CC BY
129
--© А. В. Потанин, Д.Г. Закиров,
Ю.Н Чадов, В.А. Николаев, 2008
УДК 622.65
A.В. Потанин, Д.Г. Закиров, Ю.Н. Чадов,
B.А. Николаев
ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ В ТЕПЛОСНАБЖЕНИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Семинар № 22
~ЩЪ настоящее время системы
■Я-9 обеспечения кондиционирования, отопления и горячего водоснабжения современных зданий и сооружений являются потребителями большого количества тепловой и холодильной энергии, на это расходуется около 30 % всего добываемого в стране топлива. При этом значительное количество низкопотенциальной теплоты не используется и выбрасывается в окружающую среду в виде источников геотермальной (тепла грунта), гидротермальной (тепла грунтовых и сточных вод) и аэротермальной (тепловых выбросов вентиляционных потоков) энергии. В России имеется огромный неиспользованный потенциал низкопотенциальных тепловых ресурсов, таких как, тепло вентиляционных потоков (выбросов), низкопотенциальное тепло сточных вод и хозбытовых стоков, тепло грунта и грунтовых вод, тепло водоёмов и рек, которые можно применить для целей теплоснабжения зданий и сооружений.
Приблизительно половина всей тепловой и электрической энергии выбрасывается в виде отходящего тепла в воздушный и водный бассейн с температурой превышающей температуру окружающей среды, поэтому обладает дополнительным тепловым потенциалом. Использование низкопотенциального тепла вентиляционных выбросов, тепла
загрязненных хозбытовых стоков, тепла грунта и грунтовых вод с применением тепловых насосов (ТН) позволяет снизить потребление тепловой энергии зданиями и сооружениями. В результате энергопотребление таких зданий в 2 раза меньше, чем зданий, где не применяются технологии использования низкопотенциального тепла. Повышение стоимости тепловой энергии делает внедрение технологий, использования источников геотермальной, гидротермальной и аэротермальной энергии весьма актуальным для районов с длительным зимним периодом, например, Перми и Пермского края.
Эффективность системы теплоснабжения с ТН определяется источником низкопотенциальной теплоты.
Самыми общедоступными источниками низкопотенциального тепла являются поверхностные слои грунта, грунтовые воды или водоём, который находится вблизи от объектов строительства. От этих источников всегда можно отобрать низкопотенциальное тепло, что осуществляется с помощью тепловых насосов и вертикальных грунтовых теплообменников. Солнечная радиация оказывает влияние на тепловой режим слоев грунта, залегающих на глубинах, не превышающих 10-20 м. Ниже находятся слои, тепловой режим которых формируется под воздействием радиогенного
тепла и не зависит от сезонных, а тем более от суточных изменений параметров наружного климата. Так, например, минимальная температура в грунте на глубине 1,6 м наблюдалась в Перми в апреле, в то время как минимальная температура наружного воздуха, соответствующая пиковым нагрузкам на систему теплоснабжения для города приходится на январь. Таким образом, на незначительной глубине от поверхности зданий всегда имеются слои грунта, температурный потенциал которых в холодное время года значительно выше наружного воздуха.
Передача теплоты от грунта осуществляется посредством скважин, свай и несущих строительных конструкций фундамента зданий, змеевика из труб, уложенных ниже глубины промерзания. Обычно используются трубы из полимерных материалов диаметром 20-40 мм, прокладываемые на расстоянии 1-2 м
друг от друга.
Основным достоинством теплового
насоса является его высокая эффективность по сравнению со всеми видами котельных. Учитывая КПД выработки электроэнергии на ТЭЦ, очевидно, что применение теплового насоса в 1,2-2,5 раза выгоднее самых эффективных (газовых) котельных. Исходя из сложившихся цен на электрическую и тепловую энергию, стоимость тепла, выработанного тепловым насосом, будет ниже стоимости тепла централизованного теплоснабжения. Кроме того, стоимость теплоты, выработанной тепловым насосом в 2-3 раза ниже стоимости тепла, выработанного в угольных и мазутных котельных средней мощности. Тепловая станция мощностью 1 Гкал/ч (1,16 МВт) экономит 2100 тонн угля в год.
Основным преимуществом систем геотермальных тепловых насосов перед
другими способами отопления является бережливое отношение к окружающей среде, полная пожарная безопасность в связи с отсутствием процесса горения, удобство в использовании, малогаба-ритность и дешевая эксплуатация. Большая часть геотермальных тепловых насосов в мире установлена в жилых домах. Также они используются в школах, детских учреждениях, церквях, производственных и общественных зданиях. Чем больше объём отапливаемого здания и мощность системы теплового насоса, тем больше можно получить бесплатной энергии окружающей среды.
Источники низкопотенциального тепла, пригодные для утилизации, имеются практически во всех отраслях промышленности и в коммунальном хозяйстве - системы оборотного водоснабжения и охлаждения технологического оборудования, вентиляционные выбросы, теплые сточные воды
и многие другие.
В настоящее время практическое
значение приобрели компрессионные и абсорбционные тепловые насосы. Компрессионный ТН состоит из компрессора, испарителя, дроссельного клапана и конденсатора. В абсорбционном тепловом насосе вместо механической энергии используется тепло, а в качестве рабочей среды - смесь двух жидкостей (например, аммиак - вода). При нагреве летучие компоненты испаряются, а после теплоотдачи -
снова абсорбируются.
Энергетическая эффективность обратимого термодинамического цикла оценивается так называемым коэффициентом преобразования, который определяется как отношение суммы утилизированного тепла и превращенной в тепло механической работы, затраченной на сжатие хладагента, к величине этой работы. Коэффициент тем больше, чем меньше разность температур испарения
и конденсации хладагента, обусловленная различием давления в испарителе и конденсаторе. А чем больше коэффициент преобразования, тем меньше затрачиваемая механическая работа.
Целесообразно рассмотреть два подхода к энергетическому анализу процессов в системах с ТН [1].
Первый - энтропийный, который определяет рост энтропии и связанные с ней потери только при дросселировании и необратимой передаче тепла с конечной разностью температур. Во всех других случаях отклонения от идеальности устанавливаются эмпирически и выражаются коэффициентами,
число которых очень велико.
Второй метод оценки - эксергети-
ческий - в результате общего эксер-гетического анализа реального цикла определяет суммарную эксергетическую потерю, степень термодинами-ческого совершенства, а также условия распределения общей потери на доли, относящиеся к отдельным процессам, из
которых составлен цикл.
Взаимодействие системы с окружающей средой может проходить как обратимо (идеальный процесс), так и необратимо (реальный процесс). В идеальном процессе в соответствии с определением энергии будет получена максимальная работа, равная эксергии. В реальном процессе часть энергии не превратится в работу. В этом состоит одно из существенных отличий эксергии от энергии. Эксергия остается постоянной только при обратимых процессах. Это основное свойство эксергии позволяет использовать ее как меру обратимости того или иного процесса. Разность общей величины эксергии, подводимой в данную систему Еп, и величины эксергии, выводимой из неё Евых, определяет суммарную величину потерь от необратимости в системе
I П = £ Еп - £ ЕвЫХ > 0.
В ТН рабочее тело используется в обратном круговом процессе, к которому подводится необходимая мощность Робр. Тепловой насос воспринимает из окружающей среды тепловой поток ^ос) обр и отдает нагреваемой среде тепловой поток Q= (Оос)обр + Робр. Тепловой поток ^ос) обр, отводимый от окружающей среды, состоит только из энергии и определяется выражением
^ос) обр = BQ = Q Тос /Т.
Поток энергии EQ , необходимый для нагрева, поступает с подводимой мощностью привода Робр = EQ = (1 - Тос /Т) Q.
При этом тепловой поток Q, подаваемый ТН, представляет собой сумму EQ и BQ (рис. 1). Как видно из рис. 1, ТН за счет эксергии, подведенной в качестве необходимой работы, забирает из окружающей среды тепло, которое подводится к нагреваемой среде при Т >Т
ос
Реальные ТН работают необратимо (рис. 1, б). Для покрытия потери потока эксергии в ТН должна быть подведена дополнительная мощность привода
З — Зобр = З — Уй = П.
Отведенный из окружающей среды в виде тепла поток энергии
Qос = ^ос) обр - Пе = BQ - Пе в этом
случае будет меньше.
Таким образом, часть энергии, необходимая для нагрева среды, производится необратимо из эксергии
BQ = Qос + Пе = ^с +Р — Р обр.
Эксергетический КПД необратимого
ТН
П = Е/Р = EQ/(Pобр+Пе) = Qос/(EQ+Пе) и, как видно из выражения, меньше единицы.
Недостаток методов, основанных на сопоставлении и изучении эксер-гетических балансов потерь - потеря связи с обратимым циклом. Для изучения берется уже деформированный не-обратимостями цикл. Действительная работа в каждом необратимом процессе сравнивается с обратимой для тех же конечных состояний. Неудовлетворительным является так же и другой тип анализа, в котором за основу берется только промежуточный теоретический цикл. Целесообразнее рассматривать действительный цикл как результат перехода: обратимый цикл - теоретический цикл - действительный цикл (рис. 2).
В компрессионных ТН имеют место следующие необратимости:
внутренние - процесс сжатия в компрессоре и процесс дросселирования;
внешние необратимости, возникающие в результате теплообмена
Рис. 1. Потоки энергии в ТНУ, работающих обратимо (а) и необратимо (б): 1 - нагреваемый объект; 2, 3 - обратимый и необратимый тепловые насосы; 4 - окружающая среда
при конечной разности температур в конденсаторе и в испарителе.
Действительный цикл можно представить как результат, полученный после очередного изменения, идеального обратимого цикла Карно (рис. 2). На рис. 2, а представлен идеальный обратимый цикл Карно для данных постоянных температур источников тепла То и Т. Рис. 2, б изображает внешне необратимый цикл Карно, когда передача тепла между рабочим телом и источником тепла осуществляется при конечной разности температур. Степень термодинамического совершенства в этом случае пд < 1. На рис. 2, в показано дальнейшее изменение цикла при наличии внутренней необратимости процесса дросселирования. При этом пэ = ПдПд . Схема рис. 2, г учитывает действительный процесс в конденсаторе, где пар перегрет и
Пэ = Пэ -Пп =Пд -Пд -Пп
В действительном цикле имеется необратимость процесса в компрессоре.
Для этого цикла рекомендуется:
Пе = Пд -Пэ -Пм
Степень совершенства ТН определяется:
Рис. 2. Переход от цикла Карно к действительному (при регенерации): а - цикл Карно; б - необратимый цикл; в - без перегрева; г - с перегревом; д -реальный цикл
Пе = Пд"Пэ 'ПГПм 'Пал + Пэл (1 -ППкм ) *
*((Т - То)/ Т),
где пд - степень совершенства необратимости цикла Карно; пэ - коэффициент, учитывающий приближение эталонного цикла к необратимому циклу Карно; пкм - коэффициент, учитывающий степень обратимости процесса сжатия в компрессоре; пе - коэффициент, учитывающий приближение рабочего цикла к обратимому циклу Карно - степень совершенства теплового насоса;
- индикаторный КПД для крупных холодильных поршневых компрессоров, принима-ется 0,7-0,8; пм, Пэл - механические и электрические КПД установки можно считать постоянными и равными соответственно 0,85 и 0,9; Т, Т0 - верхняя и нижняя температура внешних источников тепла, К; Тк, Т0 - температуры конденсации и испарения в эталонном цикле (рис. 2).
Таким образом, учёт реальных энергетических параметров ТН позволит обеспечить наилучшую энергетическую эффективность теплонасосных установок.
Проектирование принципиальной схемы теплонасосного теплоснабжения должно производиться с учётом климатических особенностей и структуры топливно-энергетического комплекса региона, энергетического уровня природных и вторичных низкопотенциальных источников тепла, требований к параметрам систем потребления и выработки тепло- и хла-доносителей, особенностей тепло-влажностного баланса обслуживаемых
помещений.
Выбор производительности систем
теплоснабжения на базе теплонасосных установок целесообразно осуществлять с использованием экономико-
математических моделей и алгоритма оптимизации электропотребления, с учётом годовой продолжительности работы, климатических условий местности, конструкций оборудования и технико-экономических показателей систем тепло- и хладоснабжения.
Свойства хладоагентов в значительной степени влияют на эффективность работы ТН, рабочее вещество (хладагент) должно характеризоваться химической стабильностью, химической инертностью по отношению к конструкционным материалам и смазочным маслам, невысоким (не более 1,6 МПа) давлением конденсации, высокой критической температурой, высокой удельной объёмной
теплопроизводительностью.
Задача оптимизации структуры источников теплоснабжения может быть решена методом линейного программирования.
Рассмотрим некоторые примеры применения ТН [2].
Экономия энергопотребления на отопление и вентиляцию зданий
До 40 % электроэнергии, необходимой для отопления и вентиляции зданий, можно сэкономить, используя теплонасосную установку.
В городе Тампере (Финляндия) проведено технико-экономическое сопоставление системы отопления и вентиляции жилого здания при использовании теплонасосной установки и при обычном источнике энергии - электричестве. Здание, в котором проводилось обследование, оборудовано воздушно-отопительным агрегатом с ТНУ (рис. 3), испаритель которой обогревается выбросным воздухом. Установка позволяет нагревать одновременно наружный воздух в теплообменнике - конденсаторе ТНУ и горячую воду в баке со встроенным теплообменником, включенным параллельно теплообменнику - конден-
Рис. 3. Схема воздушно-отопительнаго агрегата с теплонасосной установкой: 1 -
рециркуляционный воздух; 2 -наружный воздух; 3 - выбросный воздух; 4 - вытяжной воздух; 5, 8 - вентиляторы; 6 - испаритель; 7, 13 - фильтры; 9 -электронагреватель; 10 - регулятор напряжения; 11 - реостат; 12 - компрессор; 14 -конденсатор; 15 - электронагреватель горячей воды; 16 -теплообменник-конденсатор; 17 -бак горячей воды; 18 - отвод конденсата из поддона испарителя; 19 - горячая воды; 20 - холодная вода
сатору. Для догрева воздуха служит электронагреватель. В качестве рабочей жидкости используют фреон, мощность компрессора - 750 Вт, расход воздуха -160 м3/ч, вместимость бака горячей воды - 200 л.
Годовой расход энергии при электрическом отоплении достигал 14700 кВт-ч, а при отоплении с использованием ТНУ - 9100 кВт-ч, что дало 38 % экономии. Срок окупаемости установки - 4-4,5 года.
Использование тепла сточных вод для теплоснабжения зданий
Использование тепла сточных вод систем канализации для теплоснаб-
жения зданий с помощью тепловых насосов (рис. 4) даёт возможность экономить природное топливо и не загрязнять окружающую среду вредными выбросами при сжигании его в традиционных котельных.
При сравнении с вариантом теплоснабжения от котельной на газе получены следующие технико-экономические показатели схемы теплоснабжения от ТН (таблица).
Производительность очистных сооружений, м3/ч Экономия условного топлива, т/год
210 87
625 98
1000 264
2100 510
2700 593
6670 961
Поскольку подогрев рабочего вещества в испарителе должен быть непрерывным, то такие установки могут сооружаться только на сетях канализации с гарантированным дебетом, то есть на сетях районного и городского значения.
Комплексная технологическая схема утилизации низкопотенциального тепла с применением тепловых насосов
Важнейшими элементами схемы (рис. 5) являются тепловые насосы, испарители и конденсаторы которых подключаются через замкнутые циркуляционные контуры, что исключает отложение солей в трубном пространстве этих теплообменников.
Теплообменники, утилизирующие тепло шахтной воды, шахтной вентиляционной струи и хозбытовых стоков, располагаются в местах нахождения этих источников тепла и соединяются с теплообменниками циркуляционного контура системой трубопроводов. Шахтная вода и вода системы охлаждения компрессорной станции могут непосредственно направляться в теплообменники циркуляционного
контура.
Применение утилизирующих теплообменников позволяет сократить потребление угля шахтными котельными установками для целей теплоснабжения и, соответственно, снизить объёмы выбросов вредных веществ в атмосферу, исключить тепловое загрязнение окружающей среды. Теплообменники использованы в комплексной системе утилизации тепла с тепловым насосом и не являются самостоятельной единицей оборудования. Они предназначены для повышения температурного уровня утилизируемой тепловой энергии и использования этой энергии в системах горячего водоснабжения, отопления
Рис. 4. Схема теплонасосной установки: 1 - источник низкопотенциальной теплоты; 2 - отстойник; 3 - испаритель; 4 -редуктор; 5 - конденсатор; 6 -тепловая система; 7 - компрессор
го водоснабжения, отопления зданий и теплиц.
Параллельное или комбинированное соединение испарителей целесообразно применять при небольшом приращении температуры воды в циркуляционном контуре, либо в случае остановки на ремонт или регламентные работы одного из ТН.
Циркуляционный контур конденсаторов через промежуточный теплообменник соединяется с аккумулятором (емкостью в несколько десятков м3). Аккумулятор необходим для обеспечения теплом потребителей во время перерывов в работе ТН (между сменами) и равномерного распределения тепловой энергии между потребителями. Конденсаторы ТН подключаются к циркуляционному контуру также с возможностью последовательного, параллельного либо комбинированного
соединения.
Горячая вода из аккумулятора циркулирует в системах отопления теплиц, административно-хозяйственных и жилых зданий, а также может использоваться для подогрева воды для целей горячего водоснабжения. Состав потребителей тепла может определяться для каждой шахты конкретно, исходя из имеющейся инфраструктуры.
Тепловые насосы, циркуляционные трубопроводы, теплообменники, аккумулятор предпочтительно размещать на компактном участке внутри существующего или вновь построенного для этой цели помещения. Количество па-
Горяч**
Рис. 5. Комплексная технологическая схема утилизации низкопотенциального тепла
раллельно работающих тепловых насосов, площади теплообмена теплообменников, объём бака-аккумулятора и другие параметры технологической схемы должны выбираться, исходя из конкретных условий эксплуатации и, применительно к опытному образцу технологии, уточняться частными техническими заданиями на разработку оборудования.
В технологической схеме предусмотрено управление процессом утилизации тепла при помощи микропроцессорной техники.
Большой опыт использования ТН при утилизации низкопотенциальной энергии накоплен в Пермском крае.
В 1988 г. впервые в СССР была разработана и внедрена технология утилизации тепла оборотной воды компрессоров на шахте Ключевская ПО «Кизел-
уголь» (Пермская область) с применением тепловых насосов для улучшения охлаждения процесса сжатия воздуха и отопления промплощадки шахты.
В 1994 г. на основе результатов исследований был выполнен рабочий проект технологического комплекса утилизации низкопотенциального тепла шахтной воды для шахты «Зенковская» АО УК «Прокопьевскуголь». С помощью теплонасосной установки мощностью 2,4 МВт проектом предусмотрено покрывать круглогодичную нагрузку системы горячего водоснабжения и базовую нагрузку отопления.
В 1995 г. был выполнен рабочий
проект, предусматривавший применение тепловых насосов для шахты Степанов-ская АО «Ростовуголь» по утилизации низкопотенциальной теплоты с целью
улучшения температурного режима очистки хозяйственно-бытовых стоков.
В 2001 г. на шахте Осинниковская ОАО УК «Кузнецкуголь» в Кемеровской облсти была испытана опытно-промышленная установка по утилизации низкопотенциального тепла шахтных вод, которая полностью покрывает потребности горячего водоснабжения шахты и позволяет отключить шахтную
котельную в летнее время.
Реализованы также ряд других
проектов с применением ТН.
Применение технологий утилизации низкопотенциального тепла для целей теплоснабжения с применением ТН позволит решить ряд проблем, стоящих
1. Везиришвили О.Ш., Меладзе Н.В. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения. - М.: Издательство МЭИ, 1994. - 160 с.
перед предприятиями промышленности, энергетики и коммунальной сферы:
1. Отказ от нерационального электрического и, в ряде случае, централизованного отопления объектов жилищно-коммунального хозяйства.
2. Значительную экономию электроэнергии.
3. Обеспечение надёжного и экономичного теплоснабжения объектов.
4. Полная независимость от поставщиков тепла.
5. Отказ от теплотрасс большой протяженности и, как следствие, сокращение значительных потерь и затрат на их обслуживание, снизить издержки на выработку тепла и увеличить надёжность теплоснабжения.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Энергопотребление и энергосбережение на предприятиях Западного Урала: Настольная книга энергетика / Авторы-составители: Д.Г. Закиров, В.М. Кукушкин.- Пермь, 1997.- 447 с.
ЕШ
— Коротко об авторах -
Потанин А.В. - кандидат технических наук, академик Муниципальной Академии Российской Федерации, доцент кафедры «Электрификация и автоматизация горных предприятий» горно-нефтяного факультета Пермского государственного технического университета (ПГТУ), директор Регионального учебного научно-инженерного центра «Энергетика и автоматика» ПГТУ и электротехнической корпорации «КАМА», г. Пермь, Закиров Д.Г. - генеральный директор Ассоциации энергетиков Западного Урала, доктор технических наук, профессор, академик МАНЭБ, заслуженный шахтёр РФ, Почётный энергетик РФ, г. Пермь,
Чадов Ю.Н. - советник Российской Академии Архитектуры и строительных наук, член-корреспондент Муниципальной Академии Российской Федерации, начальник отдела градостроительства Инспекции государственного строительного надзора Пермского края, г. Пермь,
Николаев В.А. - старший преподаватель кафедры «Электрификация и автоматизация горных предприятий» Пермского государственного технического университета, г. Пермь.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 22 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. А.В. Ляхомский.
