Научная статья на тему 'К вопросу применения тепловых насосов'

К вопросу применения тепловых насосов Текст научной статьи по специальности «Энергетика»

CC BY
1774
223
Поделиться
Ключевые слова
НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВТОРИЧНЫЕ ЭНЕРГОРЕСУРСЫ / ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ / ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ / ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЕ ТЕХНОЛОГИИ / ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС

Аннотация научной статьи по энергетике, автор научной работы — Лунева С. К., Чистович А. С., Эмиров И. Х.

В настоящей статье рассматриваются вопросы ресурсосбережения при работе тепловых насосов, использующих нетрадиционные источники энергии в условиях высокой экологической чистоты. Приводится расчет расхода тепла для проектируемых зданий при достижении максимальной энергоэффективности, поясняется и рассчитывается оптимальный режим функционирования тепловых насосов, сопоставляются их характеристики, а также оцениваются их достоинства и недостатки.

Похожие темы научных работ по энергетике , автор научной работы — Лунева С.К., Чистович А.С., Эмиров И.Х.,

To the question about the use of heat pumps

This article discusses the resources for the work of the heat pumps, using non-conventional sources of energy in conditions of high ecological purity. A calculation of heat consumption for buildings under design at the maximum energy efficiency, explained and is calculated optimum operation of the heat pumps are mapped to their characteristics, as well as estimation of their advantages and disadvantages.

Текст научной работы на тему «К вопросу применения тепловых насосов»

УДК 621.577

К ВОПРОСУ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

С.К. Лунева1, А.С. Чистович2, И.Х. Эмиров3

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),

191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7, лит. А

В настоящей статье рассматриваются вопросы ресурсосбережения при работе тепловых насосов, использующих нетрадиционные источники энергии в условиях высокой экологической чистоты. Приводится расчет расхода тепла для проектируемых зданий при достижении максимальной энергоэффективности, поясняется и рассчитывается оптимальный режим функционирования тепловых насосов, сопоставляются их характеристики, а также оцениваются их достоинства и недостатки.

Ключевые слова: низкопотенциальные вторичные энергоресурсы, теплоснабжение, тепловые насосы, экологически чистые технологии, энергосбережение, энергетический баланс.

TO THE QUESTION ABOUT THE USE OF HEAT PUMPS

S.K. Luneva, A.S. Chistovich, I.H. Emirov

St.-Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, streetKavalergardsky, 7 A.

This article discusses the resources for the work of the heat pumps, using non-conventional sources of energy in conditions of high ecological purity. A calculation of heat consumption for buildings under design at the maximum energy efficiency, explained and is calculated optimum operation of the heat pumps are mapped to their characteristics, as well as estimation of their advantages and disadvantages.

Keywords: low-grade secondary energy supply, heat supply, heat pumps, ecological purity technologies, energy efficiency, energy balance.

1 Основные проблемы традиционного

теплоснабжения зданий

Выбор основных источников энергии при проектировании и создании энергоэффективных систем теплоснабжения жилых и общественных зданий является, по сути, наиболее ответственной задачей, поскольку основной целью Федерального закона от 23.11.2009 N 261-ФЗ [1], не только определяется создание технических, технологических, правовых, экономических и организационных основ и мер стимулирования эффективности народного хозяйства, но и их взаимное согласование, направленное на уменьшение объема используемых ресурсов, потребляемых, в частности, на нужды теплоснабжения при сохранении соответствующего полезного эффекта от их использования. Действительно, когда говорят о ресурсосбережении или об уменьшении потерь энергии, то речь по существу идет не о ее количественном выражении, - ибо о факте ее сохранения автоматически заботится первый закон термодинамики, - а о качественной характеристике самой энергии. И в самом деле, любое техническое устройство функционирует таким образом, что количество энергия сохраняется: сколько ее входит, столько неизбежно и выходит, поскольку она никогда не теряется. Поэтому в общем случае сбережение энергии тепло-

ты является, по существу, сохранением ее качества.

Решение поставленной задачи зависит от целого ряда проблем, причем первостепенное значение имеет географическое положение объекта теплоснабжения, его климатические условия, в т. ч. продолжительность отопительного периода, учитывающего среднюю температуру окружающей среды. Рассматривая количественную сторону проблемы социальноэкономических затрат на теплоснабжение, необходимо отметить особенность климатических условий России. Так, например, согласно официальному источнику информации [2] средняя температурная норма января в пределах РФ (2011 г) составляет - 19,7°С (табл. 1).

Далее перед проектировщиками зданий в выборе источников энергии для расчета теплового баланса стоят следующие проблемы, такие как: охрана окружающей среды, рациональное использование невозобновляемых природных ресурсов, ослабление влияния "парникового" эффекта за счет сокращения выделений двуокиси углерода и других вредных веществ в атмосферу, теплоплотность населенных пунктов застройки, дефицит выработки тепловой энергии, вид доступного местного топлива, износ существующих местных инженерных си-

стем и теплосетей, невозможность прокладки новых теплотрасс.

Таблица 1 - Средняя температура января месяца различных федеральных округов РФ

При этом необходимо отметить, что основными недостатками традиционных источников теплоснабжения являются их низкая энергетическая (особенно на малых котельных), экологическая и экономическая эффективность, поскольку существующая система теплоснабжения РФ является одним из основных источников загрязнения окружающей среды. Плюс к этому необходимо добавить высокие денежные тарифы на транспортировку энергоресурсов как производителей теплоты, которые усугубляют и без того негативные факторы и воздействия, присущие традиционному теплоснабжению. При этом нельзя не учитывать и такой серьезный недостаток традиционного теплоснабжения, как низкий эксер-гетический коэффициент полезного действия (ЭКПД), характеризующий максимальную работу, которая могла бы быть совершена при обратимом переходе термодинамической системы из состояния с заданными параметрами в состояние равновесия с окружающей средой. Иными словами: использование химических свойств, определяющих выработку энергии используемого топлива для систем теплоснабжения в настоящее время в РФ составляет порядка 8 ... 10%.

Помимо этого отмечается неоправданно высокая стоимость создания и обслуживания тепловых сетей (ТС), которые являются, вероятно, самым ненадежным элементом, скажем, в системах централизованного теплоснабжения. Удельная аварийность для трубопроводов диаметром 1400 мм составляет одну аварию в год на 1 км длины, а для труб меньшего диаметра -около шести аварий, отнесенных к идентичной протяженности теплотрассы. Если учесть, что общая протяженность ТС в РФ в двухтрубном исчислении составляет около 340 тыс. км, а в

полной замене нуждаются около 180 тыс. км, то становится очевидно, что строительство и поддержание ТС в рабочем состоянии требуют затрат, соизмеримых со стоимостью ТЭЦ или районных котельных.

2 Эффективность процессов теплообмена в тепловых насосах

Все перечисленные негативные факторы традиционного теплоснабжения в условиях энергосбережения и нанесения минимального ущерба окружающей среде, по мнению авторов настоящей статьи, настоятельно требуют качественно иного подхода к решению проблемы получения и расхода теплоты вновь возводимого жилья. Одним из таких возможных вариантов является полезное использование рассеянной низкотемпературной (+ 4 ... + 40 °С) природной теплоты (верхний слой литосферы или гидросферы, нижняя часть воздушного пространства, постоянно получающие в той или иной степени солнечную энергию и хранящие ее) или сбросной промышленной теплоты для теплоснабжения с помощью тепловых насосов (ТН), которые обладают рядом преимуществ, поскольку в них реализуется идея перекачки тепловой энергии от низкотемпературного источника к потребителю, не требующему высоких температурных показателей, т.е. разность температур источника и потребителя тепла будет минимальной. При этом надо учесть, что ТН являются экологически чистыми агрегатами, работающими без сжигания топлива и не производящих вредных выбросов в атмосферу. Более того, они взрыво - и пожаробезопасны, поскольку ни одна деталь ТН не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих смесей и материалов.

Как уже отмечалось, представляет интерес использование в ТН так называемых низкопотенциальных вторичных энергетических ресурсов (НПВЭР), как например: уходящих продуктов сгорания из газового тракта теплогенераторов, горячей воды непрерывной продувки котлов, конденсата паровых теплообменников, горючих отходов производства (газы доменных, нефтезаводских, попутных нефтедобычи и иных техпроцессов) или возобновляемых источников энергии - геотермальных вод с температурой + 50 °С - + 55 °С, которые можно использовать круглогодично с пиковым подогревом при низких температурах наружного воздуха. В качестве НПВЭР могут выступать также сточные воды плавательных бассейнов,

Наименование федерального округа РФ Температура в °С

Центральный - 9,4

Северо -Западный - 12,4

Южный - 4,2

Приволжский - 13,4

Уральский - 19,1

Сибирский - 22,6

Дальневосточный - 23,0

Северо -Кавказский + 0,2

бань, ванн, раковин и т.п. при наличии устройств самостоятельного водоотделения от санитарных узлов существующих строений.

Как известно, любой термодинамический процесс в общем случае может быть представлен в ТН тремя его составляющими: теплообменом, совершением ТН (или над ТН) работой и изменением его внутренней энергии, тогда адиабатический процесс в силу отсутствия теплообмена ЛQ = 0 системы со средой сводится только к последним двум процессам. Поэтому, первое начало термодинамики в этом случае приобретает вид: Ли = - А, где: Ли - приращение внутренней энергии системы; А - работа, совершаемая над внешними телами.

Изменения энтропии S системы вследствие передачи теплоты через границы системы не происходит.

Принцип работы ТН показан на рис. 1.

Процесс теплообмена начинается с того момента, когда охлажденный теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному в водную среду [3], например, сточные воды, нагревается на несколько градусов. В теплообменнике ТН, называемом испарителем, теплоноситель отдает отобранную из сточных вод теплоту во внутренний контур ТН, заполненный хладагентом (например, тетрафторэтан СИ2¥-С¥3 с температурой в критической точке - 101,08оС и давлением - 40,6 бар, не оказывающий влияния на озоновый слой), который, проходя через испаритель, изменяет свое агрегатное состояние, превращаясь из жидкого в газообразный. Это происходит при низких давлении и температуре. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления, и его температура повышается. Далее горячий газообразный хладогент поступает во второй теплообменник - конденсатор. В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления. Хладагент отдает теплоту в систему отопления, охлаждается, после чего получает дополнительное охлаждение в переохладителе и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель поступает в систему отопления. Давление хладагента все еще остается высоким. При прохождении через редукционный клапан внутреннего контура ТН его давление понижается, хладогент попадает в испаритель, и цикл повторяется.

В силу того, что ТН избавлены от большинства недостатков, присущих агрегатам

выработки тепла в системах теплоснабжения, они нашли широкое применение за рубежом. Например, общее количество используемых в Западной Европе и США ТН по состоянию на 2012 г. [3] превысило 35 млн., а их ежегодный выпуск составляет более 1,5 млн. По прогнозу Мирового энергетического комитета к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью ТН составит 75 %. Отмечается также и то, что эффективность применения ТН определяется двумя факторами: опережающим увеличением стоимости замещаемого топлива по сравнению с ростом стоимости электроэнергии и достижением термодинамической оптимизации цикла

Рисунок 1. Принципиальная схема ТН

Таким образом, разработки в области теории и практики создания и применения устройств и систем, обладающих высоким ЭКПД и обеспечивающим снижение нагрузки энергоустановок на окружающую среду, которыми и являются ТН, претендуют на актуальность.

Использование для теплоснабжения с помощью ТН потоков НПВЭР вторичных ресурсов, обладающих сравнительно низким тепловым потенциалом, а также неисчерпаемых запасов природной теплоты, практически делает их независимыми от традиционного топлива. Более того, утилизация НПВЭР создает благоприятные предпосылки для энергоэффективности и снижения теплового "загрязнения" окружающей среды. Например, утилизация теплоты городских стоков повышает эффективность работы городских очистных сооружений и сокращает тепловое загрязнение водоемов. Известно, что относительно большие затраты тепловой энергии расходуются на отопление станций очистки сточных (канализационных) вод, которые при температуре до 20 0С сбрасываются в гидрогеографическую сеть. Утилизация

низкопотенциального тепла этих очищенных стоков с применением ТН позволит получить дешевую (и экологически чистую) энергию.

Рациональное использование электроэнергии в системах теплоснабжения при двойной трансформации теплоты первичного топлива в электроэнергию и электроэнергии в теплоту можно проследить на приведенном ниже примере.

Как известно, адиабатическими называются процессы, при которых можно пренебречь теплообменом системы с окружающей средой. Этого можно достичь при том условии, что рассматриваемая система максимально теплоизолирована, либо процесс протекает чрезвычайно быстро, при этом передача тепла от теплоносителя к теплоприемнику не успевает произойти (впрочем, при всей скорости адиабатического процесса он должен быть таковым, чтобы процесс можно было рассматривать как квазистатический, т. е. обратимый). При адиабатическом расширении макросистема совершает работу за счет внутренней суммарной энергии составляющих ее микросистем, поэтому ее температура уменьшается. При аналогичном сжатии работа совершается над макросистемой, что, естественно, и увеличивает ее внутреннюю энергию, поэтому температура макросистемы повышается.

Коэффициент преобразования или трансформации (СОР) энергии в ТН определяется отношением произведенной теплоты к потребленной при этом электроэнергии, т.е.:

СОР = й / Ж . (1)

Пусть ТН вырабатывает количество теплоты Qt (Гкал), потребляя при этом соответствующее количество электроэнергии Ж,, МВт*ч.

В качестве примера рассмотрим удельный расход топлива на получение электроэнергии РТе на замыкающей электростанции Белорусской энергосистемы [7] (Лукомльской ГРЭС). С учетом потерь электроэнергии в ЛЭП в размере 8 % удельный расход топлива составляет порядка 350 кг у.т./МВт*ч. Удельный же расход топлива на производство теплоты ЯТ( в той же энергосистеме с учетом потерь в теплопроводах - 13 %, что составляет около 200 кг у.т./Гкал.

В общем случае степень термодинамического совершенства ТН, интерпретируемого коэффициентом И, зависит от многих параметров, таких, как: мощность компрессора, качество производства комплектующих ТН и необ-

ратимых энергетических потерь, которые, в свою очередь, включают следующие потери:

- тепловой энергии в соединительных трубопроводах;

- на преодоление трения в компрессоре;

- связанные с неидеальностью тепловых процессов, протекающих в испарителе и конденсаторе;

- связанные с неидеальностью теплофизических характеристик хладонов;

- механические и электрические потери в двигателях;

- прочие.

В таблице 2 [4] представлены некие «средние» значения коэффициента Н для перечисленных типов компрессоров, которые используются в существующих ТН.

Таблица 2 - Характеристики компрессоров,

используемых в ТН для целей теплоснабжения

Если выбрать для использования в ТН открытый центробежный компрессор с h = 0,85, тогда:

COP = Q / 0,85 xW, . (2)

COP = 3,5 принимается в случае утилизации теплоты НПВЭР. Тогда экономия первичного топлива от применения ТН - (Эт), по сравнению с альтернативным получением теплоты от теплоисточника энергосистемы, составит:

Э = (RT x COP x h -RTe) x W =...

... = (200x 3,5 x 0,85-350)x W =...

... = 250x W,кгу.т. (3)

Тип используемого компрессора Мощность компрессора, кВт Значение коэффициента h

Открытый центробежный 300 ... 3000 0,65 ... 0,85

Открытый поршневой 50 ... 500 0,5 ... 0,65

Полугерметичный 20 .. 50 0,45 ... 0,55

Герметичный поршневой фирмы «Danfos» R22 2 ... 25 0,35 ... 0,5

Герметичный поршневой 0,5 .. 3,0 0,2 ... 0,35

Герметичный <0,5 <0,25

Удельная же экономия топлива в расчете на 1 МВт*ч потребленной электроэнергии -(ЛЭт ) определится величиной:

ЯЭТ = Эт /Же = 250 кг у .т./МВтх ч (4)

Из (4) следует, что расход топлива в энергосистеме на производство электричества для работы ТН более чем на 70% перекрывается экономией топлива на выработку теплоты в этой же энергосистеме.

3 Оценка степени энергоэффективности теплоснабжения зданий с помощью ТН

Расчет расхода тепловой энергии на отопление зданий за отопительный период - q в МДж/м3°Ссут осуществляется в зависимости от класса энергетической эффективности проектируемого здания, характеризуемый интервалом значений удельного расхода тепла и на отопление, от его тепловой защиты (сопротивления теплопередачи элементов ограждающих конструкций), ограничения температуры и конденсации влаги, теплоустойчивости, воздухопроницаемости, защиты от переувлажнения и коэффициентов теплоотдачи на внутренних поверхностях ограждающих конструкций, а также от теплоусвоения поверхностей полов. Величину д следует определять по формуле: д = 0/ГО , (5)

где: V - отапливаемый объем здания, равный объему, ограниченному внутренними поверхностями наружных ограждений зданий, м3; В -отопительный период района строительства в градусо-сутках, (°Ссут.); Q - расход тепловой энергии на отопление здания в течение отопительного периода, (МДж). При этом:

0 = [баги — ОЗеП + ОсР) х х ^2]х ^3 , (6) где: Qатп - общие теплопотери здания через наружные ограждающие конструкции, (МДж); QEП - бытовые теплопоступления в течение отопительного периода, (МДж); QСp - теплопо-ступления через окна и фонари от солнечной радиации в течение отопительного периода, (МДж); к\ - коэффициент снижения теплопо-ступлений за счет тепловой инерции ограждающих конструкций; рекомендуемое значение к\= 0,8; к2 - коэффициент эффективности авторегулирования подачи теплоты в системах отопления; к3 - коэффициент, учитывающий дополнительное теплопотребление системы отопления, связанное с дискретностью номинального теплового потока номенклатурного ряда отопительных приборов, их дополнительными теплопотерями через зарадиаторные участки ограждений, повышенной температурой воздуха в угловых помещениях, теплопоте-

рями трубопроводов, проходящих через неотапливаемые помещения.

Для оценки степени энергоэффективности планируемого здания расчетный расход q сопоставляют с удельным расходом теплоты на отопление зданий за отопительный период qУ, который выбирается из табл. 8 [ 7 ] в зависимости от отапливаемой площади и этажности здания. В случае коттеджного строительства при средней площади здания - 400 м2 и в 3 этажа qУ = 95,0.

Далее для полного расчета энергетического баланса зданий, зная теплопотери и теп-лопоступления каждого помещения, в т.ч. и от дополнительных источников теплоты необходимо:

- выбрать оптимальную схему теплоснабжения здания;

- рассчитать элементы системы жизнеобеспечения;

- определить тип привода и характеристики ТН;

- произвести гидравлический расчет систем отопления для используемого хладогента в качестве жидкостного теплоносителя;

- рассчитать энергетические показатели нагревательных приборов, размещаемых в помещении.

Наглядный пример сравнения финансовых затрат на снабжение теплом индивидуального жилого дома в зависимости от вида отопительных агрегатов приведен в табл. 3.

Таблица 3 - Сравнение затрат на отопление индивидуального жилого дома площадью 400 м2 суммарной тепловой нагрузкой 40 кВт

Также, рассматривая преимущества ТН, можно говорить об упрощении требований к

1 сЗ и о {р а о и § <и Ё а о н о ч и т Теплота сгорания используемого топлива Годовая потребность Средняя цена за единицу в рублях (по сост. на 01.01.2013) Стоимость за 1 год в рублях (по сост. на 01.01.2013)

Газовый котел 10000 ккал/нм3 9500 н м3 3,0 28500

Дизельный котел 12000 ккал/кг 7350 кг 30,0 220500

Электрический котел - 80500 кВт 2,5 201250

ТН - 21750 кВт 3,0 65250

системам вентиляции помещений и повышении уровня пожарной безопасности. ТН, как правило, компактны и практически бесшумны, функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Для систем теплоснабжения, использующих ТН, традиционные радиаторы не подходят, т.к. они рассчитаны на температуру горячей воды 95^105 °С. При таких параметрах СОР<2,0 , а уменьшение расчетной температуры в системе связано с резким увеличением поверхности отопительных приборов. В то же самое время СОР>3,0 при температуре горячей воды 40^50 °С для систем панельно-лучистого отопления (теплые полы), которые обеспечивают в современных условиях наивысший тепловой комфорт за счет эффекта саморегулирования, который тем действеннее, чем меньше разница между температурой теплоотдающей поверхности и реальной температурой воздуха регулируемой среды.

Еще одним преимуществом ТН является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются так называемые системы «холодный потолок». Надо учесть следующее обстоятельство, что ТН надежен в том случае, если его работой управляет автоматика. Также необходимо отметить сугубо индивидуальный характер ТН для каждого потребителя, который заключается в оптимальном выборе конкретного источника низкопотенциальной энергии, расчете ЭКПД, окупаемости и прочего.

К недостаткам ТН, работающих за счет НПВЭР и используемых для отопления, следует отнести большую стоимость установленного оборудования, необходимость сложного и дорогого монтажа подводимых теплообменных контуров. Общим недостатком ТН является сравнительно низкая температура нагреваемой воды, в большинстве случаев она находится в пределах +50°С ... +60°С градусов, причем

чем эта температура выше, тем меньше его эффективность и надежность самого ТН.

Что касается фактических значений эффективности современных ТН, то реально коэффициент преобразования СОР достигает значения от 2.0 при температуре источника — +20 °С, и до СОР = 4.0 при температуре источника +7 °С.

С ростом степени сжатия - Р > 30 бар рабочего тела ТН компрессором растет температура нагнетания - Т > + 65 ° ^ что ограничивает температуру конденсации. Ограничение в

степени сжатия компрессора и понижение его КПД с ростом степени сжатия приводит к необходимости использования низкотемпературных систем отопления (системы поверхностного нагрева типа «теплый пол», теплая стена, теплый плинтус, воздушные системы отопления с применением вентиляторных доводчиков /фанкойлов/ и т. п.). Это ограничение касается только высокотемпературных радиаторных систем отопления. Однако существуют компрессоры, позволяющие достигать высоких температур конденсации при использовании впрыска пара и жидкого фреона (хладона) в процессе сжатия, что позволяет повысить степень сжатия и уменьшить перегрев компрессора.

На рис. 2 приводится принципиальная схема получения теплоты от различных типов ТН. Условные обозначения: Qt - теплота, выделяющаяся при сжигании топлива; Qп - тепловые потери; Же - потребляемая электроэнергия ТН; Qв - теплота выброса; Qнпвэр - низкопотенциальная теплота вторичных энергоресурсов; (?потр ~ теплота, поступающая потребителю.

Рисунок 2. Принципиальная схема получения теплоты от различных типов ТН

Необходимо отметить, что в мировой практике подавляющее большинство ТН - парокомпрессионные, которые различаются между собой по термодинамическим циклам: Стирлинга, Ренкина, Брайтона и иных, а также по типу входящих в их состав компрессоров, например: поршневые, винтовые и турбоком-прессионные. Далее различие может быть и по степени герметичности: герметичные, сальни-

ковые и бессальниковые. Источник [6] приводит данные ТН, выпускаемые серийно, либо по отдельным заказам отечественными производителями, представленные в табл. 4.

Проблемы, возникающие на стадии конструирования ТН, наглядно интерпретируются с помощью Т8 - диаграммы, представленной на рис. 3.

На рис. 3 линия от точки «8» до точки «1» характеризует испаритель, в котором низкопотенциальная теплота от вторичного энергоресурса (сточные или канализационные воды) - 2нпВЭР , совершая работу, увеличивает энтропию носителя НПВЭР от значения 88 до значения 81 , которая затрачивается на испарение хладогента (в точке «8» - 100% жидкий хладогент; в точке «1» - 100% насыщенный пар, процесс перехода хладогента из одного состояния в другое на данном этапе является необратимым); линия, соединяющая точки «12», характеризует регенеративный подогрев насыщенных паров до точки «2» теплотой горячего жидкого хладагента - ^РЕГ; линии от точек «2-4» и «2-3» характеризуют соответственно адиабатическую - А и политропную -АП (т.е. такую, при которой теплоемкость газо-

образного хладогента сохраняется неизменной) работы сжатия хладогента. Исходя из представления Т8- диаграммы максимальное количество полезной теплоты, получаемой ТН, рассчитывается следующим образом:

бп ~ бпЕРЕГР + бкОНД + бжХ (7)

Считается [5], что с полезным использованием перегретых паров хладогента -бпЕРЕгР и с использованием тепла конденсации

- бконд проблем не возникает, то использование теплоты жидкого хладагента - QжХ является одной из основных термодинамических проблем ТН. И в самом деле, охлаждать жидкий хладогент практически можно либо увеличивая регенерацию, но в пределах не более чем 2 ^ 3% от Qп, так как при ее большем увеличении растет температура паров хладогента на всасывании в компрессор (см. точку «2» на TS-диаграмме), а это приводит к уменьшению плотности этих перегретых паров и, соответственно, к уменьшению теплопроизводитель-ности ТН, либо увеличивать температурный график на величину не более 8^10% от Qп. В итоге из всего тепла жидкого хладогента, скажем, для режима ТкОНд = 65 оС, учитывая, что QЖХ = 30 % от Qп) не более 10 %. Остальные 20 % использовать не представляется возможным.

I 1

Т

3

4

Оперег /

Гконд <>- 011. 5

1 А Л„

\

Ож\ I ' \

\

\ 2

\ 1

/ Operen.

1 Тжх /

Я 01ПВЭП 1

-J

S

■V. |S| 1 1

Рисунок 3. Т8-диаграмма реального отопительного цикла ТН

Возникает ситуация, когда в процессе дросселирования жидкого хладогента его температура не опускается ниже +50 о С; потребителя этого тепла нет, даже если дополнительно нагревать этот жидкий хладогент. В таком случае будет иметь прямая необратимая потеря тепла жидкого хладогента (см. линию от точки «7 - 8» на ТS-диаграмме), которая составит порядка 75% от QЖХ, или около 30% от Qп.

В заключение следует отметить особенности использовании современных хладагентов в ТН.

Таблица 4 - Энергетические характеристики некоторых отечественных ТН

Производитель ТН Мар- ка ТН Расчетное значение энергии теплоты Qпотр , поступающей потребителю в кВт Расчетное значение температуры теплоты Т, поступающей в систему теплоснабжения в о С

ФГУП «Рыбинский завод приборостроения» АТН У 10,2 ... 14,0 55

Сан- Петербургское ЗАО ОКБ «Карат» ТНУ -КР О 1Л 55

ЗАО «Полад», г. Тольятти ТХУ, НКТ 8 ... 16,4 60

Нижегородское ЗАО НПФ «Тритон ЛТД» НТП Б, НТВ 10 ... 5000 58

Московский завод «Компрессор» НТ 370 ... 520 52

Новосибирское ЗАО «Энергия» НТ 110 ... 3000 80

Так наиболее распространенный в холодильных машинах Хладон R-134a является хладагентом третьего поколения, который не влияет на озоновый слой, но воздействует на парниковый эффект с потенциалом глобального потепления (грин-фактором) GWP (Global Warming Potential - интегральная оценка влияния на парниковый эффект) = 1340 по сравнению с СО2. R134a не токсичен и не воспламеняется во всем диапазоне температур эксплуатации, характеризуется небольшой температурой нагнетания, давление насыщенного пара R134а 1,16 при 45°С. Однако при попадании воздуха в систему при его сжатии возможно спонтанное образование горючих смесей.

В настоящее время идут разработки хладагентов 4-го поколения с GWP < 150. Представляет интерес хладагент R-1234yf (CF3-CF-CH2), являющийся изомером фтористых пропиленов (3,3,3,2-тетрафторпропилен) с GWP = 4, невзрывоопасный и нетоксичный, однако, использование его как наполнителя внутреннего контура ТН для трансформации тепла ограничено, поскольку его критическая температура составляет 96°С, т.е. на 5 градусов ниже, чем у R-134a, следовательно применение его в качестве высокотемпературного ТН не даст максимального эффекта. Для повышения эффективности работы ТН в условиях большинства регионов РФ возможно потребуется разработка и применение новых хладагентов.

Выводы

1. В связи с тем, что среднегодовая температура воздуха в РФ составляет - 5,5 °С, теплоснабжение в этих условиях достаточно продолжительных отопительных сезонов требует больших затрат топлива.

2. Расход топлива в энергосистеме на производство электроэнергии может быть снижен более чем на 70% применением для теплоснабжения ТН.

3. Одной из основных требующей решения термодинамических проблем повышения эффективности использования ТН является не-

высокая степень использования теплоты жидкого хладагента.

4. Проблемой широкого внедрения ТН, работающих за счет НПВЭР, в РФ для теплоснабжения, являются относительно большие капитальные вложения.

5. Имеющийся опыт использования зарубежных ТН для нужд теплоэнергетики РФ требует соответствующей адаптации в соответствии с реальными климатическими условиями.

Литература

1. Федеральный закон от 23.11.2009 N 261-ФЗ (ред. от 02.07.2013) "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации".

2. Федеральная служба государственной статистики, «Сельское хозяйство, охота и охотничье хозяйство, лесоводство в России - 2011 г». Copyright 1999

- 2013.

3. Богданов А.Б. Применение тепловых насосов в «большой» энергетике. Материалы X Всероссийской научно-практической конференции «Эффективность систем жизнеобеспечения города». Красноярск, 25-26 ноября 2009.

4. Обухов А.В. Теплонасосные установки малой мощности. Информационный бюллетень «Теплоэнергоэффективные технологии». 2006, № 4. - С. 5661.

5. Куртова Н.А. Энергосберегающие инженерные системы в жилищном строительстве. Журнал «Оборудование Разработки Технологии». 2011, № 4-6. -С. 23-27.

6. Николаев Ю.Е., Бакшеев А.Ю. Определение эффективности тепловых насосов, использующих теплоту обратной сетевой воды ТЭЦ. Промышленная энергетика. 2007, № 9. - С. 14-17.

7. Тепловая защита зданий. СНиП 23-02-2003.

8. Тепловые насосы для России: технология использования геотермального и сбросного тепла предприятиями. Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы», 2008, № 4. - С. 3-9.

1 Лунева Светлана Курусовна - доцент кафедры "Экономика природопользования и сервис экосистем" СПбГУСЭ, моб.: +7 911 915 16 70, e-mail:isvetlana1508@mail.ru;

2Чистович Александр Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры "Экономика природопользования и сервис экосистем" СПбГУСЭ, тел.: +7 (812) 710 02 10, моб. +7 921 972 9588, e-mail: chi1008ich@peterlink. ru;

Эмиров Игорь Халилович - доцент кафедры "Экономика природопользования и сервис экосистем" СПбГУСЭ, моб.: +7 921 849 96 66, e-mail: riounise@yandex.ru.