CC BY
6Статья поступила в редакцию 23.11.11. Ред. рег. № 1148 The article has entered in publishing office 23.11.11. Ed. reg. No. 1148
УДК 621.483
РОЛЬ И МЕСТО ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК В ОБОБЩЕННОЙ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ВЫРАБОТКИ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
И.Ю. Долгов
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: (499) 171-19-20, факс: (499) 170-51-01, e-mail: viesh@dol.ru; d89163950310@yandex.ru
Заключение совета рецензентов: 30.11.11 Заключение совета экспертов: 05.12.11 Принято к публикации: 10.12.11
Предложена и рассмотрена обобщенная термодинамическая система выработки, распределения и потребления энергии из возобновляемых и невозобновляемых энергоресурсов, определены роль и место теплонасосных установок как связующих термодинамических звеньев этой системы, с помощью которых возможно осуществить эффективные связи потоков энергии.
Ключевые слова: тепловой насос, термодинамическая система, коэффициент преобразования, первичные энергоресурсы, термотрансформатор, энергосбережение.
ROLE AND POSITION OF HEAT PUMP UNITS IN THE GENERALIZED THERMODYNAMIC ENERGY GENERATION AND CONVERSION SYSTEM
I.Yu. Dolgov
All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture 2, 1-st Veshnyakovsky passage, Moscow, 109456, Russia Tel.: (499) 171 19-20, fax: (499) 170 51-01, e-mail: viesh@dol.ru; d89163950310@yandex.ru
Referred: 30.11.11 Expertise: 05.12.11 Accepted: 10.12.11
We propose and discuss a generalized thermodynamic system of generation, distribution and consumption of renewable and non-renewable energy, and determine the role and position of heat pump units as the system's linking members enabling efficient energy flows.
Keywords: heat pump, thermodynamic system, coefficient of conversion, primary energy, thermo transformer, energy saving.
Тепловые насосы (ТН) являются специфическими устройствами, в которых обратные термодинамические циклы связаны с подводимыми к ним и отводимыми от них потоками энергии с помощью специальных теплообменников (радиаторов, конвекторов, коллекторов, поглотителей, геотермозондов и т.п.) совместно с циркуляционными насосами-вентиляторами, обеспечивающими интенсификацию процессов теплопередачи. Указанное оборудование ТН является периферийным и образует совместно с силовым термодинамическим контуром ТН теплонасосную установку (ТНУ) - техническое устройство, которое в автоматическом режиме полностью реализует процессы преобразования и связи подводимых и отводимых (преобразованных, трансформированных) потоков энергии в оптимальных режимах при мини-
мальном участии человека [1]. Таким образом, ТНУ являются связующими звеньями во взаимосвязанных процессах выработки, распределения и потребления энергии, которые могут быть представлены в виде обобщенной термодинамической системы, показанной на рисунке. Впервые обобщенная термодинамическая система предложена и исследована в Институте теплофизики СО РАН [2]. Показанная на рисунке система является ее усовершенствованным вариантом. Как видно из этой системы, все первичные энергоресурсы могут быть подразделены на не-возобновляемые (производство энергии из которых связано с их сжиганием или термохимическими реакциями) и возобновляемые (производство энергии из которых не связано с их сжиганием). Потенциал возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в России
составляет примерно 320 млн т у.т. в год, или порядка 940 млрд кВтч.э, т.е. почти равен годовому потреблению электроэнергии в России [3]. Таким образом, ВИЭ и невозобновляемые (традиционные) энергоресурсы в России имеют сопоставимую величину. Коэффициенты преобразования первичных энергоресурсов в теплоту Кпэ.т и электроэнергию Кпээ зависят от вида преобразователя: электро- (ЭК), или тепло- (ТК) котельные, теплоэлектростанция (ТЭС),
теплоэнергоцентраль (ТЭЦ), гидроэлектростанция (ГЭС), когенерационная теплоэлектростанция (КТЭС), ветроэлектростанция (ВЭС), геотермальная теплоэлектро-станция (ГЕТЭС), теплоэлектростанция на солнечной энергии (СТЭС) и др. Величины Кпээт и паспортных коэффициентов полезного действия Кпд.пас. (по техдокументации) для них представлены в таблице [4-10].
Первичные энергоресурсы
Невозобновляемые Возобновляемые
Твердое Жидкое Химиче- Газооб- Другие Гидро Солнце Ветро Геотер- Другие
ТОГО) иво топливо ское, разное ВИДУ энергия энергия энергия мальная ввды
(уголь, (нефте- ядерное топливо топлива энергия энергии
дрова, продук- топливо
и др.) ты)
Преобразователи энергоресурсов в теплоту и электроэнергию сжиганием топлива
техногенные отходы, биотопливо
Преобразователи энергоресурсов в теплоту и электроэнергию без сжигания то шиша
Потребители тепловой и электрической энергии
Полезная работа, про извод ствен ные процессы
Энергия потерь
Аккумулированная энергия
Окружающая среда
Низко потенциальные источники теплоты
Техногенные Природные
Трансформируемая ТНУ низкопотенциальная тепловая энергия
Энергия привода TH + Низкопотенциальная - Энергия = Пригодная для использо-потерь ТНУ вания тепловая энергия
тепловая энергия
Теплонасосные установки (ТНУ)
Обобщенная термодинамическая система выработки, распределения, потребления и трансформации энергии Generalized thermodynamic system of production, distribution, consumption and transformation of energy
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (104) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Коэффициенты преобразования первичных энергоресурсов в теплоту в зависимости от вида преобразователя The coefficients of conversion of primary energy into heat, depending on the type of transducer
Коэффициент преобразования Тип преобразователя
ЭК ТК ТЭС ТЭЦ КТЭС ГЭС ВЭС ГЕТЭС СТЭС
К нет нет 0,35-0,55 0,30-0,35 0,3-0,35 0,95 0,95 0,3-0,35 0,2-0,31
К 0,9-0,95 0,75-0,9 нет 0,45-0,5 0,45-0,55 нет нет 0,45-0,5 0,45-0,5
Кпд.пас. Кпэ.т Кпэ.т 0,35-0,55 С^-пэ^ Кпэ.т) 0,95 0,95 С^-пэ^ Кпэ.т)
Примечание. Жирным шрифтом в таблице выделены Квд пас = Кпээ,т совпадающие с эксергетическим коэффициентом полезного действия (термодинамического совершенства) Ке, определяемым отношением доли энергии на выходе к доле энергии на входе преобразователей, которые могут совершать работу. При таком совпадении этих коэффициентов они совпадают и с коэффициентами полезного действия указанных преобразователей, учитывая, что источники энергии - ГЭС, ВЭС, электроэнергия и низшая теплота сгорания топлива Ц^ СТ есть эксергия [11].
Тепловая и электрическая энергия от указанных преобразователей первичных энергоресурсов отдается потребителям, в которых расходуется для совершения работы, производственных, других полезных процессов, всюду при этом теряясь в виде энергии потерь в окружающую среду, которая пополняет величину энергии техногенных источников низкопотенциальной теплоты и отходов. Энергия этих источников и (или) природных (вода, солнце, тепло Земли и т.п.) трансформируется ТНУ с использованием на их работу теплоты и электроэнергии в тепловую энергию с температурным потенциалом, пригодным для применения потребителями. Таким образом, ТНУ являются связующим термодинамическим звеном в системах преобразования тепловой и электрической энергии, в системах утилизации тепловой энергии потерь как техногенных источников, так и в системах трансформирования теплоты природных низкопотенциальных источников. Особая эффективность ТНУ достигается при совместном использовании свойства охлаждения низкопотенциального источника теплоты (выработка холода) и нагрева (выработка тепла), т.е. в объектах, которые требуют как процессов нагрева, так и охлаждения. Тепловая энергия, отдаваемая на выходе ТНУ потребителям, имеет сравнительно невысокий температурный потенциал (максимум 8590 °С при двухступенчатых схемах термотрансформации, 60 °С при наиболее распространенных одноступенчатых схемах), т.е. в подавляющем большинстве случаев ТНУ используются для целей отопления, охлаждения (кондиционирования) помещений, рекуперации теплоты вентилируемого воздуха помещений, горячего водоснабжения, в низкотемпературных технологических процессах [1]. Применение ТНУ в качестве термотрансформаторов на ТЭЦ, КГЭС позволяет значительно увеличить их теплофикационные мощности и повысить мощности отбора теплоты в теплосетях [12, 13]. Все преобразования энергии связаны с ее потерями в конечном счете в окружающую среду, они могут быть значительно снижены путем применения ТНУ, преобразующих качество этой энергии в соответствии с требованиями потребителей.
Энергия низкотемпературного нагрева в идеальном случае, только в начале процесса, должна отбираться от источника первичной энергии, а далее процесс нагрева должен проходить через термодинамический цикл, т.е. процесс низкотемпературного нагрева должен быть регенеративным [14], наиболее эффективно реализуемым ТНУ. Следует особо отметить, что окружающая среда является не только «приемником» низкопотенциальной теплоты техногенных источников и продуктов жизнедеятельности живых существ, но и важнейшим источником энергии (и жизни) на земле, представляет собой основное (важнейшее) замыкающее звено преобразований энергии в рассматриваемой обобщенной термодинамической системе.
В связи с широкими возможностями применения ТНУ в сельском хозяйстве и особой актуальностью проблем энергосбережения в этой отрасли деятельности человека благодаря использованию теплоты окружающей среды: земли, водоемов, рек, солнца (в регионах с достаточной солнечной активностью и отсутствием снеговых осадков), воздуха вытяжной вентиляции животноводческих и птицеводческих предприятий и т.п., целесообразно рассмотреть современные проблемы его энергоснабжения на основе предложенной обобщенной термодинамической системы. К числу основных проблем, снижающих энергоэффективность сельскохозяйственного производства, жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) сельхозработников, относятся невысокий технический уровень и коэффициент полезного действия (КПД) систем обеспечения энергии, их низкая надежность, слабое применение высокоэкономичных децентрализованных энергетических систем, практическое отсутствие оборудования по использованию местных видов топлива и растительных отходов для выработки теплоты и электроэнергии, слабое использование системы дифференцированных тарифов на электроэнергию [15]. Основными энергопотребляющими отраслями сельского хозяйства являются животноводство, растениеводство в защищенном грунте (тепличные хозяйства), птицеводство (птицефабрики) и сектор ЖКХ жителей села. При
этом мощности тепловой и электроэнергии, используемые в отдельных тепличных хозяйствах и птицефабриках, исчисляются единицами и даже десятками мегаватт, т.е. такие объекты относятся к крупным энергопотребителям, т. к. их мощности сопоставимы с мощностями таких крупнейших энергопотребителей, как металлургические печи на тепловой и электроэнергии. Мощности типовых объектов животноводства значительно ниже, исчисляются десятками-сотнями киловатт, объектов ЖКХ (одноквартирные дома) - десятками киловатт. Таким образом, энергетические объекты сельского хозяйства охватывают весь диапазон мощностей, используемых в настоящее время в промышленности и ЖКХ России, являясь при этом в основном потребителями низкотемпературной теплоты для отопления и водонагрева и электроэнергии. Коэффициент использования топлива на сельскохозяйственных объектах весьма низок и составляет 30-35% [15]. Соответственно, их техногенные потери энергии в окружающую среду могут оцениваться в 65-70%. Эти потери представляют низкопотенциальную энергию, которая может утилизироваться в полезную для потребления тепловую энергию с помощью ТНУ.
В ряде случаев сельскохозяйственные объекты находятся вблизи рек, где целесообразно использовать для децентрализованного электроснабжения местные малые ГЭС, имеющие наивысший Кт.э [6], низкую стоимость выработки электроэнергии. Электроснабжение от них ТНУ с электроприводом, трансформирующих теплоту воды этих рек, позволило бы получить наивысшую термодинамическую эффективность ТНУ [14] и в наивысшей степени эффективно использовать энергию природы для нужд сельского хозяйства, жилищно-коммунального хозяйства, отдельно стоящих (удаленных от централизованных систем энергоснабжения) объектов.
Аналогичная ситуация с позиций термодинамики для ТНУ имеет место при электроснабжении от ВЭС с трансформацией теплоты крупных озер, моря, однако резкопеременный характер ветроэнергии требует дополнительных мероприятий по стабилизации генерируемой электроэнергии [7].
ГЕТЭС, в силу специфики производства на них электрической и тепловой энергии от природной воды и пара высокой температуры, энергия которых после переработки сбрасывается в окружающую среду (водоем, скважину) в виде отработанной воды с высоким температурным потенциалом, являются идеальными источниками для ТНУ [10, 16]. Одной из первых ТНУ, построенных в СССР еще в семидесятые годы по разработкам СО АН, является теплоутилизационная ТНУ на Паужетской геотермальной теплоэлектростанции на Камчатке [17]. Особо следует отметить ТНУ, трансформирующие низкопотенциальную теплоту Земли с помощью вертикальных теп-лоскважин. Такие ТНУ обеспечивают надежное теплоснабжение в холодное время года [1], однако требуют значительной площади земли, но в целом
пригодны для теплоэнергообеспечения не только сравнительно небольших частных домовладений, но и для крупных зданий при наличии недорогой электроэнергии. Теоретические исследования и опыт многолетней эксплуатации этих ТНУ в условиях центрального региона России, в том числе в Московской области, показал надежность, эффективность их работы и отсутствие эффекта накопления замораживания грунта земли [18-20]. В условиях сельскохозяйственного производства и быта проблема площади земли для грунтовых коллекторов не имеет места, однако наиболее эффективно в таких условиях могли бы работать ТНУ, замещающие электронагрев и утилизирующие сбросную теплоту техногенных источников сельхозобъектов. ТНУ с трансформацией теплоты воздуха фактически являются холодильниками, использующимися для рекуперации и кондиционирования воздуха, водонагрева при охлаждении молока на молочных фермах, других животноводческих объектах [1]. Наиболее широко ТНУ применяются в виде бытовых кондиционеров с теплонасосным режимом работы, в которых трансформация теплоты наружного воздуха вне помещения осуществляется путем переключения теплообменников «хладагент-воздух», при этом конденсатор кондиционера становится испарителем, а испаритель - конденсатором [1]. Бытовые кондиционеры с теплонасосным режимом работы находят все более широкое применение не только в южных, но и в центральных областях России, обеспечивая не только локальный (местный, комнатный) комфортный микроклимат в летнее время, но и локальное теплоснабжение в весенний и осенний периоды года, более энергоэкономичное по сравнению с электроотопительными приборами. В режиме кондиционирования сбросная теплота конденсаторов бытовых кондиционеров может использоваться для целей бытового водонагрева, повышая холодопроизводи-тельность таких кондиционеров [21]. Важное место ТНУ могут занимать в системах выработки тепла и электроэнергии на СТЭС [8, 22] и в системах фотоэлектрических электростанций [23]. Наиболее широкое применение в системах трансформации солнечной энергии получили ТНУ с солнечными коллекторами, массово выпускающиеся рядом ведущих фирм-изготовителей и эффективно использующиеся в многочисленных регионах с достаточной энергией солнечного излучения [8, 24]. Техногенные отходы сельхозпроизводителей, как показано на схеме рисунка, могут быть использованы как биотопливо в качестве первичных источников тепловой и электроэнергии с применением специального оборудования для их производства [25-27]. Таким образом, в большинстве термодинамических связей и потоков энергии, представленных на рисунке, в обобщенной термодинамической системе присутствуют или могут присутствовать ТНУ, повышая эффективность преобразования энергии.
Роль и место ТНУ в решении перечисленных современных проблем энергоснабжения в промыш-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (104) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
ленности, сельском хозяйстве, жилищно-коммунальном хозяйстве, состоят в том, чтобы наиболее эффективно осуществить связи потоков энергии и их преобразование на конкретных объектах, обеспечив при этом снижение их энергопотребления, повышение надежности, а в ряде случаев в сельском хозяйстве - независимость энергоснабжения от централизованных поставщиков твердого, жидкого топлива, электроэнергии и природного газа за счет биотоплива, вырабатываемого самими сельхозпроизводителями. Применение ТНУ является дорогостоящим мероприятием, поэтому целесообразность практической реализации предложений по ТНУ должна обосновываться технико-экономическими расчетами. В случае выявления экономической нецелесообразности предложения по применению ТНУ на конкретном (типовом, выбранном для анализа) объекте следует выявить условия (тарифы, государственные субсидии и др.), при которых может быть обеспечена экономическая целесообразность применения ТНУ на этом объекте. Указанные условия экономической целесообразности применения ТНУ могут быть использованы для разработки соответствующих предложений правительству и президенту России в качестве важнейших мероприятий по реализации задач энергосбережения страны.
Список литературы
1. Хайнрих Г., Найорк Х., Нестлер В. Теплона-сосные установки для отопления и горячего водоснабжения / Пер. с немецкого Н.Л. Кораблевой и Е.Ш. Фельдмана. Под ред. Б.К. Явнеля. М.: Строй-издат, 1985.
2. Елистратов С.Л. Комплексное исследование эффективности тепловых насосов. Автореф. дисс. ... д-ра техн. наук. Институт теплофизики СО РАН. Новосибирск, 2010.
3. Безруких И.П. Энергоэффективность и возобновляемые источники энергии. Труды 7-й межд. н/т конф. 18-19 мая 2010 г. М.: ГНУ ВИЭСХ. Ч. 1. С. 18-28.
4. Данилов О.Л., Гаряев А.Б., Яковлев И.В. и др. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехно-логиях. М.: Изд. дом МЭИ, 2010.
5. Аметистов Е.В., Трухния А.Д. и др. Основы современной энергетики. В 2-х томах. М.: Изд. дом МЭИ, 2008.
6. Малинин Н.К. Теоретические основы гидроэнергетики. М.: Энергоатомиздат, 1985.
7. Виссарионов В.И., Малинин Н.К. и др. Расчет ресурсов ветроэнергетики. Учебное пособие для вузов. М.: МЭИ, 1997.
8. Виссарионов В.И., Малинин Н.К. и др. Расчет ресурсов солнечной энергетики. Там же.
9. Новый рекорд КПД солнечных электростанций. http: //aenergi.ru. Интернет-сайт.
10. Поваров О.А., Боярский М.Ю., Никольский А.И., Шилков А.А. Сравнительная эффективность термодинамических циклов геотермальных энергоблоков // Электронный журнал «Новое в российской электроэнергетике». 2005. № 9.
11. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. М.: Энергоатомиздат, 1988.
12. Попов А. В. Анализ эффективности различных типов тепловых насосов // Проблемы энергосбережения. 2005. №1-2.
13. Чаховский В.М. Роль и место тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения крупных городов РФ. http: // www.g-mar.ru/.
14. Рант З. Процессы нагрева и второй закон термодинамики. В кн. «Эксергетический метод и его приложения». Пер. под ред. В.М. Бродянского. М.: Мир, 1967.
15. Огребков Д.С., Тихомиров А.В. Перспективные направления развития энергетики сельского хозяйства и модернизация систем энергообеспечения. Труды 7-й Международной научно-технической конференции 1819 мая 2010 г. М.: ГНУ ВИЭОХ, Ч. 1. О. 3-9.
16. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. М.: Высшая школа, 1985.
17. Энергоснабжение на базе тепловых насосов. http: // www/cbias.ru /. Интернет-сайт.
18. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием тепловой энергии поверхностных слоев земли. М.: Граница, 2006.
19. http:// www.insolar.ru/.
20. http:// www.veles-gh.ru/.
21. Долгов И.Ю., Костылев В. А. Теплонасосная установка воздушного отопления, охлаждения и горячего водоснабжения. А. с. ОООР на изобретение № 1548624. Приоритет от 26.05.1987 г.
22. Драбкин Л.М., Драбкина Е.В. О солнечном тепловом насосе с переменной массой рабочего тела. Труды 7-й Международной научно-технической конференции 18-19 мая 2010 г. Ч. 4. М.: ГНУ ВИЭОХ. О. 280-286.
23. Харченко В.В., Тихонов П.В. Системы энергообеспечения на основе когенерационных ФЭТ модулей и тепловых насосов. Там же. О. 275-279.
24. Митина И.В. Системы отопления с тепловым насосом и солнечным коллектором. Там же. О. 287-293.
25. Нуруллин Э.Г., Нуруллина Э.Э., Нуруллин Э.Э. Перспективы использования биологических видов топлива. Там же. О. 299-302.
26. Ковалев А.А. Экспериментальная биогазовая установка для переработки отходов пищевого производства в биогаз и удобрения. Там же. О. 338-342.
27. Панцхава Е.О., Пожарнов В.А. Преобразование энергии биомассы (обзор биоэнергетических установок, производимых и применяемых в России). http: // www.recyclers.ru. Интернет-сайт.
