на 40% по сравнению со среднегодовой и в дальнейшем тепловой насос уже не сможет работать на полную мощность.
В Верхневилюйском, Мирнинском и Нюрбинском улусах республики Саха (Якутия) при т = 0,4-0,6 (при тарифе на теплоэнергию 11541-8400 руб./Гкал) за счет вырабатываемого тепловым насосом тепла можно менее чем за один год его работы окупить не только тепловой насос, но и затраты по устройству вертикальных теплообменников вместе со всем оборудованием и буровыми работами.
Для поселка Хатанга Красноярского края из-за крайне невыгодного соотношения тарифов на электроэнергию и теплоэнергию (т = 7) затраты на приобретение теплового насоса в случае использования вертикальных теплообменников в мерзлых грунтах для получения низкопотенциального тепла не окупаются.
Список литературы
References
1. Сергеев Д.О., Ухова Ю.А., Станиславская Ю.В., Романовский В.Е. Температурный режим многолетних толщ и сезонноталого слоя в горах Северного Забайкалья (возобновление стационарных наблюдений) // Криосфера Земли. 2007. Т. XI, № 2. С. 19-26.
2. Гаврилова М.К. Изменение климата (температуры воздуха) на примере Западной Сибири и Якутии. В сб. материалов международных конференций «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения», 21-24 апреля 2008 г. Тюмень. С. 217-220.
3. Скачков Ю.Б., Скрябин П.Н., Варламов С.П. Изменения температуры грунтов слоя годовых теплообо-ротов на якутском теплобалансовом стационаре за последние сорок лет. Проблемы инженерного мерзлотоведения. Материалы IX международного симпозиума, г.Мирный, Россия. Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 2011. С. 445-450.
4. Ishikawa V., Sharkhuu N., Jambaljav Y., Davaa G., Yoshikawa K., Ohata T. Thermal state of Mongolian permafrost. Tenth International conference on permafrost (Proceedings), Salekhard, Russia, 2012. P. 173-178.
5. Гулый С.А. Возобновление стационарных наблюдений температурного режима многолетнемерзлых толщ в Магаданской области. Всероссийская конференция «Геология, география, биологическое разнообразие и ресурсы Северо-Востока России (к 100-летию со дня рождения А.П. Васьковского)». Магадан. 22-24 ноября 2011 г. С. 183.
6. Сериков С.И., Железняк М.Н., Гулый С. А., Скачков Ю.Б., Рузанов В.Т., Романовский В.Е., Холодов А. А. Мониторинговые наблюдения за динамикой температурного режима горных пород в Восточной Сибири. Десятая Международная конференция по мерзлотоведению (TICOP): Ресурсы и риски регионов с вечной мерзлотой в меняющемся мире. Т. 5: Расширенные тезисы на русском языке / Под ред. В. П. Мельникова. Тюмень: Печатник, 2012. С. 287-289.
7. Хрусталев Л.Н. Температурный режим вечно-мерзлых грунтов на застроенной территории. М.: Наука, 1971.
1. Sergeev D.O., Uhova U.A., Stanislavskaa U.V., Romanovskij V.E. Temperaturnyj rezim mnogoletnih tols i sezonnotalogo sloa v gorah Severnogo Zabajkal'a (vozobnovlenie stacionarnyh nabludenij) // Kriosfera Zemli. 2007. T. XI, № 2. S. 19-26.
2. Gavrilova M.K. Izmenenie klimata (temperatury vozduha) na primere Zapadnoj Sibiri i Akutii. V sb. materialov mezdunarodnyh konferencij «Kriogennye resursy polarnyh i gornyh regionov. Sostoanie i perspektivy inzenernogo merzlotovedenia», 21-24 aprela 2008 g. Tumen'. S. 217-220.
3. Skackov U.B., Skrabin P.N., Varlamov S.P. Izmenenia temperatury gruntov sloa godovyh teplooborotov na akutskom teplobalansovom stacionare za poslednie sorok let. Problemy inzenernogo merzlotovedenia. Materialy IX mezdunarodnogo simpoziuma, g.Mirnyj, Rossia. Akutsk: Izd-vo IMZ SO RAN, 2011. S. 445-450.
4. Ishikawa V., Sharkhuu N., Jambaljav Y., Davaa G., Yoshikawa K., Ohata T. Thermal state of Mongolian permafrost. Tenth International conference on permafrost (Proceedings), Salekhard, Russia, 2012. P. 173-178.
5. Gulyj S.A. Vozobnovlenie stacionarnyh nabludenij temperaturnogo rezima mnogoletnemerzlyh tols v Magadanskoj oblasti. Vserossijskaa konferencia «Geologia, geografia, biologiceskoe raznoobrazie i resursy Severo-Vostoka Rossii (k 100-letiu so dna rozdenia A.P. Vas'kovskogo)». Magadan. 22-24 noabra 2011 g. S. 183.
6. Serikov S.I., Zeleznak M.N., Gulyj S.A., Skackov U.B., Ruzanov V.T., Romanovskij V.E., Holodov A.A. Monitoringovye nabludenia za dinamikoj temperaturnogo rezima gornyh porod v Vostocnoj Sibiri. Desataa Mezdunarodnaa konferencia po merzlotovedeniu (TICOP): Resursy i riski regionov s vecnoj merzlotoj v menausemsa mire. T. 5: Rassirennye tezisy na russkom azyke / Pod red. V.P. Mel'nikova. Tumen': Pecatnik, 2012. S. 287-289.
7. Hrustalev L.N. Temperaturnyj rezim vecnomerzlyh gruntov na zastroennoj territorii. M.: Nauka, 1971.
№ 17 (157) Международный научный журнал
8. Хрусталев Л.Н., Пустовойт Г.Н. Вероятностно-статистические расчеты оснований зданий в криолито-зоне. Новосибирск: Наука, 1988.
9. Хрусталев Л.Н., Медведев А.В., Пустовойт Г.П. Многолетнее изменение температуры воздуха и устойчивость проектируемых в криолитозоне сооружений // Криосфера Земли. 2000. Т. IV, №3. С. 35-41.
10. Власов В.П., Перльштейн Г.З., Попов Ю.Ф. Проблемы устойчивости сооружений на Северо-Востоке России // Криосфера Земли. 1999. Т. III, № 2. С. 66-70.
11. Perlshtein G.Z., Vlasov V.P. and Khrustalev L.N. The use of heat pumps for building in permafrost area. The 2-d International Conference on the Arctic Margins. Abstracts vol., Magadan, 1994. P. 91.
12. Патент 2519012 Россия E02D 3/115. Способ и устройство для круглогодичных охлаждения, замораживания грунта основания фундамента и теплоснабжения сооружения на вечномерзлом грунте в условиях криоли-тозоны / Трушевский С.Н., Стребков Д.С. // Федеральная служба по интеллектуальной собственности РФ. http://www.freepatent.ru/patents/2519012.
13. Рекомендации по оценке эффективности системы сбора низкопотенциального тепла грунта для целей тепло-хладоснабжения зданий / НИИСФ. М., Стройиз-дат, 1988.
14. Goodrich L.E. and Plunkett J.C. Performance of heat pump chilled foundations. Proc. of the Fifth Canadian Permafrost Conference, Centre d'etudes nordiques, Universite Laval. Nordicana no54. 1990. Р. 409-418.
15. Jnstanes B. Permafrost engineering on Svalbard // International Workshop on Permafrost engineering Longyearbyen, Svalbard, Norway, 2000. P. 1-24.
16. Гулый С. А. Ресурсы низкопотенциальной энергии для тепловых насосов на территории Магаданской области // Колыма. 1999. № 3. С. 55-59.
17. Перльштейн Г.З., Гулый С.А., Буйских А.А. О перспективах применения тепловых насосов для решения инженерных задач в зоне вечной мерзлоты. В сб. докл. «Вечная мерзлота и экономическое развитие, безопасность окружающей среды, потенциал природных ресурсов». Новосибирск, 1998. С.18-21.
18. Перльштейн Г.З., Гулый С.А., Буйских А.А. Математическое моделирование температурных полей, создаваемых тепловыми насосами. В сб. материалов I Международной конференции Академии Северного форума Республики Саха (РХ) «Знание - на службу нуждам Севера». Якутск, 1996. С. 205.
19. Перльштейн Г.З., Гулый С.А., Буйских А.А. Повышение несущей способности мерзлых грунтов с помощью тепловых насосов // Основания и фундаменты. 2000. № 3. С. 26-31.
20. Гулый С. А. Основы применения тепловых насосов в геотехнике криолитозоны: Автореф. дис... канд. техн. наук. Якутск, 2001.
21. Федоров Н. Ф., Гусев В. М. Санитарная техника. Ленинград: Госстройиздат, 1961.
22. СНиП 23-01-99. Строительная климатология.
23. Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в строительстве (примеры применения). М.: Государственное издательство литературы по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1970.
8. Hrustalev L.N., Pustovojt G.N. Veroatnostno-statisticeskie rascety osnovanij zdanij v kriolitozone. Novosibirsk: Nauka, 1988.
9. Hrustalev L.N., Medvedev AV., Pustovojt G.P. Mnogoletnee izmenenie temperatury vozduha i ustojcivost' proektiruemyh v kriolitozone sooruzenij // Kriosfera Zemli. 2000. T. IV, №3. S. 35-41.
10. Vlasov V.P., Perl'stejn G.Z., Popov U.F. Problemy ustojcivosti sooruzenij na Severo-Vostoke Rossii // Kriosfera Zemli. 1999. T. III, № 2. S. 66-70.
11. Perlshtein G.Z., Vlasov V.P. and Khrustalev L.N. The use of heat pumps for building in permafrost area. The 2-d International Conference on the Arctic Margins. Abstracts vol., Magadan, 1994. P. 91.
12. Patent 2519012 Rossia E02D 3/115. Sposob i ustrojstvo dla kruglogodicnyh ohlazdenia, zamorazivania grunta osnovania fundamenta i teplosnabzenia sooruzenia na vecnomerzlom grunte v usloviah kriolitozony / Trusevskij S.N., Strebkov D.S. // Federal'naa sluzba po intellektual'noj sobstvennosti RF. http://www.freepatent.ru/ patents/2519012.
13. Rekomendacii po ocenke effektivnosti sistemy sbora nizkopotencial'nogo tepla grunta dla celej teplo-hlado-snabzenia zdanij / NIISF. M., Strojizdat, 1988.
14. Goodrich L.E. and Plunkett J.C. Performance of heat pump chilled foundations. Proc. of the Fifth Canadian Permafrost Conference, Centre d'etudes nordiques, Universite Laval. Nordicana no54. 1990. R. 409-418.
15. Jnstanes B. Permafrost engineering on Svalbard // International Workshop on Permafrost engineering Longyearbyen, Svalbard, Norway, 2000. P. 1-24.
16. Gulyj SA. Resursy nizkopotencial'noj energii dla teplovyh nasosov na territorii Magadanskoj oblasti // Kolyma. 1999. № 3. S. 55-59
17. Perl'stejn G.Z., Gulyj SA., Bujskih А.А. O perspektivah primenenia teplovyh nasosov dla resenia inzenernyh zadac v zone vecnoj merzloty. V sb. dokl. «Vecnaa merzlota i ekonomiceskoe razvitie, bezopasnost' okruzafisej sredy, potencial prirodnyh resursov». Novosibirsk, 1998. S.18-21.
18. Perl'stejn G.Z., Gulyj SA, Bujskih А.А. Matematiceskoe modelirovanie temperaturnyh polej, sozdavaemyh teplovymi nasosami. V sb. materialov I Mezdunarodnoj konferencii Аkademii Severnogo foruma Respubliki Saha (RH) «Znanie - na sluzbu nuzdam Severa». Akutsk, 1996. S. 205.
19. Perl'stejn G.Z., Gulyj SA., Bujskih А.А. Povysenie nesusej sposobnosti merzlyh gruntov s pomos'fi teplovyh nasosov // Osnovania i. fundamenty. 2000. № 3. S. 26-31
20. Gulyj SA. Osnovy primenenia teplovyh nasosov v geotehnike kriolitozony: А'уТюгеГ dis... kand. tehn. nauk. Akutsk, 2001.
21. Fedorov N.F., Gusev V.M. Sanitarnaa tehnika. Leningrad: Gosstrojizdat, 1961.
22. SNiP 23-01-99. Stroitel'naa klimatologia.
23. Trupak N.G. Zamorazivanie gruntov v stroitel'stve (primery primenenia). M.: Gosudarstvennoe izdatel'stvo literatury po stroitel'stvu, arhitekture i stroitel'nym materialam, 1970.
Транслитерация по ISO 9:1995
— TATA —
№ 17 (157) Международный научный журнал
