CC BY
12ЛЕДНИКОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ICE ENERGY
УДК 621.577
«ЛЕДЯНОЕ» ОТОПЛЕНИЕ -НОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
С.В. Коровкин
Научно-технический центр «Солярис» г. Долгопрудный, Московская обл. Тел. (495) 409-94-68, e-mail: aerosolar@mail.ru
Заключение Совета рецензентов: 10.09.09 Заключение Совета экспертов: 20.09.09 Принято к публикации: 01.10.09
Запатентованный в 2009 г. способ использования теплового насоса позволяет резко удешевить установку теплового насоса и повысить эффективность его работы.
В качестве источника тепла для отопления с помощью теплового насоса предлагается использовать тепло, выделяющееся при замерзании воды.
Ключевые слова: ледяное отопление, тепловой насос, эффективность работы, источник тепла, фазовый переход, замерзание воды, бассейн с водой.
«ICE HEATING» - NEW POWER TECHNOLOGY
S.V. Korovkin
Scientific and technical center «Solaris» Dolgoprudnyy, Moscow region, tel. (495) 409-94-68 e-mail: aerosolar@mail.ru
Referred: 10.09.09 Expertise: 20.09.09 Accepted: 01.10.09
The way of use of the thermal pump patented in 2009 allows to reduce the price sharply of installation of the thermal pump and to raise efficiency of its work. As a source of heat for heating by means of the thermal pump it is offered to use heat allocated at freezing of water.
За последние несколько лет мы стали свидетелями бурного распространения экономичных источников света, позволяющих в пять раз сократить расход электроэнергии на освещение. Несложный расчет показывает, что для России полный переход на энергоэффективные источники света означает уменьшение потребности в электрогенерирующей мощности примерно на 20 миллионов киловатт.
На очереди массовое освоение другой энергетической технологии - отопления с помощью тепловых насосов. Поскольку из общего количества энергии, потребляемого Россией в течение года, более четверти тратится на отопление, внедрение новых энергоэффективных технологий в этой области приведет к значительному сокращению потребления энергетических ресурсов.
Тепловые насосы уже есть в квартире у каждого - это обычные холодильники. Принцип работы холодильника состоит в том, что тепловая машина, основным элементом которой является компрессор, передает тепло из внутреннего объема холодильника наружному воздуху.
Другой пример теплового насоса - кондиционер. Здесь тепло отбирается из воздуха в помещении и передается уличному воздуху.
Максимальный теоретический коэффициент полезного действия для тепловой машины п = АТ/Тнагр, где АТ - температурный перепад, срабатывающий в тепловой машине; Тнагр - температура нагревателя в градусах Кельвина.
Для обратимой тепловой машины, коей является тепловой насос, основной характеристикой является
Статья поступила в редакцию 01.09.2009. Ред. рег. № 594
The article has entered in publishing office 01.09.2009. Ed. reg. No 594
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 9 (77) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
С.В. Коровкин. «Ледяное» отопление - новая энергетическая технология
коэффициент конверсии - величина, обратная коэффициенту полезного действия тепловой машины.
Максимальный теоретический коэффициент конверсии в = Тнагр/ДТ.
Если принять температурный перепад между уличным воздухом и воздухом в помещении ДТ = = 30° С, а температуру в помещении t = 25° С (Т = 298 К), то максимальный теоретический коэффициент конверсии составит в = 298/30 = 9,9.
Это означает, что, затратив 1 кВт электроэнергии на привод теплового насоса, получим почти 10 кВт тепловой энергии для отопления.
Для людей, далеких от термодинамики, это кажется чудом, однако чуда никакого нет - тепловая энергия не возникает заново, а передается от холодного источника теплому источнику.
Конечно, максимальный теоретический коэффициент конверсии недостижим.
В современных тепловых насосах значение коэффициента конверсии достигает в = 5, а в самых совершенных аппаратах даже в = 7.
В Швеции до 70% всего отопления обеспечивают тепловые насосы.
В США ежегодно производится около 1 млн тепловых насосов, около 30% административных и жилых зданий оборудованы тепловыми насосами. При строительстве новых общественных зданий используются исключительно тепловые насосы. Эта норма была закреплена федеральным законодательством США.
В России тепловые насосы пока являются экзотикой. Причина тому не только и не столько наша технологическая отсталость, но и климатические условия на большей части территории страны. Дело в том, что тепловые насосы хорошо работают только при температуре холодного источника до -5° С.
Схема системы отопления:
1 - бассейн; 2 - нижний слой воды; 3 - верхний слой воды; 4 - тепловой насос; 5 - водяной насос; 6 - вентилятор;
7 - вытяжная труба; 8 - приточное отверстие; 9 - лед Scheme of heating system:
1 - pool; 2 - the bottom sheet of water; 3 - the top sheet of water; 4 - the thermal pump; 5 - the water pump; 6 - the fan;
7 - a vent pipe; 8 - aperture for an air flow; 9 - ice
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 9 (77) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
Ледниковая энергетика
При сильных морозах эффективность работы теплового насоса резко падает, а теплообменные поверхности покрываются коркой льда.
В США и Западной Европе тепловые насосы в качестве источника тепла используют, в основном, тепло воды близлежащего водоема или тепло прилегающего к зданию грунта.
В России, опять же из-за продолжительных зимних морозов, использование воды близлежащих водоемов проблематично, а грунт промерзает на глубину до полутора метров и больше.
Эти факторы, конечно, не исключают применения тепловых насосов для отопления, но значительно удорожают их применение.
Однако энергетические технологии не стоят на месте.
Запатентованный в 2009 г. способ использования теплового насоса позволяет резко удешевить установку теплового насоса, а также повысить эффективность его работы для российского климата.
В качестве источника тепла для отопления предлагается использовать тепло, выделяющееся при замерзании воды. При фазовом переходе вода-лед на один килограмм замерзшей воды выделяется 334 кДж, или 0,093 кВтчас тепловой энергии.
Для средней полосы России при применении современных утеплителей и стеклопакетов годовой расход тепла на отопление составляет около 60 кВтчас/м2. Для дома площадью 100 м2 на отопление необходимо 6000 кВтчас тепловой энергии в год. Если использовать в качестве источника фазовый переход вода-лед, то необходимо 65 000 кг, или 65 куб. м воды. Система отопления показана на рисунке.
В подвале дома расположен бассейн с водой. При работе теплового насоса прилегающий к слою воды воздух с температурой -2°^0° С засасывается в
тепловой насос, нагревает воздух в помещении и, охлажденный до температуры -10°^-5° С, возвращается в бассейн. При контакте охлажденного воздуха с водой вода замерзает, а воздух нагревается. Водяной насос подает воду из-под слоя льда на поверхность льда, обеспечивая тем самым постоянный контакт воздуха с водой.
При положительной температуре наружного воздуха включается вентилятор и происходит приток теплого воздуха в бассейн и таяние льда. При мощности вентилятора 200 Вт и температуре наружного воздуха +15° С лед в бассейне растает за 15 дней.
Электрическая мощность, необходимая для работы теплового насоса при отоплении дома, даже в сильные морозы не превысит 1 кВт.
Годовой расход электроэнергии на отопление при коэффициенте конверсии в = 5 составит 1200 кВтчас.
Устройство в подвале дома бассейна практически не приводит к удорожанию конструкции здания, требуется только гидроизоляция дна бассейна.
Подобная система отопления легко реализуема и в многоэтажных домах. Разрабатываются проекты перевода уже существующих зданий на «ледяное» отопление.
Конечно, как и везде в технологических системах, максимальный эффект достигается при комплексном подходе к энергоэффективности. Так, при замене ламп накаливания на экономичные источники света высвобождаются резервы электрической мощности, как раз достаточные для новых систем теплоснабжения, а это значит, что нет необходимости в подключении новых электрических мощностей и прокладке новых сетей.
Если в России, как в Швеции, до 70% всего отопления обеспечат тепловые насосы, то общая потребность страны в энергии сократится на 10-15%.
