CC BY
18УДК 658.26
Мохова А.А.
магистрант
Пермский государственный аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова (Россия, г. Пермь)
Зекин В.Н.
к.т.н., профессор,
Пермский государственный аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова (Россия, г. Пермь)
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО НАСОСА В ДОМАХ УСАДЕБНОГО ТИПА
Аннотация: в данной статье представлен один из вариантов применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в сельской местности. Дана общая характеристика основных видов тепловых насосов и рассмотрена возможность использования тепловых насосов для отопления жилых зданий удаленных сельских районах Пермского края.
Ключевые слова: энергосбережение, отопление, тепловой насос, источники низкопотенциального тепла, электрический котел.
Метод исследования. Теоретической и методической основой данного исследования являлись разработки отечественных и за рубежных ученых в области использования ВИЭ.
Для достижения указанной цели необходимо изучить теоретическую основу и рассмотреть возможность применения теплового насоса в Пермском крае.
Актуальность темы
В связи с тем, что наибольший процент населения в наше время предпочитает проживание в малоэтажных домах усадебного типа, вопросы снижения тепловых потерь при транспортировке энергоносителя и отоплении этих зданий становятся наиважнейшими задачами.
В связи с увеличением спроса на энергоресурсы и возрастанием их стоимости наибольшую роль играет понижение теплопотерь строений и сооружений. В особенности актуальна эта проблема в малоэтажном строительстве для Пермского края, площадь которого 160 600 км2 , большая часть из которой представлена сельскими территориями. [1]
Эффективное средство экономии топлива и защиты окружающей среды заключается в широком использовании тепловых насосных установок, позволяющих с наименьшими потерями комплексно решать насущные проблемы энергосбережения и защиты окружающей среды. Тепловые насосы могут сыграть решающую роль в использовании возобновляемых источников энергии. [2]
Вот уже более десяти лет, как к классическим автономным системам отопления на газовых и электротеновых котлах присоединились энергоэффективные тепловые насосы, как класс геотермального отопления.
Результаты работы
Под термином «тепловой насос» понимается набор определенного оборудования, основной функцией которого является сбор тепловой энергии и ее транспортировка к потребителю. [3]
Тепловой насос (ТН) предназначен для использования энергии, получаемой от источника тепла низкой температуры. Тепловые, энергетические и экономические характеристики тепловых насосов тесно взаимосвязаны с характеристиками источников, из которых насосы берут тепло.
Идеальный источник тепла должен давать стабильную высокую температуру в течение отопительного сезона; не должен быть коррозийным и
загрязняющим; а также иметь благоприятные теплофизические характеристики; он не должен требовать существенных инвестиций и расходов по обслуживанию. В большинстве случаев имеющийся источник тепла является ключевым фактором, определяющим эксплуатационные характеристики теплового насоса, особенно в сельских районах с длительным зимним периодом.
В качестве низкопотенциальных (низкотемпературных) источников теплоты могут использоваться:
а) возобновляемые источники энергии (ВИЭ): теплота окружающего воздуха; теплота грунтовых и геотермальных вод; теплота природных вод (морская, озерная, речная вода); теплота солнечной энергии; а также слоев грунта с постоянной положительной температурой.
б) вторичные энергетические ресурсы: теплота вентиляционных выбросов; теплота канализационных стоков; из помещений зданий и сооружений утилизационная теплота технологических процессов и т. п.
Источники низкопотенциального тепла, пригодные для утилизации, имеются практически во всех отраслях промышленности и в коммунальном хозяйстве - это системы оборотного водоснабжения и охлаждения технологического оборудования, вентиляционные выбросы, сточные воды и др.
Таблица № 1 Основные источники никзкопотенциальной теплоты (ИНТ) [4]
ИНТ Теплоноситель внешнего контура
Грунтовые воды Вода
Грунт Антифриз
Вода с водозабора Вода
Речная вода Антифриз
Окружающий воздух Воздух
Различают следующие типы тепловых насосов [5]
1) По виду передачи энергии тепловые насосы бывают двух типов: компрессионные и абсорбционные.
Основные элементы компрессионного ТН - это компрессор, конденсатор, расширитель и испаритель. Используется цикл сжатия-расширения теплоносителя с выделением тепла. Этот тип тепловых насосов прост, высокоэффективен и наиболее популярен.
Абсорбционные тепловые насосы нового поколения, используют в качестве рабочего тела пару абсорбент-хладон. Применение абсорбента повышает эффективность работы теплового насоса.
2) По источнику тепла выделяют тепловые насосы: геотермальные и воздушные, использующие вторичное тепло.
В геотермальных ТН тепловая энергия берется из грунта или воды. В воздушных - тепло извлекается из атмосферы.
В качестве источника вторичного тепла используются воздух, вода, канализационные стоки.
3) По виду теплоносителя в контурах различают:
- «воздух-воздух» - тепловые насосы забирают тепло у более холодного воздуха, еще больше понижая его температуру, и отдают его воздуху в отапливаемое помещение;
- «вода-вода» - используется тепло грунтовых вод, которое передается воде для отопления и горячего водоснабжения;
- «вода-воздух» - используются зонды или скважины для воды и воздушная система отопления;
- «воздух-вода» - атмосферное тепло в тепловых насосах используется для водяного отопления;
- «грунт-вода» - трубы прокладываются под землей, и по ним циркулирует вода, забирающая тепло из грунта;
- «лед-вода» - для нагревания воды в системе отопления и горячего водоснабжения используется тепловая энергия, которая высвобождается при получении льда.
Замораживание 100-200 л воды способно обеспечить обогрев среднего дома в течение часа. Рассмотрим источники низкого потенциала подробно. [6, 7]
Прйацйпмлыиа смм ряЪоп* ммовмо МКОС4 (ТНУ)
Тепло кчкмиов, г руито«ма »оА.
Г«1ИОГ*ИНМ ••ЛЙО N * А-
Рис. 1. Принцип работы теплового насоса
Теплоноситель движется по грунту или воде, в процессе «снимая» тепло и повышая свою температуру на несколько градусов. В теплообменнике теплоноситель отдает накопленное тепло хладагенту, тот становится паром, поступает в компрессор, где поднимается его температура. В этом виде он поставляется в конденсатор, отдает тепло теплоносителю дома, и охладившись, снова превращается в жидкость и поступает в испаритель, где нагревается от новой порции нагретого теплоносителя. Цикл повторяется.
Таким образом, тепловой насос состоит из четырех основных элементов:
1. Компрессор
2. Теплообменник (конденсатор)
3. Теплообменник (испаритель)
4. Соединительная арматура и элементы автоматики.
Компрессор необходим для сжатия и перемещения хладагента по системе. При сжимании фреона его температура и давление резко повышается (развивается давление до 40 бар, температура до 140 С), и в форме газа с высокой степенью сжатия он поступает в конденсатор (адиабатический процесс, т.е. процесс в котором система не взаимодействует с внешним пространством), где передает энергию потребителю. Потребителем может выступать как непосредственно среда, которую необходимо обогреть (например, воздух в помещении), так и теплоноситель (вода, антифриз и т.д.), который далее распределяет энергию по системе отопления (радиаторы, теплые полы, обогреваемые плинтуса, конвекторы, фанкойлы и прочее). Температура газа при этом, естественно понижается, и он меняет свое агрегатное состояние с газообразного на жидкостное (изотермический процесс, т.е. процесс, протекающий при постоянной температуре).
Далее хладагент в жидком состоянии поступает в испаритель, проходя через терморегулирующий вентиль (ТРВ), необходимый для уменьшения давления и дозирования поступления фреона в испарительный теплообменник. В следствии снижения давления при прохождении каналов испарителя осуществляется фазовый переход, и агрегатное состояние хладагента снова меняется на газообразное. При этом энтропия газа снижается (исходя из теплофизических свойств фреонов), что приводит к резкому падению температуры, и происходит «отъем» тепла у внешнего источника. В качестве внешнего источника может выступать уличный воздух, недра земли, реки, озера. Далее охлажденный газообразный фреон возвращается в компрессор, и цикл повторяется снова.
Фактически получается, что тепловая машина сама не производит выработку тепла, а является устройством по перемещению, модифицированию и видоизменению энергии от окружающей среды в помещение. Однако для этого процесса необходима электроэнергия, основным потребителем которой выступает компрессорный агрегат. Соотношение полученной тепловой
мощности к затраченной электрической называется коэффициентом преобразования (СОР). Он меняется в зависимости от типа ТН, его производителя, прочих факторов и варьируется в пределах от 2 до 6.
К основным характеристикам тепловых насосов можно отнести [8]:
1. Тепловую мощность от 8 кВт до 25 кВт, свыше 25 кВт для 2-3 уровневых жилых домов с потолками 2,7м
2. Температуру теплоносителя на выходе 55-70°С. Показатель важен для расчёта потерь на длинном отопительном контуре и при организации дополнительной системы горячего теплоснабжения.
3. Сетевое напряжение 220 В, 380 В. Однофазные - потребляемая мощность не более 5,5 кВт, только для стабильной (малонагруженной) бытовой сети; самые дешёвые - только через стабилизатор. Если есть сеть 380 V, то трёхфазные приборы предпочтительнее - больший диапазон мощностей, меньше вероятность «просадить» сеть.
Использование тепловых установок в Пермском крае
На Урале, а в частности в Перми и Пермском крае самым популярным и наиболее эффективным способом является подогрев за счет плюсовых температур грунтовых вод, поэтому на участке где устанавливается тепловой насос подготавливаются скважины. Каждый метр скважины в пересчете дает от 20 до 50 ватт тепла, в зависимости от насыщенности скважины водой и ее дебета. Конечно существенно упростит вам жизнь находящийся по близости ручей, а лучше река, тогда затраты на установку насоса сократятся в разы.
Давайте рассмотрим конкретный пример жилого дома общей площадью 150 м2. Где из энергоносителей имеется только электричество и дом ограничен по техническим условиям до 15 кВт потребления в час. Предположим, что дом расположен в Пермском крае и из теплового расчета стало известно, что при уличной температуре -35Со и комнатной температуре +22 Со дом максимально теряет 15 кВт тепла.
Для расчетов примем, что отопительный сезон составляет 225 дней. Стоимость электроэнергии 2,76 рублей (Частный сектор Перми и Пермского края). Средняя температура отопительного периода -15С, при этом потери дома составят порядка 8кВт -час.
Условия при отоплении электрическим котлом:
Р = 225 * 8 * 24 * 2,76 = 119 232 руб. за отопительный период Условия при тепловом насосе:
Р = 225 * 1,6 * 24 * 2,76 = 23 846 руб.за отопительный период Где К =1,6 - потребление дома 8 кВт / КПД Сведем полученные результаты в таблицу № 2
Таблица № 2 Экономические показатели
№ п/п Наименование показателя Электрический котел Тепловой насос
1 Стоимость оборудования и монтажа, руб. 200 000 - 400 000 [9] 380 000 - 700 000 [10]
2 Обслуживание установки, руб./ год 10 000-15 000 10 000-20 000
3 Срок службы, лет 5-7 Более 50
4 Затраты на оплату электричества, руб. 119 232 23 846
Вывод: годовая экономия составит 95 386 руб., окупаемость таких инвестиций составит (700 000-400 000)/95 386= 3,1 года.
Однако, в последние годы на рынке Европы и Америки тепловые насосы, использующие теплоту наружного воздуха, начали активно вытеснять более дорогие по первоначальным капитальным затратам насосы с грунтовыми теплообменниками [11]
Стоит отметить, что такие насосы оптимально подходят для низкотемпературных систем отопления и нагрева воды, имеют низкую стоимость установки, так как не имеют дополнительного подземного контура. Еще одним немаловажным преимуществом тепловых насосов «воздух - воздух»
является их низкая температура стока (воздушной массы, проходящей через теплообменник конденсатора). Такая особенность позволяет обеспечить оборудованию более высокую производительность, а значит, и высокий уровень теплоотдачи.
Однако, как и любой другой вид тепловых насосов, подобное оборудование имеет и свои недостатки; так, тепловые насосы «воздух - воздух» характеризуются частыми колебаниями величины производительности, зависящей от перепадов температуры снаружи здания в течение отопительного сезона. Второй минус - габариты: каждый тепловой насос рассчитан на определенную теплопроизводительность, поэтому для больших зданий используется сразу несколько установок или более габаритные модели.
В официальном рейтинге холодных стран России принадлежит первое место. Поэтому актуальным остается вопрос о возможности и эффективности применения таких тепловых насосов в климатических условиях большей части РФ.
Согласно проведенному исследованию кандидата технических наук А.А. Гришкова, доцента ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», работа тепловых насосов, использующих низкопотенциальную теплоту атмосферного воздуха, показали, что в условиях Урала системы на их основе позволяют снизить энергопотребление жилого дома на 42,6 % и окупаются в сравнительно небольшие сроки [11]
Таким образом, применение тепловых насосов для индивидуального теплоснабжения имеет следующие преимущества:
- исключение протяженных тепловых сетей;
- экономия объема природного топлива, расходуемого натеплоснабжение;
- улучшение экологии из-за снижения вредных выбросов;
- безопасность по сравнению с котельными на газовом или твердом топливе;
- меньшие затраты на обслуживание, так как требуется только периодический контроль.
В настоящее время затраты на индивидуальное теплоснабжение с применением тепловых насосов значительно экономичней электроэнергии и сопоставимы с газовым отоплением [9]
Требуемая для теплового насоса энергия бесплатна и доступна в неограниченном количестве в окружающей среде. Тем самым обеспечивается независимость от ископаемых источников энергии и снижение выбросов углекислого газа и защита окружающей среды. С тепловым насосом становится возможным использование природного тепла для покрытия до 80% суммарной потребности отоплений домов усадебного типа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Мартюхов М.К., Рагозина М.А. ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ОБЪЕКТОВ МАЛОЭТАЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2018. №14. URL:
https://cyberleninka.ru/article/n/povyshenie-energoeffektivnosti-obektov-maloetazhnogo-stroitelstva (дата обращения: 21.10.2022).
Муртазаева, Ю.Л. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ / Ю.Л. Муртазаева, К.А. Гарькавый // Труды Кубанского государственного аграрного университета. — 2013. — № 45. — С. 229-231. — ISSN 1999-1703. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/journal/issue/290571 (дата обращения: 21.10.2022). — Режим доступа: для авториз. Пользователей. — С. 1. Иванушкина, К.В. ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ «ВОЗДУХ-ВОДА» И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В СИСТЕМЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ЖИЛОГО ДОМА / К. В. Иванушкина, П. С. Почекунин // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.
Серия: Студент и наука. — 2020. — № 1. — С. 85-90. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/journal/issue/315407 (дата обращения: 21.10.2022). — Режим доступа: для авториз. Пользователей. — С. 1.
Почанин, Ю.С. ТЕПЛОВОЙ НАСОС - ЭНЕРГЕТИЧЕСКИ ЭФФЕКТИВНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ / Ю.С. Почанин // Агропанорама. — 2009. — № 6. — С. 26-31. — ISSN 2078-7138. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/journal/issue/295702 (дата обращения: 21.10.2022). — Режим доступа: для авториз. Пользователей. — С. 2.).
Горшков, В. Г. Тепловые насосы. Аналитический обзор /В. Г. Горшков // Справочник промышленного оборудования. - Ниж-ний Новгород, 2004. - No 23. - С. 4.
Амерханов, Р. А. Тепловые насосы / Р. А. Амерханов. -Москва:Энергоатомиздат, 2005. - 160 с.
Дзино, А. А. Машины и системы низкопотенциальной энергетики:учебно-методическое пособие / А. А. Дзино, О. С. Малинина. - Санкт-Петербург: Университет ИТМО, 2016. - 66 с.
Расщепкин, А. Н. Тепловые насосы : учебное пособие / А. Н. Расщепкин, В. М. Столетов ; под редакцией Т. Г. Черненко. — Кемерово : кемгу, 2020. — ISBN 978-5-8353-2630-3. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/156114 (дата обращения: 21.10.2022). — Режим доступа: для авториз. Пользователей. — С. 5. Отопление сити [сайт] // URL: https://perm.otoplenie.city/uslugi/montazh-otopleniya/ (дата обращения 02.11.2022)
Котел гуру [сайт] // URL: https://kotel.guru/alternativnoe-otoplenie/teplovye-nasosy/stoimost-ustanovki-teplovyh-nasosov.html (дата обращения 02.11.2022) Гришков А. А. Эффективность использования воздушных тепловых насосов в условиях Пермского края - АВОК № 3'2014.
Mokhova A.A.
Master's student Perm State Agrarian and Technological University named after Academician D.N. Pryanishnikov (Russia, Perm)
Zekin V.N.
Candidate of Technical Sciences, Professor, Perm State Agrarian and Technological University named after Academician D.N. Pryanishnikov (Russia, Perm)
EFFECTIVENESS OF USE OF THERMAL PUMP IN MANOR-TYPE HOUSES
Abstract: this article presents one of the options for the use of renewable energy sources in rural areas. The general characteristics of the main types of heat pumps are given and the possibility of using heat pumps for heating residential buildings in remote rural areas of the Perm Region is considered.
Keywords: energy saving, heating, heat pump, low-potential heat sources, electric boiler.
