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

22 изменениями температур грунта вблизи труб грунтового теплообменника.
Для этого периода весьма характерным является тот факт, что грунтовый теплообменник оказывает весьма существенное тепловое влияние на слои грунта, находящиеся в непосредственной близости от него. Поэтому путем искусственного повышения теплопроводности и объемной теплоемкости
(замена грунта, его увлажнение и т.д.) незначительного объема грунта вблизи труб грунтового теплообменника можно существенно улучшить эксплуатационные параметры системы теплосбора, эксплуатируемой в малотеплопроводных и не теплоемких грунтах.
Второй период - от 200 до 500 часов (с 8-х до 21-х суток) - характеризуется более плавным изменением интенсивности удельного теплосъема с единицы длины грунтового теплообменника во времени, которое имеет менее крутой, но все же экспоненциальный характер. Причем, наиболее интенсивно изменение удельного теплосъема во времени происходит, как и во время первого периода, в грунтах с малой теплопроводностью. Изменение интенсивности удельного теплосъема в течение периода - в пределах 15% от начального значения.
Третий период начинается с 500 часов (или с 22-х суток) и продолжается до конца отопительного сезона. Для этого периода характерно линейное изменение интенсивности удельного теплосъема во времени. Однако, несмотря на значительно более пологий характер зависимости удельного теплосъема от времени, на протяжении этого периода она все же имеет ярко выраженный нестационарный характер.
Значительное влияние на эффективность эксплуатации систем теплосбора оказывают теплопроводность и теплоемкость грунтового массива. Чем выше теплопроводность и объемная теплоемкость грунта, тем выше интенсивность удельного теплосъема с единицы длины грунтового теплообменника и, соответственно, выше эффективность системы теплоснабжения.
Наиболее существенное влияние на эффективность эксплуатации системы теплоснабжения оказывает изменение теплопроводности грунта в пределах от 0,4-2 Вт/(м·°С) и его объемной теплоемкости от 400-1000 кДж/(м
3
·°С).
Дальнейшее их увеличение сказывается на эффективности системы менее заметно. Следовательно, при эксплуатации систем теплосбора в малотеплопроводных и не теплоемких грунтах имеется реальная возможность за счет незначительного повышения влажности грунта (путем создания дренажа, задержки дождевой влаги на участке теплосбора и т.д.) значительно повысить эффективность эксплуатации системы теплосбора и, соответственно, системы теплоснабжения в целом.

23
Согласно действующим нормативным документам (например,
СП 60.13330.2012"Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха") применение новых технологий теплоснабжения, в том числе с применением тепловых насосов, связанных, как правило, со значительными капитальными вложениями, требует предварительного технико-экономического обоснования.
На стадии разработки ТЭО для объектов с теплонасосными системами теплоснабжения должны быть проработаны следующие вопросы:
- определены основные архитектурно-планировочные решения;
- определены расчетные тепловые, холодильные и электрические нагрузки объекта с учетом всех внутренних бытовых и технологических тепловыделений;
- рассмотрены возможные мероприятия по снижению энергетических нагрузок традиционными способами;
- определена структура потребления энергии (тепловой и электрической);
- определены суточные и годовые графики потребления тепловой и электрической энергии;
- проработана схема традиционного (централизованного или автономного) теплоснабжения и определены затраты на ее создание (с учетом выполнения требований выставленных технических условий);
- определен энергетический потенциал вторичных энергетических ресурсов объекта (мощность и график их поступления);
- определен энергетический потенциал доступных нетрадиционных возобновляемых источников энергии и потребная мощность для покрытия тепловых нагрузок здания;
- выбрана принципиальная схема системы энергоснабжения с помощью тепловых насосов и выполнена предварительная проектная проработка;
- рассчитаны капитальные затраты, связанные с созданием ТСТ, с учетом технических условий на подключение к внешним энергетическим источникам;
- рассчитаны годовые эксплуатационные затраты по традиционному варианту теплоснабжения и варианту с тепловыми насосами;
- рассчитан срок окупаемости ТСТ.
В случае если срок окупаемости приемлем и к реализации принят вариант
ТСТ, следующие этапы проектирования выполняются в соответствии с существующими нормами с обязательным расчетным обоснованием выбора структуры и технических характеристик применяемого оборудования.
4. Достоинства и недостатки тепловых насосов

24
Основные достоинства теплового насоса:
1. Экономичность. Тепловой насос использует введенную в него энергию эффективнее любых котлов, сжигающих топливо. Величина КПД у него много больше единицы. Между собой тепловые насосы сравнивают по особой величине - коэффициенту преобразования тепла (Кпт), среди других его названий встречаются коэффициенты трансформации тепла, мощности, преобразования температур. Он показывает отношение получаемого тепла к затраченной энергии. К примеру, Кпт = 3,5 означает, что, подведя к машине 1 кВт, на выходе мы получим 3,5 кВт тепловой мощности, то есть 2,5 кВт природа предлагает нам безвозмездно.
2. Повсеместность применения. Источник рассеянного тепла можно обнаружить в любом уголке планеты, земля и воздух найдутся и на самом заброшенном участке.
3. Экологичность. Агрегат не сжигает топливо, значит, не образуются вредные окислы типа CO, СO2, NOх, SO2 , PbO2, поэтому вокруг дома на почве нет следов серной, азотистой, фосфорной кислот и бензольных соединений. Применяемые в тепловых насосах фреоны не содержат хлоруглеродов и не разрушают озоновый слой.
4. Универсальность.Ещё одним преимуществом тепловых насосов является возможность переключения с режима отопления зимой на режим кондиционирования летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы или системы «холодный потолок»
5. Безопасность. Эти агрегаты практически взрыво- и пожаробезопасны.
Нет топлива, нет открытого огня, опасных газов или смесей. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей. В сущности, тепловой насос опасен не более, чем холодильник.
К недостаткам геотермальных тепловых насосов, используемых для отопления, следует отнести большую стоимость установленного оборудования, необходимость сложного и дорогого монтажа внешних подземных или подводных теплообменных контуров. Недостатком воздушных тепловых насосов является более низкий коэффициент преобразования тепла, связанный с низкой температурой кипения хладагента во внешнем «воздушном» испарителе. Общим недостатком тепловых насосов является сравнительно низкая температура нагреваемой воды, в большинстве не более +50°С ÷ +60°С градусов. [9]
4.1. Анализ стоимости получения тепловой энергии и
целесообразности
применения тепловых насосов.

25
Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии, например, электрических, газовых и дизельных генераторов тепла заключается в том, что при производстве тепла до 80% энергии извлекается из окружающей среды.
Приведем сравнительный расчет энергозатрат систем отопления с при- менением тепловых насосов, дизельного, электрического и газового котлов
[10]:
Таблица 1. Сравнительный расчет энергозатрат систем отопления.
По приведенным выше цифрам мы видим, что затраты на теплоснабжение дома с помощью теплонасосных установок не намного выше затрат на теплоснабжение с использованием газового топлива. И важным фактором в оценке экономической эффективности также является возможность холодоснабжения дома в теплый период года.
Наиболее экономически и энергетически эффективными являются комбинированные системы тепло- и холодоснабжения тепловых насосов с солнечными коллекторами.
По сравнению с солнечными коллекторами геотермальные тепловые насосы обладают рядом преимуществ:
- обеспечивают отопление на 100%;
- дают возможность кондиционирования здания;
- не требуют обязательного сброса поступающей тепловой энергии в случае неиспользования;
-не зависят от погоды.
Но с другой стороны солнечные коллекторы по сравнению с

26 геотермальными тепловыми насосами тоже имеют преимущества:
- используют минимум электроэнергии для своей работы или могут работать автономно;
- в солнечную погоду показывают эффективность, недостижимую для теплового насоса;
- дают максимум энергии в феврале - апреле, когда грунт промерзает и эффективность грунтовых тепловых насосов снижается.
В оптимальной системе отопления можно просто объединить тепловой насос с солнечными коллекторами и тем самым использовать преимущества обеих систем. Тепловой насос, частично используя электроэнергию, будет обеспечивать отопление, кондиционирование, а также обеспечит сброс излишней тепловой энергии от солнечных коллекторов летом, запасая тепло в грунте для восстановления баланса и последующего использования тепла зимой для отопления. Солнечные коллекторы будут давать бесплатную горячую воду и помогать отоплению, через буферный бак повышая эффективность работы теплового насоса.
Для более полной оценки эффективности, затрат, безопасности и удобства эксплуатации приведем следующую таблицу [11]:
Таблица 2. Сравнение различных вариантов системы теплоснабжения.

Электроотопление
Газовая
ко
-
тельная
Котельная
на
при
-
возном
топливе
ТН
типа
«
вода
—
вода
»
Капитальные затраты низкие большие большие большие
Стоимость эксплуатации низкая средняя высокая низкая
Энергоэффективность крайне низкая высокая средняя высокая
Цена тепла высокая низкая средняя низкая
Требуются ли согласова
- ния нет да да да
Требуется ли экспл пер
- сонал нет да да нет
Вред экологии средний средний высокий средний
Пожарная опасность средняя высокая высокая низкая
Уровень комфорта низкий высокий средний высокий
Работа на охлаждение нет нет нет да
5. Применение тепловых насосов в системах теплоснабжения на примере
теплоснабжения
жилого дома в Нижегородской области

27
На современном уровне развития систем теплоснабжения актуальным является применение энергосберегающих технологий. Несмотря на увеличе- ние доли использования возобновляемых источников энергии, основным ви- дом топлива для источников теплоты остается ископаемое углеводородное топливо. В такой ситуации при современном росте потребления тепловой энергии экологическая обстановка в мире будет значительно ухудшаться.
Одним из альтернативных источников тепла может служить теплона- сосная установка. Источником низкопотенциального тепла в теплонасосной установке могут быть атмосферный воздух, грунт, грунтовые воды, вода ес- тественных водоемов, сбросное тепло промышленных предприятий и комму- нальных служб.
Рассмотрим автономную систему теплоснабжения с применением гео- термального теплового насоса на примере жилого дома в Нижегородской об- ласти.
Расход тепловой энергии на систему отопления жилого дома площадью
250 м
2
(из расчета тепловых потерь с учетом инфильтрации) при расчетной температуре наружного воздуха -31 0
С составляет 20 кВт. На приготовление горячей воды требуется 2 кВт тепловой энергии.
Для отопления здания и приготовления горячей воды выбран тепловой насос мощностью 17 кВт из существующего технического ряда оборудова- ния фирмы «Mammoth»(США).
Мощность традиционного источника теплоты (газового, дизельного котла и т.п) обычно выбирают так, чтобы она соответствовала тепловым по- терям дома или выше. Но, в связи с тем, что капиталовложения в тепловой насос большей мощности высоки, к установке принят агрегат с низшей мощ- ностью. Это сделано с тем учетом, что в холодный период года температура воздуха редко снижается до расчетной, и, таким образом, теплового насоса мощностью около 70% от всех теплопотерь дома достаточно, чтобы покрыть до 95% потребности теплоты за целый год. А для погашения пиковых нагру- зок запроектирована установка электрического котла мощностью 9кВт.
Отбор теплоты тепловым насосом осуществляется от грунта с помо- щью вертикального замкнутого контура, расположенного на прилегающем к дому участке.
Внешний (первичный) контур состоит из U-образных трубок, располо- женных вертикально в пробуренных скважинах. Трубки заполняются неза- мерзающей жидкостью («антифризом») – 35% раствором этиленгликоля с температурой замерзания -20 0
С. Глубина скважин и длина контура зависит от объёма обогреваемой площади и состава грунта. При удельном теплосъеме

28 контура 60 Вт/м и требуемой мощности 17 кВт длина контура должна со- ставлять 285 м. Для обеспечения требуемой тепловой нагрузки во внешнем контуре запроектировано 10 скважин, глубиной по 30 м. В каждую скважину размещается U-образная труба. Расстояние между скважинами 5 м. Таким образом, первичным контуром теплового насоса являются 10 грунтовых пе- тель, выполненных из полиэтиленовой водопроводной трубы Ду32. Они объ- единены коллектором, расположенном в специальном приямке снаружи дома на глубине 2м, ниже глубины промерзания грунта. Температура этиленгли- коля в первичном контуре на входе в петлю составляет от +1 0
С до +3 0
С и на выходе из неё от +4 0
С до +6 0
С.
Тепловой насос имеет два вторичных контура: контур системы отопле- ния и контур системы горячего водоснабжения (Рис. 5.1).
Рис. 5.1. Принципиальная схема работы теплонасосной установки
Контур ГВС подключён к тепловому насосу через бак-аккумулятор объемом 300 л. Установка аккумуляторного бака позволяет накапливать теп- ловую энергию и сглаживать неравномерность потребления воды на ГВС.
Контур системы отопления подключён через буферную ёмкость объемом 300 л. Для покрытия пиковых нагрузок бак-аккумулятор системы ГВС комплек- туется электронагревателем, а к буферной ёмкости системы отопления под- ключен электрический котел.

29
Основными составляющими теплового насоса являются испаритель, компрессор, конденсатор, дроссельное устройство и теплообменник для при- готовления воды на нужды ГВС. Все эти устройства связаны замкнутым стальным трубопроводом, по которому циркулирует хладагент
(фреон R 410A). Этиленгликоль, проходя по первичному контуру, нагрева- ется на 3-4 0
С и поступает в испаритель. Испаритель представляет собой теп- лообменник, в котором происходит процесс передачи теплоты от этиленгли- коля хладагенту. Температура этиленгликоля на входе в испаритель зависит от температуры грунта и составляет для данного грунта и данной климатиче- ской зоны в среднем за время отопительного периода +4..+5 0
С. Хладагент с температурой -4 0
С, проходя через испаритель, вскипает и переходит из жид- кого состояния в газообразное. Этот процесс проходит при давлении 6 бар.
Из испарителя газообразный хладагент попадает в компрессор, где он сжима- ется до высокого давления 30 бар и его температура резко повышается до
60 0
С.
Далее нагретый хладагент в газообразном состоянии поступает в пер- вый теплообменник для приготовления горячей воды на нужды ГВС. В нём происходит подогрев холодной воды до требуемых значений, при этом фреон охлаждается, частично конденсируется и представляет собой газожидкост- ную смесь с температурой около +55 0
С.
Затем фреон поступает во второй теплообменник, в котором происхо- дит теплообмен между горячим хладагентом и теплоносителем контура сис- темы отопления. Хладагент отдает свою теплоту, охлаждается и снова пере- ходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления по- ступает в буферную ёмкость и распределяется по системам отопления зда- ния. После второго теплообменника хладагент проходит через редукционный клапан, где его давление понижается. Следовательно, понижается его темпе- ратура до значений, при которых возможен отбор теплоты от низкопотенци- ального источника – грунта. Хладагент возвращается в испаритель, нагрева- ется и цикл повторяется снова.
Система отопления данного жилого дома представляет собой смешан- ную систему радиаторного отопления и системы «теплый пол». При такой схеме происходит более эффективный обогрев помещений, чем при исполь- зовании только радиаторного отопления, так как температура воды в системе отопления составляет +50 0
С. Система отопления «теплый пол» служит до- водчиком теплоты в дополнение к радиаторной системе отопления.
Запроектированная теплонасосная установка служит не только для теп- лоснабжения здания, но также используется для кондиционирования внут- реннего воздуха здания в теплый период года.