CC BY
70
УДК 621.577.4
ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ МАЛОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ ОТКРЫТЫХ ВОДОТОКОВ
© 2015 г. В.В. Харченко, А.О. Сычев
Доля тепловой энергии в энергетическом балансе сельскохозяйственного производства обычно превышает 60%. Теплоснабжение является кроме того и важнейшим фактором для нового жилищного строительства и улучшения социально-бытовых условий жителей удаленных районов. Представляется весьма целесообразным использовать зарубежный опыт организации теплоснабжения с применением теплонасосных установок (ТНУ), которые отличаются высокой энергоэффективностью. Перспективными представляются теплонаносные системы теплоснабжения, основанные на использовании тепла поверхностных водных сред и, в частности, малых водотоков, таких как каналы и небольшие реки. Системы с использованием теплоты водотоков по своей эффективности не уступают вышеописанным ТНУ с грунтовыми теплообменниками и даже превосходят последние при несравненно более низких капитальных затратах. Увеличения эффективности отбора теплоты от водотока можно достичь за счёт использования естественного движения воды в направлении течения для интенсификации теплообмена. Одно из технических решений, которое позволяет более эффективно производить отбор теплоты от водотока, - это размещение теплообменника на специальных поплавках, обеспечивающих ему положительную плавучесть. Такой теплообменник достаточно компактен для размещения в малых водотоках, прост в монтаже и не требует большого объёма теплоносителя. Экспериментальный образец описанного теплообменника проходит испытания в составе специально собранной теплонасосной системы отопления и показывает высокие технико-экономические результаты. Внедрение в практику этого и других решений, способных снизить стоимость теплонасосных установок и срок их окупаемости, будет способствовать более широкому распространению подобных систем.
Ключевые слова: тепловой насос, низкопотенциальная теплота, водоток, погружной теплообменник вода-рассол.
The share of thermal energy in power balance of agricultural production usually exceeds 60%. Heat supply is besides the major factor for new housing construction and improvement of social conditions of remote areas residents. It is represented very expedient to use foreign experience of the heat supply organization with application of heat pump devices (HPD) which differ in high-energy efficiency. There seems to be promising heat pump heating system based on the use of surface water and environments heat, in particular, of such small watercourses, as canals and small rivers. Effectiveness of the systems using the watercourses heat is not inferior to the above-described heat pump with ground heat exchangers, and even surpass the last, by incomparably lower capital costs. The increase in efficiency of heat picking from the watercourse can be achieved due to the use of natural water movement in the direction of flow for the enhancement of heat transfer. One of the technical solutions that allows achieving more efficient heat picking from the watercourse is placing of the heat exchanger on special floats, providing it with positive buoyancy. Such a heat exchanger is compact enough to be placed in small streams, easy to install and does not require large amounts of coolant. The experimental sample of the described heat exchanger is being tested as part of a specially assembled heat pump heating system, and shows the high technical and economic results. The implementation in practice of this and other solutions that are capable to reduce the heat pump devices cost and payback period, will contribute to wider dissemination of such systems.
Key words: water-source heat pump, low-grade heat, watercourse, submersible water-brine heat exchanger.
Введение. Доля тепловой энергии в энергетическом балансе
сельскохозяйственного производства
обычно превышает 60%. Теплоснабжение является, кроме того, и важнейшим фактором для нового жилищного строительства и улучшения социально-бытовых условий жителей удаленных районов. Причем если поставку электроэнергии можно обеспечить по
имеющимся или вновь создаваемым сетям, то тепловую энергию (горячая вода) на значительные расстояния
транспортировать не представляется возможным, т.е. ее надо производить на месте. Зачастую уголь или дрова отсутствуют, использование
электроэнергии для целей отопления или получения горячей воды слишком дорого. В результате сдерживается развитие
производства, в основном малого и среднего бизнеса, а социально-бытовые условия населения отстают от современных стандартов.
В таких условиях представляется весьма целесообразным использовать зарубежный опыт организации
теплоснабжения с применением
теплонасосных установок (ТНУ), которые отличаются высокой
энергоэффективностью.
В таких системах на 1 кВт-ч затраченной электрической энергии можно получать 3-6 кВт-ч тепловой энергии. По своей экономической эффективности такие системы уступают только системам отопления на основе природного газа и намного превышают эффективность систем теплоснабжения, основанных на использовании электроэнергии, мазута, дизельного топлива и угля [1]. Поэтому они широко применяются для теплоснабжения автономных, удаленных объектов.
Наиболее распространёнными,
простыми и дешёвыми в монтаже являются воздушные теплонасосные установки, в которых для выработки
высокопотенциальной теплоты, пригодной для целей отопления и горячего водоснабжения зданий, используется низкопотенциальная теплота, отобранная от наружного воздуха [2]. К сожалению, такие установки становятся
малоэффективными при снижении температуры окружающего воздуха ниже -5-10 °С и потому не могут выступать надёжными источниками тепла для регионов, характеризующихся низкими пиковыми температурами в холодное время.
Сегодня большое распространение получили теплонаносные установки с грунтовыми теплообменниками, в которых теплота приповерхностных (а иногда и более глубинных) слоев Земли используется для выработки горячей воды с заданными параметрами, которая затем используется как для отопления, так и для горячего водоснабжения. Для отбора низкопотенциальной теплоты от грунта в таких установках применяются
вертикальные или горизонтальные грунтовые теплообменники-коллекторы (рисунок 1).
а
б
Рисунок 1 - Теплонасосные системы теплоснабжения с вертикальным (а) и горизонтальным (б) теплообменником-коллектором
В Швеции почти 90% новых зданий отапливается с помощью тепла, которое извлекается из пробуренных у дома скважин. В Германии в 2005 году застройщики подали около 12 тыс. заявок на геотермальные установки, год спустя количество заявок на бурение составило уже 28,5 тыс. и продолжает расти (данные Федерального союза геотермии Германии).
Положительные примеры есть и в России. Так, например, в Ярославской области реализован проект по созданию системы теплоснабжения сельской школы с использованием теплоты грунта [3].
Недостатком геотермальных
теплонасосных систем является их высокая стоимость, обусловленная необходимостью монтажа дорогостоящих систем отбора
подземной теплоты, что связано с большим объемом земляных (бурильных) работ.
Более перспективными
представляются теплонаносные системы теплоснабжения, основанные на
использовании тепла поверхностных водных сред и, в частности, малых водотоков, таких как каналы и небольшие реки.
Недостаточное распространение таких систем по сравнению с системами с грунтовыми теплообменниками
объясняется тем обстоятельством, что их внедрение требует наличия водотоков как источников низкопотенциальной теплоты. Стоит отметить, что в качестве таких водотоков могут также выступать каналы мелиоративных систем, которые часто образуют развитые сети на территориях орошаемого земледелия.
Системы с использованием теплоты водотоков по своей эффективности не уступают вышеописанным ТНУ с грунтовыми теплообменниками и даже превосходят последние при несравненно более низких капитальных затратах.
Технология использования
низкопотенциальной теплоты
поверхностных вод отработана далеко не в такой степени, как технология
использования геотермальной теплоты. В России такие системы, несмотря на их простоту, распространения не получили, а исследования в данном направлении развиты слабо.
Схема с непосредственным забором воды из водоёмов и водотоков с последующим её охлаждением в испарителе теплового насоса и сбросом обратно в водоём или водоток, хотя и представляется наиболее очевидным решением, но обладает существенными недостатками, прежде всего высокой вероятностью замерзания и засорения системы, поэтому не пригодна в большинстве случаев.
Известна схема отбора теплоты от поверхностного водоёма или водотока, при которой на дно водоёма или водотока погружается сложенная петлями труба большой длины, как правило, полиэтиленовая, скреплённая различными способами и снабжённая дополнительными грузами для удержания на дне. Через трубу посредством циркуляционного насоса прокачивается нагреваемый
теплоноситель. Пример исполнения такой схемы представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Конструкция теплообменных матов на основе полиэтиленовых труб для отбора низкопотенциальной теплоты от поверхностного водоёма или водотока
Однако такие технические решения демонстрируют недостаточно высокую хотя и просты в реализации, но эффективность и зачастую оказываются
совершенно непригодными для
размещения в малых водотоках.
Основным недостатком описанной схемы в целом является низкая интенсивность теплообмена между водной средой и трубой, что влечёт за собой следующие последствия:
- повышенную материалоёмкость из-за необходимости использования трубы большой длины и, в ряде случаев, изготовления для неё рамы большого размера или нескольких рам, а также значительный объём теплоносителя, необходимого для заполнения трубы;
- наличие достаточного по размеру, доступного для размещения конструкции участка водотока;
- повышенные затраты энергии на прокачку теплоносителя вследствие значительной длины трубы;
- увеличенное расхождение между температурой теплоносителя на выходе из трубы и средней температурой водотока, что особенно проявляется при наличии на дне слоя илистых отложений, ограничивающих конвективный теплообмен и увеличивающих градиент температуры между трубой, погруженной в эти отложения, и основной массой воды в верхней части водоёма.
Последний показатель имеет большое значение, так как максимальное приближение температуры теплоносителя к температуре источника
низкопотенциальной теплоты позволяет добиться наивысших показателей производительности и эффективности теплового насоса.
Из перечисленных недостатков описанной выше схемы также наиболее существенным является необходимость использования значительного количества теплоносителя-антифриза, требуемый
объём которого измеряется в сотнях и
тысячах литров. В качестве теплоносителя в настоящее время используют водный раствор либо этиленгликоля, либо пропиленгликоля. При это этиленгликоль является токсичным веществом и представляет опасность для человека и окружающей среды, а также характеризуется достаточно высокой вязкостью и коррозионной активностью, а пропиленгликоль, хотя и является безопасным, но обладает чрезмерно высокой вязкостью при низких температурах и характеризуется высокой стоимостью, что делает его использование в контуре отбора низкопотенциальной теплоты крайне невыгодным. Так, например, стоимость теплоносителя на основе пропиленгликоля, необходимого для заполнения приведённых выше конструкций из полиэтиленовых труб, существенно превышает стоимость самих полиэтиленовых труб и прочих составляющих. Таким образом,
использование применяемых сегодня теплоносителей существенно увеличивает стоимость системы и, вследствие высокой вязкости, существенно снижает
эффективность её работы.
Описание предлагаемого
технического решения. Проведённые нами исследования позволили сделать вывод, что наиболее перспективным представляется использование в качестве теплоносителя раствора хлорида кальция, который характеризуется малой вязкостью, низкой стоимостью и экологической
безопасностью [4].
Увеличение эффективности отбора теплоты от водотока возможно достичь за счёт использования естественного движения воды в направлении течения для интенсификации теплообмена.
Принципиальная схема такого метода приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Принципиальная схема эффективного отбора низкопотенциальной теплоты от водотока с помощью специального речного теплообменника Известно, что скорость течения воды в открытом русле принимает наибольшие значения вблизи поверхности, особенно при наличии слоя илистых отложений на дне. Одно из технических решений, которое позволяет более эффективно производить отбор теплоты от водотока, -это размещение теплообменника на специальных поплавках, обеспечивающих ему положительную плавучесть. Конструкция и внешний вид разработанного нами плавучего речного теплообменника представлены на рисунках 4 и 5. Такой теплообменник можно расположить и удерживать с помощью тросов в зоне наибольшей скорости
течения водотока. При этом даже существенное уменьшение уровня воды в русле не приведёт к осушению трубы змеевика, так как теплообменник начнёт опускаться вслед за уровнем воды. Улучшение теплообменных характеристик также происходит за счёт того, что при такой конструкции и таком расположении теплообменника в русле обеспечивается поперечное обтекание потоком воды прямых участков трубы змеевика, что интенсифицирует процесс теплопередачи. Такой теплообменник достаточно компактен для размещения в малых водотоках, прост в монтаже и не требует большого объёма теплоносителя.
1 - рама; 2 - трубы; 3 - поплавки; 4 - грузы-якоря; 5 - тросы Рисунок 4 - Принципиальная схема разработанного теплообменника
для небольшого водотока
Рисунок 5 - Экспериментальный образец теплообменника
Заключение. Экспериментальный образец описанного теплообменника проходит испытания в составе специально собранной теплонасосной системы отопления и показывает высокие технико-экономические результаты. Внедрение в практику этого и других решений, способных снизить стоимость
теплонасосных установок и срок их окупаемости, будет способствовать более широкому распространению подобных систем.
Литература
1. Chemekov V. V., Kharchenko V. V. The heat supply system for a self-contained dwelling house on the basis of a heat pump and wind power installation // Thermal Engineering. - 2013. - Т. 60, № 3. - Р. 212216.
2. Автономные системы теплоснабжения на основе тепловых насосов воздух-вода / В.А. Гусаров, В.В. Харченко,
АО. Сычёв, С.А. Ракитов, ИВ. Юдаев // Энергетика и автоматика. - 2013. -№ 3. - С. 67-71.
3. Васильев, Г.П. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области / Г.П. Васильев, Н.С. Крундышев // АВОК. - 2002. - № 5.
4. Харченко, В.В. Оптимизация низкотемпературного контура теплонасосной установки на основе теплоты поверхностных вод / В.В.
Харченко, А.О. Сычёв // Альтернативная энергетика и экология. - 2013. - № 7. - С. 31-36.
References
1. Chemekov V.V., Kharchenko V.V. The heat supply system for a self-contained dwelling house on the basis of a heat pump and wind power installation, Thermal Engineering, 2013, Vol. 60, No. 3, pp. 212216.
2. Gusarov V.A., Harchenko V.V., Sychjov AO., Rakitov S.A., Judaev I.V. Avtonomnye sistemy teplosnabzhenija na osnove teplovyh nasosov vozduh - voda [Auto-nomous heating system based on air -water heat pump], Jenergetika i avtomatika, 2013, No. 3, pp. 67-71.
3. Vasil'ev G.P., Krundyshev N.S. Jenergojeffektivnaja sel'skaja shkola v Jaroslavskoj oblasti [Energy Efficient rural school in the Yaroslavl region]. AVOK, 2002, No. 5.
4. Harchenko V.V., Sychjov A.O. Optimizacija nizkotemperaturnogo kontura teplonasosnoj ustanovki na osnove teploty poverhnostnyh vod [Optimization of the low-temperature circuit heat pump system based on the surface waters heat], Al'ternativnaja jenergetika i jekologija, 2013, No. 7, pp. 3136.
Сведения об авторах
Харченко Валерий Владимирович - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник отдела возобновляемых источников энергии, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (Москва, Россия). Тел.: 8-916-075-19-56. E-mail: [email protected].
Сычёв Арсений Олегович - аспирант, младший научный сотрудник, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» (Москва, Россия). Тел.: 8-903-197-30-32. E-mail: [email protected].
Information about the authors
Harchenko Valerii Vladimirovich - Doctor of Technical Sciences, professor, chief researcher of Renewable energy department, FSBSI "All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture" (Moscow, Russia). Phone: 8-916-075-19-56. E-mail: [email protected].
Sychev Arseniy Olegovich - postgraduate student, junior researcher, FSBSI "All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture" (Moscow, Russia). Phone: 8-903-197-30-32. Email: [email protected].
