Эффективность децентрализованного теплоснабжения на базе грунтового теплового насоса Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 621.577

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ ГРУНТОВОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА

© 2014 г. Р.А. Ильин, Р.А. Амерханов

Ильин Роман Альбертович - канд. техн. наук, доцент, ст. науч. сотр., Лаборатория нетрадиционной энергетики Саратовского научного центра РАН (при ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет»). Тел. (8512) 614-282. E-mail: kaften.astu@mail.ru

Амерханов Роберт Александрович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Электротехника, теплотехника и возобновляемые источники энергии», Кубанский государственный аграрный университет. Тел. (861) 221-58-54. E-mail: ener-gyksau@mail.ru

Ily 'in Roman Albertovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, senior researcher, Laboratory of Non-traditional Energetic of Saratov Scientific Center of RAS (under FSBEI HPI «Astrakhan State Technological University»). Ph. (8512) 614-282. E-mail: kaften.astu @ mail.ru

Amerkhanov Robert Aleksandrovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Electrical, Heating and Renewable Energy Sources», Kuban State Agrarian University. Ph. (861) 221-58-54. E-mail: energyksau@mail.ru

Рассматривается вопрос применения для нужд автономного теплоснабжения домов приусадебных участков и фермерских хозяйств тепловых насосов. Дан анализ эффективности работы компрессионного теплового насоса для теплоснабжения административных помещений.

Ключевые слова: тепловой насос; автономное теплоснабжение; геотермальный тепловой насос; источник низкопотенциальной теплоты - грунт; тепловая нагрузка.

The question of heat pump application for needs of autonomous heat supply of houses, gardens and farms is considered. There was given the analysis of effectiveness of compressive heat pump work for heat supply of administrative premises.

Keywords: heat pump; autonomous heat supply; geothermal heat pump; source of low temperature heat - ground; heat load.

В настоящее время в России тепловые насосы все большее применение находят для нужд автономного теплоснабжения небольших усадебных домов, отдаленных от централизованного теплоснабжения и газопроводов [1 - 6]. В сфере же городского коммунального хозяйства - при реконструкции существующих зданий, при капитальном строительстве и проектировании новых микрорайонов города по-прежнему предпочтение отдается централизованному теплоснабжению или строительству новых котельных.

Несмотря на то что централизованное теплоснабжение от ТЭЦ остается энергетически эффективным способом использования энергии топлива, крайне важным остается вопрос автономного теплоснабжения зданий, так как использование децентрализации позволяет лучше адаптировать систему теплоснабжения к условиям потребления теплоты конкретного объекта, а отсутствие внешних распределительных сетей практически исключает непроизводственные потери теплоты при транспорте теплоносителя [1 - 4, 7 - 9].

В работе произведен анализ эффективности работы компрессионного теплового насоса (ТН) для теплоснабжения на примере двух административных помещений, расположенных в пятиэтажном здании учебного корпуса Астраханского государственного технического университета в г. Астрахани (рисунок), при условии полного отключения данных помещений от существующей централизованной системы отопления (от ТЭЦ).

План анализируемых помещений

Климатологические данные г. Астрахани для расчета по СНИП 2.04.05-91: расчетная летняя температура +36 °С; расчетная зимняя температура -24 °С; температура внутри анализируемых помещений: кабинеты 5.201 и 5.202 +23 °С; коридор +18 °С.

Для рассматриваемого объекта целесообразно применить для отопления помещений геотермальный ТН, использующий в качестве источника низкопотенциальной теплоты - грунт. Так как территория возле рассматриваемого объекта ограничена, то отбор тепла из грунта будет осуществляться с помощью вертикальных грунтовых зондов, смонтированных при помощи бурильной установки [4 - 6, 9, 10].

В соответствии с Приложением № 1 МДС 41-4.2000 [11] расчетную часовую тепловую нагрузку, кВт, отопления отдельного здания можно определить по укрупненным показателям по формуле:

0ор =aVq0 (tB -tHp)(1 + Kир)10-:

(1)

где а = 1,08 - поправочный коэффициент (табл. 5.1 [10]), учитывающий отличие расчетной температуры наружного воздуха для проектирования отопления /нро в местности, где расположено рассматриваемое здание, от = -30 оС, при которой определено соответствующее значение qо; V - объем здания по наружному обмеру, м3 (в данном варианте V = 220,2 м3 - объем двух помещений); qо - удельная отопительная характеристика здания при ^ = -30 оС, кДж/м3-ч-оС.

Удельная qо определяется по формуле

q0 = a / ^ ,

где а = 1,3 ккал/(м2-ч-оС); п = 8.

Расчетный коэффициент инфильтрации

KHp = 10-

1 -

273 +1 ^

Z. / J Т1нр.о

273 +1

+ W

(2)

(3)

где g = 9,81 м/с ; L - свободная высота здания, м; мр = = 4,3 м/с - расчетная для данной местности скорость ветра в отопительный период (по СНиП 2.04.05-91).

Результаты расчетов по формулам (1) - (3) сведены в табл. 1. Из таблицы видно, что расчетная тепловая нагрузка для определяемых помещений Qор составит 9,02 кВт.

Таблица 1

Определение тепловой нагрузки анализируемых помещений

Наименование параметра Значение

Отапливаемый объем V, м3 220

Поправочный коэффициент а для жилых зданий, м3 1,08

Температура внутри помещения °С 23

Температура наружного воздуха °С -24

Удельная отопительная характеристика Ч0, ккал/м3 ч °С 0,66

Ускорение свободного падения g, м/с2 9,8

Свободная высота помещений Ь, м 3

Расчетная скорость ветра мо, м/с 4,3

Часовая тепловая нагрузка чо, Гкал/ч 0,0076

Тепловая нагрузка Qор, кВт 9,02

Следует обратить внимание на то, что при выборе ТН невыгодно ориентировать его мощностные показатели на максимальные требования по мощности, т.е. на покрытие энергозатрат в самый холодный день года. Опыт показывает, что ТН должен покрывать лишь 60 - 90 % (в зависимости от теплоисточника) общей годовой потребности в энергии для отопления и горячего водоснабжения. При крайне низких зимних температурах задействуется пиковый доводчик, входящий в комплект оборудования, или имеющееся иное котельное оборудование.

Таким образом, для отопления анализируемых помещений необходимо установить тепловой насос мощностью Qтн = 0,6•Qор = 0,6-9,02 и 5 кВт.

Принимаем к установке геотермальный тепловой насос NIBE М145-5 (производство Швеции) с техническими характеристиками, приведенными в табл. 2.

Таблица 2

Технические характеристики МВЕ Л145-5

Поставляемая / затрачиваемая мощность (В 0 / Ж 35)**, кВт 4,8/1,0

Поставляемая мощность (В 0 / Ж 50)***, кВт 3,9

Коэффициент теплопроизводительности СОР (В 0 / Ж 35) ** 4,4

СОР (В 0 / Ж 50) *** 3,1

Мощность нагрева электрокотла, ступенчато, кВт 2/4/6/7

Вес модуля охлаждения, кг 110

ВхШхГ, мм 1475x600x620

Примечание. - в соответствии с евростандартом £N255 для теплоносителя с улицы 0 оС / горячая вода отопления 35 оС; - в соответствии с евростандартом £N25 для теплоносителя с улицы 0 оС / горячая вода отопления 50 оС.

Рассмотрим, какие капитальные затраты требуются на приобретение и установку ТН (табл. 3), учитывая, что данная установка будет использоваться только для нужд теплоснабжения анализируемых помещений, а также экономическую целесообразность установки данного вида оборудования в рассматриваемых условиях по ценам фирмы-производителя на 2012 г.

При существующей системе централизованного отопления от Астраханской ТЭЦ-2 оплата тепловой энергии осуществляется по тарифам теплотранспорт-ной компании ООО «ЛУКОЙЛ-ТТК», таким образом эксплуатационные затраты при использовании традиционных методов отопления на примере анализируемых помещений по оценке на 2013 г. можно вычислить следующим образом:

Э = чТ , (4)

где ч - количество кВт-ч тепловой энергии, необходимое для отопления здания в течение одного отопительного периода; Т = 1299,36 руб./Гкал - тариф на тепловую энергию.

Таблица 3

Капитальные затраты на приобретение и установку теплового насоса

№ Оборудование/ услуги Стоимость единицы товара, руб. Количество Сумма, руб.

1 Геотермальный тепловой насос NIBE 268160 1 шт. 268160

2 Вертикальный зонд для скважин 60 м Collector 40x3,0 2x100m PE100 SDR13,6 PN12,5 17200 1 шт. 17200

3 Пропиленгликоль 120 209 л 25080

4 Бурение скважины 800 руб./м 100 м 80000

5 Набор для закачки рассола KB G25 6640 1 шт. 6640

Итого: 397080

Величину q можно определить по формуле: q = 10-324NS / (tв - tH ) ,

(5)

где N - тепловая мощность отопительной системы, Вт;

- число градусо-суток отопительного периода; (4 - -разность температур внутреннего и наружного воздуха, оС; 5 = 4041,4 - градусо-сутки отопительного периода следует определять в соответствии со СНИП 11-3-79.

Тогда q = 10-3-24 ■ 8000-4041,4 / (23 + 24) = = 16509,55 кВт-ч = 14,2 Гкал.

Таким образом, Э = 14,2-1299,36=18450,92 руб.

Затраты на электрическую энергию, необходимую для работы ТН, можно определить по формуле

Этн

(6)

где Qз - количество кВт-ч электрической энергии, необходимое для работы ТН в течение одного отопительного периода; Тэ = 3,62 руб./кВт-ч - тариф на электрическую энергию.

Величину Qз можно определить по формуле

Q = q = 10318.5 = 3328,5 кВт-ч,

3,1

(7)

Как видно из расчета, срок окупаемости системы, в которой используется тепловой насос исключительно для нужд теплоснабжения анализируемых помещений, достаточно велик. Одним из вариантов снижения такого большого срока (62 года) окупаемости проекта -применение геотермального ТН еще и для нужд кондиционирования помещений в летний период. Таким образом, ТН будет использоваться почти в течение всего года.

В случае использования традиционного способа кондиционирования помещений с помощью сплит-систем, потребовалась бы установка двух сплит-систем с общей охлаждающей способностью 12 кВт. Для анализа, в качестве примера, выберем сплит-системы фирмы Daikin с характеристиками, приведенными в табл. 4.

Таблица 4

Технические характеристики сплит-системы Daikin (Модель FTYN35GXV1B/RYN35GXV1B, Малайзия)

где q = 10-24-5000-4041,4/(23+24)=10318,5 кВт-ч = = 8,86 Гкал; ц = 3,1 - коэффициент теплопроизводи-тельности, принимаем согласно техническим характеристикам принятого теплового насоса (табл. 2) из условий СОР (ВО/w 50):

Этн = 3328,55-3,62 = 12049,34 руб.

Таким образом, экономия денежных средств (D) при применении ТН для нужд теплоснабжения анализируемых помещений за один отопительный сезон составляет:

D1 = Э - Этн= 18450 - 12049,34 = 6400,66 руб.

Срок окупаемости С, лет, может быть определен по формуле

С! = М Д, (8)

где К - капитальные затраты на приобретение и установку теплового насоса (табл. 3).

Тогда С = 397080/6400,66= 62 года.

Показатель Характеристика

Площадь охлаждаемого помещения (в 2,6 м), м2 до 35

Производительность по холоду, кВт 3,27

Производительность по теплу, кВт 3,68

Охлаждающая способность 12000 BTU

Максимальный воздушный поток, м3/мин 9,8

Класс энергоэффективности А

Энергопотребление в год (500 ч), кВт-ч 510

Потребляемая мощность, Вт 1020

Количество внутренних блоков 1

Размер внутреннего блока (В*Ш*Г), см 29x80x21

Вес внутреннего блока, кг 9

Размер внешнего блока (В*Ш*Г), см 55x77x29

Вес внешнего блока, кг 31

Для работы ТН в режиме кондиционирования при пассивном охлаждении необходимо докупить модуль «пассивного» охлаждения РСМ40, а также установить 2 фанкойла холодопроизводительностью по 6 кВт. Примем к установке 2 фанкойла BALLU BMFP-720 с техническими характеристиками, приведенными в табл. 5.

Таблица 5

Технические характеристики фанкойла BALLU

Мощность охлаждения, кВт 7,2

Режим работы Охлаждение и обогрев

Максимальный расход воздуха, м3/ч 1300

Мощность обогрева, кВт 10,8

Потребляемая мощность, кВт 0,13

Габариты (ШхВхГ), мм 840x230x840

Напряжение, В 220

Гарантия, год 2

Страна изготовителя Китай

Затраты на приобретение дополнительных элементов для работы ТН в режиме кондиционирования приведены в табл. 6. Затраты (в ценах 2013 г.) на приобретение и установку выбранных сплит-систем приведены в табл. 7.

Таблица 6

Капитальные затраты на приобретение и установку дополнительного модуля теплового насоса

Оборудование / услуги Стоимость единицы товара, руб. Количество, шт. Сумма, РУб.

Модуль «пассивного» охлаждения РСМ 40 89200 1 89200

Фанкойлы 23600 2 47200

Итого: 136400

Эксплуатационные затраты на электрическую энергию при использовании системы кондиционирования ТН в сутки вычислим по формуле

Этн = 24 (бф2 + Qн + QHг) Тэ, (9)

где Qф = 0,13 кВт - потребляемая электрическая мощность фанкойла в час (табл. 4); Qнг = 0,1 кВт - потребляемая электрическая мощность циркуляционным насосом грунтового контура; Qн = 0,06 кВт - циркуляционные насосы самого ТН и контура отопления (подачи в фанкойлы).

Таблица 7

Капитальные затраты на приобретение и установку сплит-систем

Оборудование/ услуги Стоимость единицы товара, руб. Количество, шт. Сумма, РУб.

Сплит-система Daikin FTYN35GXV\B/ RYN35GXV\B 34900 2 69800

Установка 2000 2 4000

Итого: 73800

Тогда ЭТН = 24-(2-0,13 + 0,1 + 0,06)-3,62 = = 24 0,42-3,62 = 36,45 руб./сут.

Эксплуатационные затраты на электрическую энергию при использовании сплит-систем в сутки вычислим по формуле

Эсшшт=24Х2Х Qэ.cxГэ, (10)

где Qз.c = 1,02 - потребляемая электрическая мощность слит-системы, кВт-ч.

Тогда Эсплит = 24-2-1,02.-24 = 177,24 руб./сут.

Таким образом, экономия денежных средств (В) при применении ТН для кондиционирования анализируемых помещений за один сезон длительностью 162 дня составит: В2 = (Эсплит - Этн) 156 = (177,24 -- 36,45)-162 = 22808 руб.

Тогда срок окупаемости ТН составит:

С2 =(( К + К2)-К3) / (Ц + В2) = ((397080 + 136400) -

- 73800)/(6400,66+22808)= 459680/22808 = 20 лет,

где К1+К2 - капитальные затраты на приобретение и установку ТН и дополнительного модуля для «пассивного» охлаждения; К3 - капитальные затраты на приобретение и установку сплит-систем; - экономия денежных средств при установке ТН для нужд теплоснабжения; В2 - экономия денежных средств при использовании системы кондиционирования ТН.

Также в данном расчете необходимо учесть, что срок эксплуатации сплит-системы составляет около 10 лет и через этот период придется произвести замену сплит-систем на новые, тогда как период гарантийной работы ТН около 20 лет. Тогда срок окупаемости ТН составит:

С3 =((К] + К2)-К3 -К4)/(В + В2) = = (459680 - 147600) / 22808 = 13,7 лет,

где К4 = 147600 - капитальные затраты на замену сплит-систем.

В качестве выводов можно сказать следующее.

Для отопления и кондиционирования рассмотренных помещений общей площадью 73,4 м2 требуется установить ТН мощностью 5 кВт, при этом затраты

на приобретение и установку данного оборудования составляют 533480 руб. Срок окупаемости составляет 13,7 лет.

На сегодня геотермальный ТН является наиболее эффективной энергосберегающей системой отопления и кондиционирования. Однако несмотря на очевидный экономический эффект от внедрения энергосберегающих технологий, в России пока еще не так много крупных объектов, где внедрены и эксплуатируются климатические системы на ТН. Только в последние годы российские инвесторы обратили внимание на эту передовую технологию и стали активно внедрять её на своих объектах.

Литература

2006.

1. Амерханов Р.А., Драганов Б.Х. Теплотехника. М., 432 с.

2. Амерханов Р.А., Богдан А.В., Вербицкая С.В., Гарька-вый К.А. Проектирование систем энергообеспечения: учебник для студентов вузов по направлению «Агроин-женерия» / под ред. Р.А. Амерханова: 2-е изд., перераб. и доп. М., 2010. 548 с.

3. Амерханов Р.А., Потапенко А.И., Ададуров Е.А. Тепловой аккумулятор. Патент на изобретение RUS2253807 от 30.08.2004. Опубл. 10.06.2005. // Б.И. 2005. № 16.

4. Амерханов Р.А. Тепловые насосы. М., 2005. 160 с.

5. Перспективы применения тепловых насосов для отопления и кондиционирования зданий и сооружений // Тепловые насосы. 2012. № 1. С. 23 - 25. Шилкин Н.В. Опыт реализации системы отопления на базе теплонасосных установок в коттеджном поселке // Тепловые насосы. 2012. № 2. С. 22 - 29. Амерханов Р.А., Драганов Б.Х. Термоэкономическая оптимизация реальных солнечных теплонасосных систем // Изв. вузов. Электромеханика. 2003. № 3. С. 32 - 38. Амерханов Р.А., Ададуров Е.А., Денисова А.Е. Анализ системы теплоснабжения с комплексным использованием альтернативных источников энергии // Изв. вузов. Электромеханика. 2004. № 1. С. 61 - 63.

9. Амерханов Р.А., Бегдай С.Н. К проблеме энергоэффективных зданий // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. № 2. С. 91 - 94.

10. Амерханов Р.А. Тепловые насосы и их роль в решении проблем энергосбережения и защиты окружающей среды // Труды Кубанского госагроуниверситета. Вып. № 2. Краснодар, 2006. С. 207 - 219.

11. МДС 41-4.2000. Методика определения количеств тепловой энергии и теплоносителя в водяных системах коммунального теплоснабжения. М., 2000. 22 с.

6

7.

8

Поступила в редакцию

17 октября 2013 г.

Поправка

к статье А.И. Озерского «Моделирование динамических режимов работы гидроприводных систем с тепловыми и электрическими источниками энергии», опубликованной в журнале № 5, 2013 г.

На стр. 42 замечена опечатка. В четвертой строке левой колонки вместо слова «асинхронного» следует читать «синхронного».

Редакция приносит извинения читателям за допущенную ошибку.