Особенности использования тепловых насосов в системах теплоснабжения Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 621. 565

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

О.П. Ковалев, Дальрыбвтуз, Владивосток

Теплонасосные системы теплоснабжения представляют собой перспективное направление коммунальной энергетики. Разработка и исследование комбинированных солнечно-теплонасосных систем позволят повысить эффективность использования возобновляемых источников энергии, создать экологически чистые конкурентоспособные системы теплоснабжения, снизить удельный расход органического топлива.

В мировой практике наиболее перспективными технологиями в системах теплоснабжения считаются технологические решения с использованием теплонасосных установок (ТНУ).

В США 69 % общего прямого использования геотермальных ресурсов реализуется на основе применения тепловых насосов. Только за 2004 г. было установлено примерно 60 тыс. тепловых насосов, а к концу 2005 г. в США общее количество установленных тепловых насосов составило более 500 тыс. единиц.

Общая установленная мощность тепловых насосов на сегодня составляет 15 723 МВт при ежегодной выработке теплоты 86,673 -1015 Дж [1]. Установленная мощность геотермальных теплонасосных систем [2] составляет около 6700 МВт при производстве энергии в объеме 23,3-1015 Дж/год.

Такой значительный объем использования ТНУ в развитых странах объясняется значительными преимуществами теплонасосных установок перед другими системами теплоснабжения:

- относятся к холодильным машинам, которые отличает высокая надежность, отлаженная система производства и технического обслуживания;

- высокая степень автоматизации ТНУ;

- экологическая чистота в местах их использования;

- высокая эффективность (на каждый киловатт электрической энергии, затраченный на привод компрессора, можно получить от 3 до 8 кВт тепловой энергии в зависимости от температуры низкопотенциального источника);

- высокая степень заводской готовности оборудования, простота монтажа, подключения и технического обслуживания.

По экспертной оценке, до 70 % тепловой энергии для систем отопления и горячего водоснабжения в развитых странах к 2020 году будет производиться теплонасосными установками, использующими различные виды низкопотенциальных источников теплоты:

- теплота охлаждающей воды энергетических установок;

- уходящая теплота технологических процессов;

- теплота сточных вод;

- теплота воды систем питьевого водоснабжения;

- теплота вентиляционных выбросов;

- теплота масс воды в различных водоемах (реки, озера, пруды, моря и т.п.);

- теплота грунта и подземных источников и др.

Приморский край относится к регионам России, где целесообразно использовать холодильные технологии для теплоснабжения [3,4]. Однако при решении конкретных задач возникают некоторые проблемы, связанные:

- с эксплуатацией тепловых насосов с грунтовыми теплообменниками, обусловленных малой интенсивностью подвода радиогенной теплоты от окружающего грунтового массива к месту отбора теплоты;

- с некоторыми ограничениями по величинам температуры и давлению конденсации хладагента и, следовательно, по температуре горячего источника.

По данным СКИФ-Техно (г. Хабаровск), капитальные затраты на создание теплонасосной установки тепловой мощностью 10 кВт с тремя скважинными грунтовыми теплообменниками в ценах 2006 г. по отдельным статьям могут составить:

Тепловой насос 105 000 руб.

Бурение скважин (3 х 60 м =180 пог. м)

Стоимость грунтовых теплообменников

с присоединительными элементами

Итого

340 000 руб.

Монтажные и пусконаладочные работы

Всего

390 000 руб.

Таким образом, удельная стоимость капвложений теплонасосной станции с грунтовыми теплообменниками может составить до 39 000 руб./кВт, причем более 45 % стоимости составляют работы по бурению скважин. Для сравнения: удельная стоимость тепловой котельной на твердом топливе может составлять 30...35 тыс. руб., но при этом необходимо учитывать значительные текущие затраты на приобретение топлива.

Средняя плотность теплового потока от глубинных недр к земной поверхности составляет 0,06.0,08 Вт/м2 [5]. По другим оценкам,

180 000 руб. 55 000 руб.

50 000 руб.

величина потока радиогенной теплоты, поступающей из земных недр, для Центральной Европы составляет 0,05. 0,12 Вт/м2.

По информации фирмы VIESSMANN [6], удельный теплосъем в поверхностных слоях грунта и грунтовых скважинах, залитых бетонитом, зависит от типа грунта, и его значения представлены в таблице.

Удельное количество теплоты, которое можно забрать у грунта тепловым насосом

Тип грунта Удельный теплосъем

Теплообменник в поверхностных слоях (ground heat collector horizontal loop), Вт/м Теплообменник скважинный (borehole heat exchanger), залит бетонитом, Вт/пог.м

Сухой песчаный грунт 10.15 20

Сырой песчаный грунт 15.20 40

Сухой глинистый грунт 20.25

Сырой глинистый грунт 25.30 60

Водоносный слой 30.35 80.100

Теплонасосная установка системы теплоснабжения школы в Ярославской области с грунтовыми скважинными теплообменниками. Усредненный удельный теплосъем (количество снимаемой низкопотенциальной теплоты) с 1 пог. м длины грунтового теплообменника составил от 182 Вт/(пог. м) в первый год эксплуатации до 126 Вт/(пог. м) во второй год эксплуатации [7].

Критерием эффективности термодинамического цикла теплового насоса является коэффициент преобразования теплоты

(р — 1 + Ои / 1~К,

где Ои- количество теплоты, подведенной из низкопотенциального источника к испарителю теплонасосной установки, и - работа сжатия компрессора.

Уменьшение перепада температур между изотермами цикла Ренкина вызывает сокращение работы сжатия и возрастание коэффициента преобразования теплоты. Использование R142b в тепловых насосах дает возможность реализовать в парокомпрессионных ТНУ термодинамический цикл с верхней температурой отвода теплоты на уровне 90°С [8].

Снизить температурный перепад без значительного влияния на эффективность системы отопления можно при использовании нового направления в теплофикации - «теплые полы». Технологии создания «теплых полов» отработаны и расширяют объемы использования, а

ТНУ с «теплыми полами» - это еще не заполненная ниша коммунальной теплоэнергетики.

Таким образом, по экспертным оценкам, удельное количество теплоты, которое можно получить с погонного метра скважины, колеблется от 20 до 180 Вт/(пог. м). Это довольно значительный перепад, и требует экспериментальной проверки. Поэтому если мы отбираем большее количество теплоты, чем подводится в скважинный массив, то через некоторое время можем получить в местах отбора локальный массив «вечной» мерзлоты. Нейтрализовать это негативное воздействие можно путем создания комбинированной солнечнотеплонасосной системы теплоснабжения с длительным аккумулированием теплоты.

Анализ моделирования работы разработанной схемы (рис. 1) показал, что эффективность работы солнечного коллектора увеличилась, но в то же время, учитывая то, что тепловому насосу требуется поступление тепловой энергии в течение всего отопительного периода (суток), а солнечная установка работает только в световой день, возникает проблема в поступлении тепловой энергии в ночное время.

Рис.1. Принципиальная схема солнечно-теплонасосной установки: Q - солнечная радиация, СК - солнечный коллектор, БА - бак-аккумулятор тепловой энергии,

ТН - тепловой насос

Это можно решать двумя путями: включить в схему дублирующий источник тепловой энергии (на традиционном топливе), который будет вырабатывать недостающее количество тепловой энергии или наращивать площадь солнечных коллекторов. В первом случае мы сталкиваемся с проблемами использования традиционных источников

энергии (топливо, дополнительная электрическая мощность, экология и др.), во втором случае - с избытком тепловой энергии, вырабатываемой солнечной установкой в летнее время (рис. 2).

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

месяц

Рис. 2. Доля СВНУ в замещении тепловой нагрузки автономного объекта (г. Владивосток) в зависимости от площади солнечных коллекторов

Для решения данных проблем предлагается создание комбинированной солнечно-теплонасосной установки с длительным аккумулированием тепловой энергии, избыточно производимой в теплое время года. Блок-схема комбинированной солнечной системы теплоснабжения с сезонным аккумулированием теплоты и варианты работы в период наличия избыточной тепловой мощности СВНУ (лето) и при недостатке тепловой мощности для теплоснабжения объекта (зимой) представлены на рис. 3.

В неотапливаемый период года СВНУ работает на бак-

аккумулятор, обеспечивая систему горячего водоснабжения, а

избыточная тепловая энергия запасается в аккумуляторе длительного хранения теплоты. В зимний период СВНУ полностью работает на бак-аккумулятор, обеспечивающий систему теплоснабжения, а недостающая для компенсации тепловых потерь объекта тепловая энергия при помощи теплонасосной установки перекачивается из

теплового аккумулятора в бак-аккумулятор. В случае недостатка в тепловой энергии или при отказе одной из систем подключается дублирующий источник.

Для разработки методологии создания подобного рода систем теплоснабжения необходимо провести дополнительные исследования стабильности температурного поля грунта, которые позволят

реализовать указанную схему и создать экологически чистую

эффективную конкурентоспособную комбинированную систему теплоснабжения.

Рис. 3. Блок-схема комбинированной системы солнечного теплоснабжения с сезонным аккумулированием: а - структурная схема, б - схема работы летом, в - схема работы зимой

Экономическая оценка различных схем теплоснабжения показала (рис. 4), что затраты на теплоснабжение СВНУ с тепловым насосом и длительным аккумулированием тепловой энергии в первый год

COCI

бой;

53 ловой энергии от

$2

см s

т- I

С t ®

“ N i ю

=т I.

^ О £ё S Р

он 2 о 5?

^ £ Q) CZ О

С CL

^ s ш о о ^ X ^

¡5 -0-о ^

^ CL

® С

2 о ^ i CL Т , S О CL Ш . 0) (Ü

2 g í» S *g§

О ^ (D -« '^|-Í2:>

й S х н О о

g га *

J -О Ш EÍ I ■Ü03S mm3

О с! ^

3 « £

1_ ^ riL

ш ^

3 ю

5 о"

5 S

.5 ч > о

Q- й

Ч (0 га о

Исследование рабочих процессов опытного образца комбинированной солнечно-теплонасосной системы теплоснабжения с аккумулятором длительного хранения тепловой энергии позволит:

- солнечному коллектору работать при относительно низком

уровне температур (20-30 °С) и соответственно высокой

эффективности;

- исследовать возможность длительного аккумулирования избыточного количества тепловой энергии, произведенной солнечными коллекторами в летнее время, и использования ее по мере необходимости в зимний период времени.

Библиографический список

1. Всемирный геотермальный конгресс WGC-005 //

Теплоэнергетика. 2006. № 3.С. 78-80.

2. Васильев Г.П., Шилкин Н.В. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах // АВОК. 2003. № 2.

3. Ковалев О.П. Использование холодильных технологий для теплоснабжения: Науч. тр. Дальрыбвтуза. Владивосток: Дальрыбвтуз, 2006. Вып.18. С. 51-59.

4. Ковалев О.П., Волков А.В., Лощенков В.В. Использование тепловых насосов для теплоснабжения прибрежных объектов: Мат. междунар. науч.-техн. конф. / Технические проблемы освоения Мирового океана. Владивосток, 14-17 сент. 2005 г. Владивосток: Дальнаука, 2005. С. 293-298.

5. Накорчевский А.И, Басок Б.И. Технологические показатели различных схем аккумулирования тепла грунтом // Теплоэнергетика. 2006. № 3. С. 29-35.

6. Системы тепловых насосов: Инструкция по проектированию. VIESSMANN. 2000.

7. Васильев Г.П. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения // Теплоэнергетика. 2004. № 6. С. 33-41.

8. Огуречников Л.А. Анализ эффективности низкотемпературных энергосберегающих технологий // Энергетика. 2006. № 6. С. 42-51.