Файл: 1 использование тепловых насосов в системах теплоснабжения зданий и сооружений.pdf

1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В СИСТЕМАХ
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
Половинкина Е.О
Нижегородский Государственный Архитектурно-Строительный
Университет
НижнийНовгород, Россия
USAGE OF HEAT PUMPS IN HEATING SYSTEMS OF BUILDING AND
STRUCTURES
Polovinkina E.O
Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering
NizhnyNovgorod, Russia
Содержание
Введение………………………………………………………………..…………3 1. Принцип действия теплового насоса……………………………..………….4 1.1 Термодинамический цикл теплового насоса………..…………………….6 1.2 Принцип действия компрессионного теплового насоса.……..…………..7 1.3 Коэффициент преобразования теплового насоса…..……………………..7 2. Источники теплоты и типы тепловых насосов…………………………...…10 2.1. Тепловой насос «грунт-вода»………………………………………..……11 2.1. Тепловой насос «вода-вода»………………………………………..……..14 2.1. Тепловой насос «воздух-вода»…………………………………..………..18 3. Основные положения для проектирования систем теплоснабжения с использованием тепловых насосов…………………………………………..……20 4. Достоинства и недостатки тепловых насосов……..……………………….. 25 4.1.Анализ стоимости получения тепловой энергии и целесообразности применения тепловых насосов.……………………………………………………26 5. Применение тепловых насосов в системах теплоснабжения на примере теплоснабжения жилого дома в Нижегородской области……………………….28
Заключение……………………………………………….…………………….. 32
Список использованных источников…………………….……………………. 33

2
Введение
Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет собой одну из актуальных проблем. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий, основанных на использовании нетрадиционных источников энергии.
Теплоснабжение и холодоснабжение с помощью тепловых насосов относится к области экологически чистыхэнергосберегающих технологий и получает все большее распространение в мире. Эта технология по заключению целого ряда авторитетных международных организаций, наряду с другими энергосберегающими технологиями (использование солнечной, ветровой энергии, энергии Океана и т.п.), относится к технологиям XXI века.
Целью данной работы является изучение вопросов, связанных с использованием теплонасосных установок для теплоснабжения зданий и сооружений.
В работе ставятся следующие задачи: рассмотрение принципа действия теплового насоса и его конструкции, изучение типов источников теплоты на основе теплонасосных установок, определение основных положений для проектирования систем теплоснабжения с использованием тепловых насосов, анализ эффективности использования систем теплоснабжения с тепловыми насосами.

3
1.Принцип действия теплового насоса.
1.1 Термодинамический цикл теплового насоса
Термодинамический тепловой насос представляет собой обращенную холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамический цикл. Основные типы термодинамических циклов - абсорбционный и, наиболее распространенный, парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путем отбора теплоты из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель-теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.
Термодинамический цикл теплового насоса в T-S диаграмме (где Т- температура, S-энтропия) представлен на рисунке 1.1.[6]
Точка 1 на схеме соответствует состоянию сухого насыщенного пара, образовавшегося в результате полного испарения жидкой фазы хладагента в испарителе теплового насоса. Далее происходит сжатие хладагента в компрессоре (процесс 1-2), при этом давление и температура хладагента резко повышаются.Перегретый пар в состоянии 2 с достаточно высокой температуройподаетсяв конденсатор, где сначала охлаждается по изобаре до сухого насыщенного состояния и затем конденсируется до жидкого состояния (точка 3), отдавая при этом суммарную тепловую энергию, величина которой равна сумме энергии, полученной при кипении хладагента в испарителе, и энергии, эквивалентной работе сжатия хладагента в реальномкомпрессоре.
Затем жидкий хладагент проходит через дросселирующий клапан, при этом снижается давление и, соответственно, температура хладагента (процесс 3-4).Процесс дросселирования проходит практически адиабатно, поэтому с большой точностью процесс 3-4 считают изоэнтальпийным. При этом хладагент частично испаряется. Далее хладагент
(с температурой ниже, чем у низкопотенциального источника) поступает в испаритель, где кипит, отбирая теплоту от низкопотенциального источника
(процесс 4-1).

Рис. 1.1 Термодинамический
Термодинамический цикл теплового насоса в T
4 насоса в T-S диаграмме

5
1.2 Принцип действия компрессионного теплового насоса.
Принципиальная схема работыкомпрессионного теплового насоса представлена ниже (см. рис. 1.2).
Рис.1.2 Принципиальная схема работы компрессионного теплового насоса
В основу принципа действия компрессионного теплового насоса положены два физических явления:
- явление поглощения и выделения теплоты веществом при изменении агрегатного состояния - испарении и конденсации соответственно;
- изменение температуры испарения и конденсации при изменении давления;
- использование жидкостей, имеющих низкую температуру кипения.
Основные элементы парокомпрессионного контура - теплообменник- испаритель, теплообменник-конденсатор, компрессор и дроссель.
Тепловой насос работает следующим образом:
1. В теплонасосных установках существует 3 основных контура – внешний
(первичный), внутренний и отопительный (вторичный). Внешний контур - это конструкции, с помощью которых можно отобрать теплоту из окружающей среды. В зависимости от источника теплоты это может быть водяной, земляной, воздушный и другие внешние контуры (в основном представляет собой трубопроводы, по которым циркулирует теплоноситель – жидкость, имеющую низкую температуру замерзания, «антифриз»).
Температура теплоносителя на входе в этот контур должна быть меньше

6 температуры окружающей среды. Теплоноситель, проходя по внешнему контуру, нагревается на несколько градусов, забирая теплоту от низкопотенциального источника тепла (грунт, воздух, водоём и т.д). Далее он поступает в испаритель.
2. В испарителе теплоноситель («антифриз»), отдает собранное из окружающей среды тепло хладагенту, который циркулирует во внутреннем контуре теплового насоса. (Температура теплоносителя выше температуры хладагента, за счет чего и происходит передача тепла). Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, закипает и превращается из жидкого состояния в газообразное. Этот процесс происходит при низком давлении.
3. Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и его температура резко повышается.
4. Далее нагретый хладагент в газообразном состоянии поступает во второй теплообменник, конденсатор. В конденсаторе происходит теплообмен между горячим хладагентом и теплоносителем (рабочая жидкость системы отопления, например, вода) из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.
5. При прохождении хладагента через редукционный клапан давление понижается, и, соответственно, понижается его температура. На этом этапе хладагент находится в жидком состоянии, лишь частично испаряясь.Затем хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.

1.3Коэффициент трансформации
насоса
.
Как и холодильная машина реализацию термодинамического преобразования теплового
Coefficientofperformance)
электропотреблению конденсаторе и колеблется на 1 кВт затраченной электрической
2,5 до 5 кВт тепловой тепловых насосов 35 70%.
Промышленность технически ассортимент парокомпрессионных
5 до 1000 кВт.
На рисунке 1.3 представлены
(реального) коэффициента конденсации хладагента
Рис. 1.3 Зависимость преобразования ТН
трансформации
(преобразования) теплоты
холодильная машина, тепловой насос (ТН) потребляет термодинамического цикла (привод компрессора теплового насоса (или COP —
Coefficientofperformance)
- отношение теплопроизводительности электропотреблению - зависит от уровня температур колеблется в различных системах в диапазоне затраченной электрической энергии тепловой насос тепловой энергии. Температурный уровень теплоснабжения насосов 35-55 °С. Экономия энергетических ресурсов
Промышленность технически развитых стран выпускает парокомпрессионных тепловых насосов теплов представлены зависимости идеального коэффициента преобразования ТН от температур хладагента.[5]
Зависимость идеального и действительного (реального преобразования ТН от температур испарения и конденсации
7
) теплоты теплового
потребляет энергию на компрессора). Коэффициент от английского теплопроизводительности к температур в испарителе и диапазоне от 2,5 до 5, т.е. тепловой насос производит от уровень теплоснабжения от энергетических ресурсов достигает выпускает широкий тепловой мощностью от идеального и действительного температур испарения и реального) коэффициента конденсации хладагента

8
Энергетический баланс ТН записывается следующим образом:
Q
конд
= Q
исп
+ L
комп
, где Q
конд
- теплота, отводимая от конденсатора;
Q
исп
- теплота, подводимая к испарителю;
L
комп
- работа компрессора.
Коэффициент преобразования ТН определяется по формуле:
ϕ
= Q
конд
/ L
комп
=
α
· T
конд
/ (T
конд
– T
исп
), где
T
конд
- температура конденсации рабочего тела;
T
исп
- температура испарения рабочего тела;
α
- суммарный коэффициент потерь ТН (потери цикла, потери в компрессоре, потери от необратимости при теплопередаче и т.п.).
Идеальный коэффициент преобразования ТН:
ϕ
ид
= T
конд
/ (T
конд
– T
исп
).

9
2. Источники теплоты и типы тепловыхнаососов.
Основной целью проектирования систем тепло-холодоснабжения, предусматривающих применение тепловых насосов является выбор рациональных энергосберегающих технических решений.
При проектировании систем тепло-хладоснабжения
(отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения) зданий и сооружений с использованием тепловых насосов и тепловых узлов к ним следует руководствоваться следующими нормативными документами:
- СП 60.13330.2012 «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха»;
- СП 30.13330.2012 «Внутренний водопровод и канализация зданий»;
- СП 124.13330.2012 «Тепловые сети»;
- МГСН 2.01-99 «Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению»;
- СП 41-101-95 «Проектирование тепловых пункто», а также другими нормативными документами федерального и регионального уровня, касающимися энергосбережения при проектировании объектов индивидуального и общественного жилищного строительства, объектов коммунального и промышленного строительства.
Системы теплоснабжения с использованием тепловых насосов - теплонасосные системы теплоснабжения - могут применяться для отопления, вентиляции, обеспечения теплотой на нужды горячего водоснабжения и технологических процессов.
В качестве низкопотенциальных (низкотемпературных) источников теплоты могут использоваться: а) вторичные энергетические ресурсы:
- теплота вентиляционных выбросов;
- теплота серых канализационных стоков;
- сбросная теплота технологических процессов и т.п. б) нетрадиционные возобновляемые источники энергии:
- теплота окружающего воздуха;
- теплота грунтовых и геотермальных вод;
- теплота водоемов и природных водных потоков;
- теплота солнечной энергии и т.п.;
- теплота поверхностных и более глубоких слоев грунта.
В зависимости от сочетания вида источника низкопотенциальной теплоты и нагреваемой среды тепловые насосы делятся на следующие типы [8]:

10
- воздух – воздух (теплота забирается из окружающего воздуха, а в качестве теплоносителя в системе теплоснабжения выступает воздух);
- воздух - вода;
- грунт - воздух;
- грунт - вода;
- вода - воздух;
- вода - вода.
Эти типы тепловых насосов отличаются конструктивным исполнением теплообменной части (испарителя и конденсатора) и температурными режимами реализуемых термодинамических циклов.
2.1 Тепловой насос «грунт-вода»
Самые эффективные, но и самые дорогие схемы предусматривают отбор тепла от грунта, чья температура не меняется в течение года уже на глубине нескольких метров, что делает установку практически независимой от погоды. Замкнутый контур может быть как горизонтальным, так и вертикальным.
Закрытый контур – это прокачка теплоносителя по трубам размещенным в земле (или водоеме). В процессе прокачки теплоноситель забирает тепло грунта (воды) или отдаёт им это тепло (когда система работает на охлаждение здания в летний период).
Открытый
контур – это подача подземных (или гурнтовых)0 вод из скважины вверх, до теплонасоса, теплообмен (плюс отбор воды для хозяйственных нужд) и закачивание охлаждённой (отработанной) воды в тот же подземный горизонт через другую, приемную скважину.
Схема работы геотермального теплового насоса замкнутого типас горизонтальным контуромпредставлена на рис. 2.2.
Контур размещается кольцами или волнисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания грунта
(рис. 2.1). Глубина зависит от географической широты местности.
Этот способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при отсутствии дефицита земельной площади под контур.
Рис. 2.1. Отбор теплоты от грунта с горизонтальным замкнутым конту-
ром

11
Рис. 2.2Схема работы геотермального теплового насоса замкнутого типа.
Трубопровод, в котором циркулирует антифриз, зарывают в землю на 30-
50 см. ниже уровня промерзания почвы. Минимальное рекомендуемое расстояние между трубами коллектора - 1,5 метра, минимум - 1,2. Здесь не требуется бурение, но требуются более обширные земельные работы на большой площади, и трубопровод более подвержен риску повреждения.
Эффективность такая же, как при отборе тепла из скважины. Специальной подготовки почвы не требуется. Но желательно использовать участок с влажным грунтом, если же он сухой, контур надо сделать длиннее.
Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 м трубопровода в год: в глине - 50-60 кВт*ч, в песке - 30-40 кВт*ч, для умеренных широт, на севере цифры меньше. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длиной 350-450 м, для укладки которого потребуется участок земли площадью около 400 м² (20х20 м). При правильном расчёте контур не влияет на зелёные насаждения.
Схема работы геотермального теплового насоса замкнутого типас вертикальным контуромпредставлена на рис. 2.4.