CC BY
2
УДК 699.8; 620.07:621.311-027.521 DOI: 10.24412/2071-6168-2024-2-497-498
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ НАЗЕМНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ
РАЙОНОВ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
С.И. Богомолов
В статье изложены предложения по повышению энергоэффективности объектов наземной космической инфраструктуры за счет использования тепловых насосов в общей теплосистеме обеспечения зданий и сооружений.
Ключевые слова: объекты наземной космической инфраструктуры, энергетическая система зданий и сооружений, тепловой насос.
Объекты наземной космической инфраструктуры (ОНКИ) располагаются по всей территории РФ в различных природно-климатических зонах от арктической до субтропиков. ОНКИ свойственна широкая номенклатура зданий и сооружений (ЗиС): стартовые сооружения, монтажно-испытательные корпуса, технические здания, склады, дизель-электрические станции, трансформаторные, антенные системы, административные здания и др. В настоящее время все ЗиС в районах Крайнего Севера обеспечиваются тепловой и электрической энергией исключительно тепловыми станциями и дизель-электрическими станциями, использующие углеводороды: каменный уголь, мазут, дизельное топливо и т.д. Это так называемые невозобновляемые источники энергии, требующие большого запаса топлива. Поэтому применение альтернативных источников тепла является актуальной задачей повышения энергоэффективности ОНКИ [1].
Предлагается в качестве возобновляемого источника тепла использовать тепловые насосы.
Тепловой насос (ТН) - это устройство, которое передает теплоту более низкого потенциала на более высокий уровень за счет затраты энергии еще более высокого потенциала. По сути, тепловой насос - это преобразованный холодильник. В обоих устройствах имеются одни и те же конструктивные элементы: испаритель, компрессор, конденсатор, дроссель, теплоноситель. Разнятся параметры настройки системы: холодильник выкачивает теплоту из холодильника (морозильной камеры) наружу через радиатор в помещения ЗиС, ТН нагнетает теплоту из внешней среды (воздух улицы, вода водоема, грунт) через испаритель в отапливаемое помещение ЗиС через конденсатор (радиатор).
Для определения эффективности работы ТН используют коэффициент преобразования энергии (КПЭ) (формула 1):
КПЭ _ qпол/Ьц—[Tmax(Smax-Smm)]/[Tmax - Ттт ($тах-$тт)]_ 1(1- Тт(п/Ттах), (1)
где qпол — Ьц+дн - полная теплота, вырабатываемая ТН (Вт); Ьц - теплота, вырабатываемая ТН с помощью компрессора (Вт); дн - подводимая тепловая энергия из внешней среды (Вт); Бта* - энтальпия системы при максимальной температуре сжатия рабочего тела Ттах; Smin — энтальпия системы при минимальной температуре сжатия рабочего тела
Ттт.
При адиабатическом сжатии хладагента в компрессоре его температура повышается от Ттт(К) до температуры Ттах.
Известны примеры эффективного использования ТН для систем отопления различных ЗиС в Европе, особенно в северной ее части. В Стокгольме реализовано несколько тысяч ТН, использующих в качестве внешнего источника тепла балтийскую воду температурой +4° С [2, 3]. Разработаны различные ТН, использующие грунтовые условия, наружный воздух и теплоту водоемов. Используются и различные хладагенты: фреоны, рассолы, вода, пар и т.д.
В России АОЗТ «Тритон Лтд» выпускает ТН типов НТП. Разработана целая линейка ТН: от НТП-15-150 потребляемой мощности 3^60 кВт электрической энергии и производящие 15-150 кВт тепловой энергии до НТП-2200, потребляющие 500^650 кВт электроэнергии и производящие до 2200 кВт тепла. Размеры ТН изготавливаются в пределах от 1,8х4,5х1,7 м до 4,5х5,2х3,3 м. КПЭ в этих ТН колеблется в пределах 1,5^9 [2, 3].
КПЭ различных ТН в зависимости от температуры внешнего источника тепла изменяются в широких пределах (табл. 1).
Анализ условий размещения ЗиС ОНКИ в арктической зоне эксплуатации с учетом наружной температуры воздуха, состояния грунтовой среды, наличия водной среды, подходящих путей сообщения и др. условий показывает о целесообразности использования ТН в общей схеме теплоснабжения.
Таблица 1
КПЭ тепловых насосов
Температура внешнего источника тепла -25°С -18°С -15°С -5°С 5°С +15°С +25°С +35°С
КПЭ 0,6 1 1,6 2,6 3,6 4,6 5,6 6,6
Наружный воздух в условиях арктической зоны имеет средние годовые температуры от -5°С до +5 °С, средние зимние температуры от - 20°С до -30°С, лето продолжается 1-2 месяца. Грунт - вечномерзлые грунты с температурой от -5°С до +5 °С. Водоемы имеются повсеместно: реки, озера, океан с температурой в зимний период около от 0°С до +4°С [4].
Вода является дешевым внешним источником тепла для ОНКИ, находящихся на побережьях океанов, рек и других водоемов, всегда может быть использована даже в зимний период, так как подо льдом температура воды никогда не опускается ниже +4°С.
Грунт в арктической зоне даже в летний период имеет температуру в пределах от +5°С до +10 °С. Грунты составляют скальные и полускальные породы, имеют ледовые включения, что резко увеличивает капитальные затраты на устройство внешней сети трубопроводов для системы испарителя в тепловом контуре ТН.
Известия ТулГУ. Технические науки. 2024. Вып. 2
Воздух Арктики является самой неэффективной внешней средой для ТН, так как имеет крайне низкий тепловой потенциал.
Анализ вышеприведенных условий эксплуатации ОНКИ показывает целесообразность применения ТН замкнутого типа, к примеру одноступенчатые, стационарные, циклические с приводом от дизель-электрических станций (ДЭС), работающие от внешнего источника - воды водоемов (река, озеро, океан) на хладагенте - типа фре-он-14. Так при КПЭ 2,5-3,6 возможно снизить расход дизельного топлива на 60-70%, что приведет к снижению затрат на его использование, повысит надежность всей энергетической системы, понизит зависимость от привоза топлива к месту снабжения ЗиС ОНКИ. При затрате в электродвигателе привода компрессора ТН в 1 кВт получаем на выходе тепловой энергии до 3,5 кВт. Срок окупаемости ТН типа НТП составит 5-10 лет (5-10 межсезонных периодов).
Разработанная наиболее эффективная схема парокомпрессионного ТН на фреоне-14 (имеющего самую высокую производительность по внутренней энергии) представлена на рис. 1. На рис. 2 представлена зависимость «температура-энтропия» (Т-Б) работы ТН.
ТН конструктивно состоит из четырех замкнутых систем.
1. Внутренняя система ТН, включающая испаритель 1, регенеративный теплообменник 2, компрессор 4, конденсатор 5, дроссель 6.
2. Наружная система подачи низкотемпературного тепла, включающая змеевик (сеть) системы наружного тепла 12, насос внешнего низкотемпературного источника тепла 11.
3. Наружная система горячего водоснабжения, включающая душ 10 (температура +55°С), ванна 9, отвод воды ГВС в канализацию 14, подача воды из сети водоснабжения 13.
4. Система внутреннего отопления внутреннего объема ЗиС, включающая- отопительный прибор 8 (температура +65°С), расширительный бак 7, радиатор конденсатора 5, насос системы отопления 15.
Рис. 1. Схема одноступенчатого парокомпрессионного ТН: 1 - испаритель; 2 - регенератнвный теплообменник; 3 - электродвигатель компрессора; 4 - компрессор; 5 - конденсатор (радиатор); 6 - дроссель; 7 - бак расширителя воды; 8 - отопительный прибор (батарея); 9 - ванна; 10 - душ; 11 - насос системы наружного источника тепла; 12 - змеевик системы наружного тепла; 13 - насос системы ГВС; 14 - слив отработанного теплоносителя в канализацию, насос системы отопления помещения;
15- насос системы отопления
Рис. 2. График работы ТН в координатах температура (Т)-энтальпия
498
Обозначения процессов в ТН (по отрезкам) по рис. 2:
1-2 -подвод теплоты в испарителе 1,
2-3-перегрев пара в теплообменнике 2,
3-4-сжатие теплоносителя в компрессоре 4,
4-5-6-отвод теплоты в конденсаторе 5,
6-7-охлаждение конденсатора 5,
7-1-дросселирование хладагента в 6.
Площадь фигуры Si=1-2-13-11-1 равна количеству тепла, подведенного к испарителю (q„), площадь фигуры S2=4-5-6-10-15-4 равна количеству тепла, отведенного в конденсаторе.
Дополнительная энергия, затраченная в компрессоре равна площади фигуры S3=2-3-4-5-6-7-8-2 минус площадь фигуры S4=2-3-14-13-2.
Работа ТН производится следующим образом. Жидкий рабочий агрегат (хладагент) поступает в испаритель 1, где происходит его испарение за счет подвода низкотемпературной теплоты внешней среды q^ Образующийся насыщенный пар поступает в регенеративный теплообменник 2, где перегревается за счет охлаждения конденсата, идущего из конденсатора 5. Затем пар сжимается компрессором 4 до давления Рк, которому соответствует более высокая температура насыщения Тк и поступает в конденсатор 5, где конденсируется и отдает теплоту Qк потребителю (воде системы отопления ЗиС). После охлаждения в теплообменнике 5 производится снижение давления хладагента от Рк до Ро в дросселе 6 с понижением температуры до То, т.е. до исходных параметров. Цикл повторяется.
Моделирование отопления жилого дома (общей площади 200 м2, объем 650 м3) в течение года в сельской местности для северной части Свердловской области с возобновляемыми источниками электрической и тепловой энергии в дополнение к традиционным источникам показало, что расход топлива для ДЭС и тепловой станций (ТЭС) может быть снижен более чем в 1,8 раза. Годовая выработка тепловой энергии увеличивается с 50516 кВт ч/год до 51196 кВт ч/год, расход топлива для ДЭС и ТЭС снижается 6795 кг до 3165 кг [4].
Предложенная схема теплоснабжения ЗиС с использованием ТН позволяет экономить топливо дизель-электрических станций и котельных на 30-40%, что в свою очередь уменьшает зависимость от его подвоза и повышает общую надежность системы.
Список литературы
1. Андриевская А.Н. Альтернативные источники энергии. - СПб // «Зеленая» энергетика [Электронный ресурс] URL: http://trends.rbc.ru>trends>green (дата обращения: 02.12.2022).
2. Лунева С.К., Чистович А.С., Эмиров И.Х. К вопросу применения тепловых насосов // Журнал «Технико-технологические проблемы сервиса», 2013. 240 с.
3. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии для получения теплоты в системах теплоснабжения: использование с применением тепловых насосов // Г.К. Ким, В.Н. Цой, М.Г. Климов. Нижн. Новгород: ННГАСУ, 2013. 50 с.
4. Велькин В.И., Власов В.В., Щеклин С.Е. Энергоэффективный дом с комплексным использованием возобновляемых источников энергии в суровых климатических условий // Международный научный журнал: «Альтернативная энергетика и экология» - НТО «ТАТА», 2015. С. 43-49.
Богомолов Сергей Иванович, канд. техн. yаук, старший научный сотрудник, [email protected], Россия, Санк-Петербург, Военно-космическая академия имени А.ФМожайского
INCREASING THE ENERGY EFFICIENCY OF GROUND FACILITIES USING HEAT PUMPS
S.I. Bogomolov
The article outline proposals for increasing the energy efficiency of ground infrastructure facilities through the use of heat pumps in the overall thermal system for providing buildings and structures/
Key words: ground infrastructure facilities, energy system, building and structures, heat pump.
Bogomolov Sergey Ivanovich, candidate of technical sciences, senior researcher, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Aero Space Academy
