Тепловые насосы в энергетике

VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2016

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ

  • Авторы
  • Файлы работы
  • Сертификаты

Примером может служить созданный в этот период тепловой насос мощностью 5 МВт на базе центробежного компрессора для теплонасосной установки целлюлозно-бумажного комбината ПО «Светогорск» (Карелия). Эта установка общей тепловой мощностью 27 МВт утилизировала теплоту сбросной воды с температурой 30.. .35°С охлаждающей системы технологических аппаратов в цехах и повышала до 75. 80°С потенциал сбросной воды, которая использовалась в системе теплоснабжения целлюлозно-бумажного комбината и г. Светогорска. Хорошо зарекомендовали себя холодильно-нагревательные машины типа ТХУ для молочных ферм, которые утилизировали теплоту охлаждаемого молока для технологических нужд. В этот период институтом был разработан целый ряд принципиально новых тепловых насосов — абсорбционных, компрессионно — ресорбционных, компрессионных, работающих на бутане и воде в качестве рабочего вещества и др. Последующий период по известным причинам характеризовался спадом спроса на такое новоеэнергетическое оборудование, каким являютсятепловые насосы. Многие освоенные машины и новые разработки оказались невостребованными.

Однако в последние годы картина стала меняться. Возникли реальные экономические стимулы для энергосбережения. Это связано с ростом цен на энергоносители, а также с изменениями в соотношениях тарифов на электроэнергию и различные виды топлива. Во многих случаях на первый план выступают требования экологической чистоты систем теплоснабжения. В частности, это относится к элитным индивидуальным домам. Появились новые специализированные фирмы в Москве, Новосибирске, Нижнем Новгороде и других городах, проектирующие теплонасосные установки и выпускающие только тепловые насосы. Усилиями этих фирм к настоящему времени дополнительно введен в эксплуатацию парк тепловых насосов общей тепловой мощностью около 50 МВт.

В настоящее время в Минпромэнерго РФ реализуется программа «Развитие нетрадиционной энергетики России до 2017 года». Она включает раздел по развитию теплонасосных установок. В основу программы положены реальные проекты, которые осуществляются в этот период. Большинство из примерно 30 крупных проектов предусматривают использование теплонасосных установок для жилищно-коммунального сектора, в том числе в системе централизованного теплоснабжения. Ряд работ будет выполняться в рамках региональных программ энергосбережения и замены традиционных систем теплоснабжения теплонасосными установками (Новосибирская обл., Нижегородская обл., Норильск, Нюренгри, Якутия, Дивногорск, Красноярский край). Среднегодовой ввод тепловых мощностей составит около 100 МВт. При этих условиях выработка теплоты всеми работающими тепловыми насосами в 2010 г. составила 2,2 млн. Гкал, а замещение органического топлива — 160 тыс. т условного топлива. К 2010г. расширены производственные мощности для выпуска тепловых насосов тепловой мощностью до 100 кВт в количестве до 10 тыс. в год (суммарная тепловая мощность годового выпуска 300 МВт). Таким образом, в России наметился прорыв в распространении теплонасосных установок.

Что касается тепловых насосов большой тепловой мощности (от 500 кВт до 40 МВт), то после 2010г. предполагался ежегодный ввод тепловых мощностей в среднем 280 МВт, а после 2017г. — до 800 МВт. Это связывали с тем, что в данный период планировалось широкое применение тепловых насосов в системах централизованного теплоснабжения. Но реальная экономическая ситуация в РФ не позволила реализовать эту программу полностью.

Проект, представленный ЗАО «Энергия» (Новосибирск), относится к теплоснабжению Дивногорска, Красноярского края, расположенного в непосредственной близости от Красноярской гидроэлектростанции (ГЭС) на Енисее. В настоящее время этот город с численностью населения около 40 тыс. человек отапливается с помощью электрокотельных. Потребность в теплоте для отопления и горячего водоснабжения составляет около 120 МВт. Возросшая стоимость электроэнергии приводит к тому, что более 50 % годового бюджета города расходуется на теплоснабжение жилья и социальной сферы. Переход на альтернативный источник тепловой энергии — первоочередная задача администрации города. Круг возможных альтернативных решений весьма узок: теплонасосные установки с использованием воды Енисея в качестве источника низкопотенциальной теплоты или угольные котельные, так как природным газом Красноярский край не располагает.

Второй путь для Дивногорска неприемлем из-за того, что город и его окрестности — это зеленая зона отдыха жителей Красноярска. Установка там угольных котельных при своеобразном рельефе местности приведет к сильнейшему загрязнению этой рекреационной зоны окислами азота, серы и золой, содержащей тяжелые металлы. Единственно приемлемое альтернативное решение — перевод жителей Дивногорска на теплоснабжение от тепловых насосов. Источником низкопотенциальной теплоты для тепловых насосов будет служить вода Енисея, температура которой колеблется от 1,5. 2,0°С зимой и до 10. 11°С летом. Это решение позволит решить и другую весьма серьезную экологическую проблему. После создания Красноярской ГЭС из-за мощной диссипации энергии падающего потока воды в нижнем бьефе температура в самые сильные морозы не опускается ниже 2°С. В результате ниже по течению от плотины на расстоянии 150. 180 км вода не замерзает, и в сильные морозы это открытое зеркало воды становится причиной густых туманов практически в течение всей зимы, что значительно ухудшило микроклимат в Красноярске. Если полностью перевести Дивногорск на теплонасосное теплоснабжение, речная вода будет охлаждаться на 1°С, что обеспечит образование ледяного покрова на Енисее в районе Красноярска.

Крупные тепловые насосы на базе центробежных компрессоров для этого проекта разрабатывает ОАО «ВНИИхолодмаш-Холдинг». Реализация проекта позволит снизить годовой расход электроэнергии на отопление и горячее водоснабжение города на 400 000 МВт ч и высвободить соответствующую мощность Красноярской ГЭС; получить экономию бюджетных средств города в 100 млн. руб. в год; отказаться от применения других альтернативных систем отопления, ухудшающих экологическую обстановку в городе; улучшить экологическую обстановку в регионе в результате ликвидации незамерзающей поверхности воды в реке ниже бьефа. В настоящее время начато проектирование первой очереди теплонасосного теплоснабжения. Работа осуществляется в рамках губернаторской программы. Ориентировочная стоимость всего проекта 400 млн. руб.

Не отстаёт от прогресса в теплохладоснабжении и Краснодарский край. Тепловые насосы уверенно вступили на территорию Кубани. Первым крупным зданием, оборудованным тепловым насосом (ТН) в Краснодарском крае, стала школа в Усть-Лабинске, общая площадь обогреваемых помещений составила 6300м 2 , это первая в России государственная школа, имеющая комфортную систему отопления и кондиционирования. В Краснодарском крае закончены или находятся в стадии строительства административно-гостиничный комплекс в Краснодаре (S=10000м 2 ); гостиница в Адлере (45 номеров, S=3000м 2 ); торговый центр в Кропоткине (S=1700 м 2 ), торговый центр в г. Армавире (S= 2500 м 2 ); храм (S= 3000 м 2 ) в монастыре возле станицы Каменномостская, Адыгея; технопарк (S= 3000 м 2 ) в поселке Розовый, Лабинского района; в 2008 г. запущена в работу тепловая насосная установка (ТНУ) мощностью 1 МВт в гостинице мотеля на 220 мест поселка Ольгинка, Туапсинского района общей площадью 13000 кв.м. и другие объекты.

ООО «ИЭТ-Геотерм» активно работает на территории Краснодарского края. На сегодняшний день выполнены проекты и запущена в работу тепловая насосная установка (ТНУ) мощностью 320 кВт в гостинице в г. Краснодаре, на ул. Горогороды, работают тепловые насосы (ТНУ) на частных коттеджах в г. Сочи, выполняются монтажные работы тепловых насосов (ТНУ) на гостиничном комплексе в пос. Красная поляна мощностью 1,3 МВт и многофункциональном комплексе «Квартал» в г. Сочи, в работе находятся проекты еще нескольких объектов.

Известно, что в качестве основного показателя эффективности теплового насоса применяют коэффициент преобразования [2]

где Qо – тепловая энергия, отбираемая от нижнего источника; Qкон– теплота, отдаваемая верхнему источнику (конденсаторе); Lk ‒ работа, используемая на привод компрессора; Tk и T– температуры конденсации и кипения в тепловом насосе.

В реальных ТН имеют место энергетические потери из-за необратимого теплообмена между хладагентом и верхним и нижним источниками тепла в конденсаторе и испарителе установки. Из-за необратимого теплообмена температура кипения рабочего агента в испарителе Тниже температуры нижнего источника тепла Тн (ТТВ). Дополнительная затрата работы из-за необратимого теплообмена возрастает с увеличением разности температур в испарителе ∆ТИ= ТН Ти в конденсаторе ∆ТКВ ‒ Тк.

Следует также отметить, что процессы фазового превращения хладагента являются также необратимыми и сопровождаются производством энтропии. Количество теплоты, отведённое (подведенное) от хладагента к какому-либо дифференциальному объему рабочего тела теплообменника ТН, можно представить в виде [3]

где dеSd– скорость изменения удельной энтропии в элементарном термодинамическом процессе хладагента только за счет теплообмена с внешней средой; diSd– скорость изменения удельной энтропии в элементарном термодинамическом процессе ТН только за счет внутренних процессов.

При этом условие минимальной диссипации теплоты сводится к минимизации производства энтропии, возникающего вследствие неравновесности протекающих в ТН процессов, и общая задача оптимизации имеет вид [4]:

Минимальное значение выражения (3) характеризует максимальные возможности теплонасосной установки, при котором необратимые потери работоспособной тепловой энергии (эксергетические потери) будут наименьшими.

Л и т е р а т у р а

2 Амерханов Р.А. Тепловые насосы. – М.: Энергоатомиздат, 2005. – 160 с.

3 Зейнетдинов Р.А. Оптимальная организация процессов необратимого тепломассообмена в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания. Известия СПбГАУ. СПб. 2010. – №21. – с. 260-268.

4 Зейнетдинов Р.А.Термодинамический анализ технологических процессов в системе охлаждения поршневых двигателей. Технико — технологические проблемы сервиса. СПбГУСЭ. СПб: 2011. ‒ №17.‒ С.52-55.

Тепловые насосы как источник альтернативной энергии Текст научной статьи по специальности « Энергетика и рациональное природопользование»

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Снытко А.В., Тасейко О.В.

Рассмотрено применение тепловых насосов, как основы современной энергетики. Выделив основные преимущества тепловых насосов, а также, опираясь на пример зарубежных стран, автор рассматривает Красноярский край как возможный регион для применения данного вида установок.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Снытко А.В., Тасейко О.В.

Текст научной работы на тему «Тепловые насосы как источник альтернативной энергии»

Секция «Промышленная безопасность »

В этих районах перспективна промышленная установка ветрогенераторов. Так по формуле (1) мощность установки промышленного ветрогенератора с КИЭВ = 45 % и диаметром винта 25 м в районе мыса Челюскина:

Р = 0,45 • 252 • (0,1 • 13 + 0,32 • 3,53 + + 0,18 • 6,73 + 0,4 • 93) / 7000 = 14,45 кВт.

Установив сеть из таких ветрогенераторов, можно удовлетворить часть потребностей в электроэнергии ближайших городов. Если мы устанавливаем в районе г. Красноярска ветрогенератор на высоте 100 м, то скорость ветра по статистическим данным [4] в среднем будет 4,43 м/с. Тогда при КИЭВ = 35 % и диаметре винта 25 м получим мощность 2,7 кВт. Для поддержания полной автономности загородного дома этого не достаточно, однако если ветрогенератор дополнить дизель-генератором, то данной мощности вполне хватит для частного использования.

Читайте также  Тепловой насос для дома

Одним из примеров уже работающей системы вет-рогенератором в такой ситуации является базовая станция сотовой связи. В связи с обширными территориями Красноярского края вести линию электропередачи до каждой станции затратно, но обеспечивать мобильной связью автодороги и ЖД-магистрали необходимо. В целях снижения затрат и нагрузки на экологию Сибирский филиал «МегаФона» использует удаленные базовые станции, электропитание которых производится именно с использованием силы ветра [5]. Мощность установок 6 кВт, они обеспечивают

85 % времени подачи питания. Оставшееся время станция питается от аккумуляторов и штатного дизельного генератора.

Таким образом, подходя комплексно к вопросу использования ветрогенераторов (учитывая отдалённость от линий электропитания, выбирая оптимально месторасположение, высоту, дополнительные источники энергии) и исходя из целей, для которых ветрогенератор устанавливается, в Красноярском крае можно эффективно использовать данный альтернативный источник энергии.

1. Патлах В. В. Энциклопедия Технологий и Методик [Электронный ресурс]. URL: http://patlah.ru (30.03.2012).

2. Германович В. Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы // Наука и техника, 2011.

3. World Wind Energy Association 2011 [Электронный ресурс]. URL: http://www.wwindea.org (30.03.2012).

4. Метеостатистика Красногорского края [Электронный ресурс]. URL: http://krasnoyarsk-meteo.ru (30.03.2012).

5. CNews, «МегаФон» начал использовать вет-рогенераторы [Электронный ресурс]. URL: http://www.cnews.ru (30.03.2012).

© Пятков А. Г., 2012

А. В. Снытко Научный руководитель — О. В. Тасейко Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ КАК ИСТОЧНИК АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГИИ

Рассмотрено применение тепловых насосов, как основы современной энергетики. Выделив основные преимущества тепловых насосов, а также, опираясь на пример зарубежных стран, автор рассматривает Красноярский край как возможный регион для применения данного вида установок.

В современном мире проблемы и недостатки «традиционных» технологий выработки энергии, ставят перед учеными всего мира проблему нахождения и разработки новых альтернативных технологий, которые можно было бы назвать безотходными, безопасными и неисчерпаемыми. К ним относят, прежде всего, установки и устройства, использующие энергию ветра, воды, солнца, геотермальную энергию, а также тепло, содержащееся в воде, воздухе и земле. Одним из таких источников являются тепловые насосы.

Тепловым насосом называется термодинамическая система (техническое устройство), позволяющая трансформировать теплоту с низкого температурного уровня (непригодную для прямого использования) на более высокий при определенных затратах механической (электрической) энергии [1]. К очевидным преимуществам теплового насоса можно отнести:

• экономичность. Низкое энергопотребление достигается за счет высокого КПД (от 300 до 800 %) и позволяет получить на 1 кВт фактически затраченной энергии 3-8 кВт тепловой энергии или до 2,5 кВт мощности по охлаждению на выходе;

• экологичность. Экологически чистый метод отопления и кондиционирования как для окружающей среды так и для людей, находящихся в помещении. Применение тепловых насосов — это сбережение не-возобновляемых энергоресурсов и защита окружающей среды, в том числе и путем сокращения выбросов СО2 в атмосферу.

• безопасность. Нет открытого пламени, нет выхлопа, нет сажи, нет запаха солярки, исключена утечка газа, разлив мазута. Нет пожароопасных хранилищ для угля, дров, мазута или солярки;

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

• надежность. Минимум подвижных частей с высоким ресурсом работы. Независимость от поставки топочного материала и его качества. Защита от перебоев электроэнергии. Практически не требует обслуживания. Срок службы теплового насоса составляет 15-25 лет;

• гибкость. Тепловой насос совместим с любой циркуляционной системой отопления, а современный дизайн позволяет устанавливать его в любых помещениях;

• универсальность по отношению к виду используемой энергии;

• широкий диапазон мощностей (от долей до десятков тысяч киловатт).

В современном мире тепловые насосы уже активно используются во многих странах. По данным на 1997 г. во всем мире тепловых насосов всех типов насчитывалось около 90

млн шт. Около 57 млн шт. из них приходится на долю Японии, 13,5 млн шт. — США, 10 млн шт. — Китая и только 4,28 млн шт. — Европы (без России и стран СНГ). Количество произведенных и установленных тепловых насосов увеличивается с каждым годом [2].

Опыт применения тепловых в насосов в РФ на сегодняшний день не столь богат и носит скорее локальный характер [3]. Но за прошедший год уже обозначились географические предпочтения в использовании нового оборудования. Наибольший интерес к нему проявили на юге страны, в частности, в Краснодарском крае, Приморье с абсолютно иным, по сравнению с Краснодаром, климатом и иными условиями строительства. Есть примеры эксплуатации экспериментальных энергоэффективных жилых домов в г. Москва [4].

Красноярский край обладает огромными запасами источников естественного низкопотенциального тепла: благополучный по обеспеченности водными ресурсами (огромные водные бассейны рек Енисей, Ангара и т. д., температура которых в среднем меняется от 1,5. 2,0 °С зимой, до 10. 11 °С летом), тепло грунта (на глубине 5-7 м температура практически постоянна в течение всего года — 5-8°С). Являясь экономически достаточно развитым субъектом РФ, край обладает также и источниками искусственного (вторичного) низкопотенциального тепла: вентиляционный воздух из жилых, офисных, торговых помещений; отработанный воздух или вода производственных технологических процессов (на регион приходится 3,2 % всего объёма промышленной продукции); тепло отработанных газов при сжигании топлива; канализационные стоки, сточные воды и др.

Все эти обстоятельства дают Красноярскому краю огромный потенциал в области применения тепловых насосов, как в частном, так и промышленном масштабе.

ЗАО «Энергия» (Новосибирск) представило проект теплоснабжения г. Дивногорска Красноярского края, расположенного в непосредственной близости от Красноярской гидроэлектростанции (ГЭС) на Енисее. В настоящее время этот город с численностью населения около 40 тыс. человек отапливается с помощью электрокотельных. Потребность в теплоте для отопления и горячего водоснабжения составляет около 120 МВт. Возросшая стоимость электроэнергии приводит к тому, что более 50 % годового бюджета города расходуется на теплоснабжение жилья и социальной сферы.

Переход на альтернативный источник тепловой энергии — первоочередная задача администрации города. Теплонасосные установки являются наиболее оптимальным решением энергетической проблемы города. Источником низкопотенциальной теплоты для тепловых насосов будет служить вода Енисея.

Реализация проекта позволит снизить годовой расход электроэнергии на отопление и горячее водоснабжение города на 400 000 МВт ч и высвободить соответствующую мощность Красноярской ГЭС; получить экономию бюджетных средств города в 100 млн руб. в год; отказаться от применения других альтернативных систем отопления, ухудшающих экологическую обстановку в городе; улучшить экологическую обстановку в регионе в результате ликвидации незамерзающей поверхности воды в реке ниже бьефа.

В настоящее время начато проектирование первой очереди теплонасосного теплоснабжения. Ориентировочная стоимость всего проекта 400 млн руб.

Опыт применения тепловых насосов в мире показывает их эффективность, как в экономическом, так и экологическом плане, обладая громадными запасами источников низкопотенциального тепла РФ, и Красноярский край в частности, имеет значительный потенциал для перехода к использованию данного вида альтернативного источника тепла, позволяющего экономить колоссальные средства, уменьшая влияние энергетики на экологическую обстановку.

1. Горшков В. Г. Тепловые насосы. Аналитический обзор.

2. Луканин П. В., Саунин В. И. Тепловые насосы -состояние и перспективы.

3. Райх В. Российский рынок тепловых насосов. Мир Климата. 2007. № 3.

4. Васильев Г. П. Энергоэффективный экспериментальный жилой дом в микрорайоне Никулино-2. АВОК. 2002. № 4.

Тепловой насос – это ближайшее будущее

Дата публикации: 29 июля 2014

  • Нужна ли нам альтернативная энергетика
  • Тепловой насос – это…
  • Бегство от расходов
  • …Это ближайшее будущее
  • Вот она — фантастика!

Нужна ли нам альтернативная энергетика

В том числе геотермальная, которая в перспективе займёт ведущее место в мире в системе возобновляемых альтернативных источников? Вопрос далеко не праздный, если учесть огромное стремление всех экономически ведущих стран мира к повороту в сторону перехода на альтернативные источники энергии. Всех, кроме России. Если ассоциировать нашу страну с косолапым, то медведь ещё спит в берлоге, хотя уже четырнадцатое лето 21 века в разгаре. Пора бы уж проснуться!

Наша страна сидит на газовой трубе, зарабатывает на нефти, угле и этих средств, по-видимому, вполне хватает для удовлетворения российской экономики. Пока хватает. Смотрите, что получается. Европейские страны взяли курс на использование возобновляемых источников энергии, чтобы не зависеть от российского газа. Да и с транспортировкой его в Европу через Украину возникли большие проблемы. Решение Российского правительства были приняты на тот момент верные – наладить теснейшие экономические связи с Китаем, чтобы не сбавлять, даже увеличить поставки нефти и газа на восток.

Но нельзя не заметить, что и Китай вплотную занялся выпуском оборудования для геотермальных систем, ветрогенераторов, солнечных батарей. Пройдёт от силы пара десятков лет и восточные друзья могут с дежурно-вежливой улыбкой полностью или частично отказаться от нашего сырьевого товара. 21 век набрал обороты, а мы всё продолжаем мыслить категориями прошлого столетия. То есть, смотрим на внедрение альтернативных источников энергии, как на ребёнка раннего ясельного возраста. А этот ребёнок давно уже собирается жениться.

Хотя целый ряд обстоятельств заставляет, всё-таки, искать новые пути к добыванию безвредных, экономически выгодных источников энергии: ископаемые запасы земли не бесконечны, климат удивляет своей непривычностью по причине, как утверждает мировая наука, чрезмерного использования угля и нефти. Человечество кинулось осваивать ядерную энергетику – и снова напоролось на серьёзную опасность. Куда ни кинь – всюду клин. Выход есть – альтернативные источники энергии, которые окружают нас в воде, воздухе и под землёй (геотермальная энергетика).

Тепловой насос – это…

Из всех известных нам видов возобновляемых источников энергии наиболее привлекательной, в смысле постоянства работы, является геотермальная энергетика. Проще говоря, тепловой насос. Если его смонтировать в загородном доме – на два десятилетия, как минимум, хозяин забудет о зимних холодах и летнем зное. Потому, что тепловой насос укомплектован автоматической системой управления. Он включается и выключается в зависимости от заданной температуры в комнатах. Зимой даёт тепло, летом — охлаждает комнаты.

Система теплового насоса может работать с любой отопительной конструкцией. Во-вторых, потребляемая электроэнергия в 1 квт/час выдаёт энергию в 4-5 раз большую потребляемой. То есть, затраты электроэнергии идут только для работы компрессора. В-третьих, система работает автоматически, выдавая тепло постоянно. При этом экономя значительные средства из семейного бюджета. О лучших результатах мечтать не надо. Но…

Если верить информации из сайта http://www.geoteplo.com.ua/expenses.html, то стоимость оборудования, монтажа под ключ и установки теплового насоса обойдётся заказчику чуть больше 17 тысяч евро. Ничего не скажешь – кругленькая сумма, по кошельку лишь немногим россиянам, а также жителям соседних республик. Казалось бы, хорошее дело поставить во дворе собственного дома такую установку альтернативной энергетики, но уж больно кусается. Может, дешевле сделать тепловой насос своими руками?

Читайте также  Что лучше газовая или дизельная тепловая пушка?

Что надо приобрести для того, чтобы самому смонтировать систему теплового насоса. Она проста. Вот её принцип работы (смотрите на фото 1, можно щелкнуть для увеличения).

Весь процесс проходит по замкнутому циклу. Теплоноситель проходит по трубкам, помещённым под землёй на глубине 1,5-2 метра, поступает в теплообменник (испаритель), передаёт тепло во внутренний контур насоса, который заполнен жидким фреоном (хладагентом). Он закипает, так как имеет очень низкую точку кипения, превращается в газообразное состояние, поступает в компрессор, сжимается, в результате чего его температура подскакивает до 60 градусов и выше. Газ идёт в конденсатор, где нагревает воду в системе отопления дома. Охлаждается, снова становится жидкостью. Цикличность повторяется.

Проще говоря, тепловой насос – это холодильник наизнанку. То есть, назначение теплонасоса противоположно неизменному кухонному агрегату. Если мы поместим холодильник дверцей на улицу, а задней стенкой в комнату дома, то он будет нагревать воздух внутри помещения.

Бегство от расходов

А можно ли обойтись без больших расходов, сконструировав тепловой насос своими руками? Хотя в любом случае от расходов никуда не убежишь. Агрегаты надо покупать. Но сумма окажется намного меньшей, чем возьмёт с вас специализированная фирма.

Итак, вы решили самостоятельно поставить у себя дома тепловой насос. Прежде всего, надо приобрести компрессор в специальном магазине или купить подержанный в хорошем состоянии в мастерской холодильных установок. С помощью кронштейна крепим агрегат к стене. Первый этап работы закончили успешно.

Теперь изготавливаем конденсатор. Самый лучший вариант для этой цели – обыкновенный бачок из нержавейки объёмом 100-200 литров. Его разрезаем на две равные части для того, чтобы поместить внутрь медную витую трубку. Где её достать? – Снять со старого холодильника и сделать змеевик. Для чего наматываем трубку, снятую с холодильника, на обыкновенный газовый баллон, делая между витками равное расстояние. Остаётся теперь смонтировать полученный змеевик в разрезанный бак и сваркой соединить обе части бака. Конденсатор готов.

Приступаем к изготовлению следующего агрегата теплового насоса – испарителя. Для этой цели годится пластмассовая ёмкость на 60-80 литров. С помощью кронштейнов крепим внутрь ёмкости ещё один змеевик диаметром до 2 мм.

Вот, собственно, вся работа своими руками. Посмотрите на схематическом рисунке (фото 2), что ещё не хватает в системе теплового насоса и можете считать, что на этом самостоятельная работа закончилась. Дальше придётся обратиться к специалистам-холодильщикам, чтобы собрать систему, произвести сварку трубок и заполнить их фреоном. Такая работа требует квалификации.

Как ни крути, расходов полностью не избежать, но они будут значительно меньше, нежели полностью доверить всю работу специализированной фирме. Впрочем, если вы цените время и располагаете средствами, можете полностью положиться на специалистов и не морочить себе голову.

…Это ближайшее будущее

Снабжение городских квартир, загородных домов, коттеджей геотермальными тепловыми насосами уже при строительстве новых домов – время недалёкого будущего. Ведь и надо-то совсем немного: издай правительство указ, закон, правило – неважно как назвать этот документ, который предписывает строителям в проект будущего дома включать и установку теплового насоса – и дело пойдёт. Без альтернативного источника энергии дом не принимать. Вот и всё. Покрутятся поначалу строители, а потом всё войдёт в норму.

Взять Швецию, холодную северную страну, а геотермальные тепловые насосы действуют в половине домов и зданий. В Стокгольме 12% помещений обогревается геотермальными тепловыми насосами.
По правительственным указам в Америке при строительстве зданий надо изначально оснащать их геотермальным тепловыми насосами. Без них не разрешена сдача зданий в эксплуатацию. Каждый год для этих целей в США производят миллионы тепловых насосов. У нас только раздумывают принимать такие правила, а в Америке уже давно делают.

Правительство Германии отпускает дотации организациям, устанавливающим тепловые насосы, что стимулирует их выпуск и эксплуатацию.

Даже такая небольшая страна Швейцария задействовала 60.000 геотермальных тепловых насосов.
Все факты говорят о том, что мир неуклонно движется в сторону использования альтернативных источников энергии. Особенно это видно на примерах внедрения тепловых насосов.

Такой системе требуется 1 кВт электроэнергии, как было уже здесь сказано, а выдаёт она 4-5 кВт тепла и её не волнуют скачки цен на газ, уголь, мазут. Геотермальный тепловой насос надёжно, без вашего вмешательства, летом выполняет функцию кондиционера, а зимой обогревателя.

И на сколько лет обвалится такое счастье на голову хозяина дома? Для неглубокой схемы укладки труб – 50 лет, а в случае использования скважины – ориентировочно 100 лет. Хватит вам и вашим внукам. Единственное «но» — придется менять компрессор. У него гарантия — 15 лет. И запомните: все эти годы вы забудете об уплате за коммунальные услуги, а будете вносить копейки за мизерный расход электроэнергии, которая потребуется лишь для работы компрессора теплового насоса.

Вот она — фантастика!

Этого фантастического городка ещё нет на географической карте, но он есть в реальной жизни. В городке построено всего 300 трёхэтажных домов коттеджного типа и каждый снабжён геотермальным тепловым насосом. Покупай такой дом и забудь навсегда об оплате за тепло зимой и прохладу в комнатах летом. А для того, чтобы почувствовать дыхание домашнего очага воочию, в зимние вечера можно затопить камин, которым снабжён каждый дом сказочного городка.

На каждом шагу здесь можно встретить сказку. Во-первых, в городке нет улиц, но есть название каждого отдельного коттеджа. Во-вторых, из окон своего дома вы не увидите соседний особняк, так как он отделён живописным лесом. В третьих, у каждого хозяина усадьбы имеется своё озеро с мостками для рыбалки (см. фото 3).

Но и это ещё не всё. Каждый дом оснащён скоростным интернетом, канализацией, индивидуальным освещением и отоплением с помощью теплового насоса, который работает в автоматическом режиме круглый год, отапливая дом зимой и охлаждая летом.

Косули заглядывают в окна на первом этаже, а белки, взбираясь по сосновым стволам, умудряются заглянуть даже в спальню. Прочая живность гуляет по городу, не слыша собачьего лая. Их здесь держат только в квартирах.

Остаётся добавить, что фантастический населённый пункт назван городом Солнца за счёт геотермального отопления и расположен он в предместьях латвийского города Цесис. (Фото 4).

Для чего этот рассказ о фантастическом уголке земли? Да для того, чтобы лишний раз убедить людей, что чудеса можно творить на земле, используя с умом тепло земли и солнца, превращая свою жизнь в райское блаженство. А дома строить надо сразу с монтажом альтернативных источников энергии. Самым подходящим для этого является тепловой насос, работающий бесперебойно, круглый год, в автоматическом режиме.

Техническая реализация мини-ТЭЦ

1. Техническая реализация мини-ТЭЦ

Когенерационная установка состоит из четырех основных частей:

  • Первичный двигатель;
  • Электрогенератор;
  • Система утилизации тепла;
  • Система контроля и управления;

Когенерационные системы, как правило, классифицируются по типу первичного двигателя, генератора, а также по типу потребляемого топлива.

Первичные двигатели

В зависимости от существующих требований, роль первичного двигателя может выполнять

В будущем, этот список пополнится новыми технологиями:

Следует заметить, что существует парогазовая технология, основанная на комбинации газовой и паровой турбины (первичного двигателя), но она эффективна только на достаточно больших мощностях (от 30 МВт*э). Львиная доля новых мощностей когенерации в мире — парогазовые системы когенерации (СК).

Таблица №1: Анализ работы различных двигателей.

* Высокое значение (тепло : электроэнергия) достигается дополнительным сжиганием топлива.

** Типы топлива:

LFO (light fuel oil);

LPG (liquefied petroleum gas) — пропан-бутан;

HFO (heavy fuel oil) — мазут;

LHO (Gasoline light heating oil).

Электрогенератор

Генераторы предназначены для преобразования механической энергии вращающегося вала двигателя в электроэнергию.

Генераторы могут быть синхронными или асинхронными. Синхронный генератор может работать в автономном режиме или параллельно с сетью. Асинхронный генератор может работать только параллельно с сетью. Если произошел обрыв или другие неполадки в сети, асинхронный генератор прекращает свою работу. Поэтому, для обеспечения гибкости применения распределенных когенерационных энергосистем чаще используются синхронные генераторы.

Система утилизации тепла

Теплоутилизатор является основным компонентом любой когенерационной системы. Принцип его работы основан на использовании энергии отходящих горячих газов двигателя электрогенератора (турбины или поршневого двигателя).

Простейшая схема работы теплоутилизатора состоит в следующем: отходящие газы проходят через теплообменник, где производится перенос тепловой энергии жидкостному теплоносителю (вода, гликоль). После этого охлажденные отходящие газы выбрасываются в атмосферу, при этом их химический и количественный состав не меняется.

Кроме того, в атмосферу уходит и существенная часть неиспользованной тепловой энергии. Тому существует несколько причин:

  • для эффективного теплообмена температура отходящих газов должна быть выше температуры теплоносителя (не менее чем на 30°С);
  • отходящие газы не должны охлаждаться до температур, при которых начинается образование водяного конденсата в дымоходах, что препятствует нормальному выходу газов в атмосферу;
  • отходящие газы не должны охлаждаться до температур, при которых начинается образование кислотного конденсата, что приводит к коррозии материалов (особенно это справедливо для топлива с повышенным содержанием сероводорода);

Извлечение дополнительной энергии (скрытой теплоты водяных паров, содержащихся в выхлопных газах) возможно только путем понижения температуры отходящих газов до уровня ниже 100°С, когда водяные пары переходят в жидкую форму. Но при этом необходимо не забывать о трех других ограничениях, указанных выше.

Из вышесказанного следует, что в качестве утилизатора тепла в когенерационной системе трудно использовать готовое типовое теплоэнергетическое оборудование. Теплоутилизатор, как правило, проектируется с учетом параметров и характеристик отходящего потока газов для каждой модели поршневого двигателя или турбогенератора и типа применяемого топлива. Многие производители двигателей имеют собственные наработки или используют продукцию своих партнеров в части утилизации тепла, что упрощает проектирование и выбор решения в большинстве случаев.

Для повышения производительности тепловой части когенерационной системы утилизатор может дополняться экономайзером — теплообменником, обеспечивающим предварительный подогрев теплоносителя отходящими из теплоутилизатора газами до его подачи в основной теплообменник, где нагрев теплоносителя обеспечивается уже теплом отходящих газов двигателя. Позитивным моментом, связанным с использованием экономайзера, является дополнительное снижение температуры отходящих из теплоутилизатора в атмосферу газов до уровня 120°С и ниже.

Тепловые потери

Величина тепловых потерь определяется не только статическими величинами установленной мощности оборудования электрической и тепловой нагрузки, но и динамическими изменениями пропорций потребления тепла и электроэнергии, происходящими в течение суток, дня недели и времени года (сезона). В случае, если на объекте существует приоритет потребления электроэнергии, избыток тепла, содержащегося в отходящих газах двигателя, как правило, выбрасывается в атмосферу минуя теплоутилизатор.

Читайте также  В каких пределах производится регулировка теплового реле?

Для определения потерь тепла используется значение альфа, определяемое как соотношение произведенной электроэнергии к величине тепловых потерь. При этом считается, что чем выше значение альфа, тем лучше экология когенерационной системы.

Сравнение когенерационных систем

  1. Сравнение газопоршневых и газотурбинных установок
  2. Сравнение газопоршневого двигателя и паровой турбины
  3. Сравнение газопоршневых и дизельных установок

Эффективные связки

Оборудование и технологии, которые в связке с системой когенерации образуют производительную энергетическую систему.

  1. Технологии энергоэффективности
  2. Тепловые насосы
  3. Абсорбционные холодильные установки
  4. Установки по получению альтернативного топлива
  5. Ветровые энергетические установки

Практика внедрения тепловых насосов в России: колоссальные возможности, которые мы не используем

Сбережение невозобновляемого органического топлива — жизненно важная проблема для всего мирового сообщества. В настоящее время реализуется множество программ, направленных на повышение экономичности выработки и потребления энергии традиционными способами. Наряду с этим все большее распространение получают технологии нетрадиционной энергетики, использующие энергию солнца, ветра, биомассы и других источников возобновляемой энергии. В этом ряду особое место занимают теплонасосные технологии, преобразующие низкопотенциальное тепло водоемов, рек, грунтовых и геотермальных вод, канализационных стоков, тепловых выбросов ТЭЦ и атомных электростанций. Тепловые насосы уже получили широкое распространение и вносят наибольший вклад в замещение органического топлива. По оценкам Мирового энергетического комитета (МЭК), к 2020 г. 75% коммунального и производственного теплоснабжения в различных странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов. О перспективах внедрения тепловых насосов в нашей стране нам рассказал президент Научно-производственной фирмы «ЭКИП» Анатолий Иванович САВИЦКИЙ.

Еще несколько лет назад о тепловых насосах знали лишь немногие специалисты. Сейчас это модная тема профессиональных дискуссий, но все равно увидеть «вживую» тепловой насос на какомлибо объекте удавалось немногим, даже среди специалистов нашей отрасли. Как на практике продвигается процесс внедрения этого оборудования в нашей стране и какова Ваша оценка спроса на ближайшие несколько лет?

А.И. CАВИЦКИЙ: Теплонасосные установки давно и активно используются во всем мире — в настоящее время это основное средство замещения невозобновляемого органического топлива. Приблизительная оценка количества установленных тепловых насосов — 20 млн. В России это направление пока развито достаточно слабо, несмотря на то, что первые теплонасосные установки появились в нашей стране еще в 1985 году.

Этому есть несколько причин. В Советское время электроэнергия ничего не стоила, да и сейчас цена энергоресурсов еще не так сильно давит на нас, как это происходит на Западе. Кроме того, средний класс, давно сложившийся в европейских странах, у нас только зарождается. А основной потребитель тепловых насосов именно средний класс — богатые люди, как правило, не считают затраты на электричество, им эта экономия не интересна.

Тем не менее, я уверен, что в очень недалекой перспективе, когда цена на электричество сравняется с европейской, а это произойдет обязательно, теплонасосную технику в нашей стране ждет большая перспектива. И еще в скором времени производствам придется платить за выбросы в рамках Киотского протокола, что также актуализирует этот процесс. Еще один тормоз повсеместного внедрения энергосберегающих технологий — неосведомленность.

У подавляющего большинства россиян термин «тепловой насос» вызывает ассоциацию с насосом, который перекачивает теплую воду. На самом деле это элементарный обратный холодильный цикл. Чтобы было проще представить принцип работы теплового насоса, можно провести параллель с бытовым холодильником: испаритель морозильника вытягивает тепло из продуктов и выделяет его сзади на конденсаторе, а тепловой насос способен забирать тепло из любых низкопотенциальныхисточников энергии: с градирни, со сливов, в том числе канализационных, из любого водоема, грунта и т. д.

При этом на один затраченный на привод компрессора кВт электроэнергии можно получить 3; 4; 5 кВт тепла, в зависимости от температуры квартирных теплоприборов: если 60°С, то 1:3, а если теплые полы, как это распространено в Европе, то соответственно выше — 1:4–1:5. На этом основано 50 % теплопотребления в Швеции. Мы же тратим на обогрев одного м3 в 4–5 раз больше первичных энергоресурсов!

Возможности применения тепловых насосов в нашей стране колоссальные, уже сегодня нам поступает множество звонков не только от организаций, но и от частных лиц, процесс внедрения энергоэффективного оборудования, на мой взгляд, уже пошел и будет в дальнейшем только набирать обороты.

Покупка теплового насоса это, наверное, очень дорогое удовольствие?

А.И.: Вопрос о стоимости всегда относительный. Конечно, купить тепловой насос на дачу не все могут себе позволить, но если в мире их уже 20 млн, значит потребители понимают, что это выгодно. На Западе вложения окупаются через 1–2 года, у нас пока дольше, но зато это техника, которая будет обеспечивать существенную экономию всю оставшуюся жизнь. Во многих странах развита система кредитования покупки теплонасосного оборудования, его приобретают в рассрочку, я думаю, это возможно будет и у нас.

Каковы перспективы применения теплонасосных технологий в промышленных отраслях?

А.И.: Потенциал очень большой и реальные возможности есть. Это нагрев подпиточной сетевой воды на ТЭЦ; нагрев сетевой воды для коммунального теплоснабжения с использованием тепла обратной сетевой воды; утилизация тепла охлаждающей воды технологических печей для промышленного теплоснабжения; утилизация тепла воды, охлаждающей конденсаторы турбин на ТЭЦ и ТЭС; централизованное теплоснабжение с тепловыми насосами на КЭС и ЦТП; можно использовать энергетические ресурсы зоны МКАД, например, для обогрева дорожного полотна или теплоснабжения жилищно-коммунальных объектов; огромную пользу могут принести тепловые насосы на АЭС для уменьшения теплового загрязнения прудов-охладителей и т.д.

Можно ли привести конкретные примеры объектов, на которых уже установлены тепловые насосы? Насколько эффективными они себя проявили?

А.И.: Конечно. Из материалов, поданных на «Премию Правительства РФ» группой крупных ученых и специалистов, по теплонасосной тематике можно привести ряд цифр и примеров. С 1990 года было внедрено более 200 тепловых насосов отечественного производства. По нашим подсчетам, экономия за этот период составила более 400 000 т.у.т. (тонн условного топлива). Приведу лишь несколько примеров реализованных на базе теплонасосных установокобъектов: это теплоснабжение Новосибирского металлургического завода с утилизацией тепла охлаждающих печей; горячее водоснабжение шахты «Осинниковская» ОАО «Кузнецк-уголь» с утилизацией тепла шахтных вод; теплонасосная установка на очистных сооружениях Медикоинструментального завода в городе Ворсма Нижегородской области — использует тепло канализационных стоков и тоже показывает неплохие результаты; в Новгородской области при помощи теплового насоса отапливается жилой дом, его жильцы реально ощутили эффект: при централизованном отоплении температура теплоносителя на входе в систему не превышала 35°С, а сейчас обеспечен нормативный режим. Установка теплоснабжения и горячего водоснабжения больничного комплекса города Нерюнгри (республика Саха) и т.д.

Если говорить о научных и инженерных изысканиях, над чем сейчас работают специалисты, усовершенствуя технологию тепловых насосов?

А.И.: Прежде всего, это тенденция отказа от использования фреонов, как от неэкологичного и дорогого ресурса. Мы разработали тепловой насос на СО2 мощностью 20 КВт — это первый в мире тепловой насос на диоксиде углерода такой мощности. Используя в качестве источника низкопотенциального тепла грунтовую воду температурой 8°С, он способен вырабатывать энергию для теплоснабжения индивидуального дома с температурой в контуре сетевой воды 85°С, воды ГВС — 60°С без использования дополнительных генераторов тепла.

Диоксид углерода — природное экологически безопасное рабочее вещество. Он не разрушает озоновый слой, не токсичен и не горюч, кроме того, доступен в любых количествах и дешев. Сейчас мы продолжаем работать в этом направлении, понимая, что большая мощность тепловых насосов даст возможность более эффективного использования такого рабочего ресурса, как СО2.

Проблема многих наших коллег на Западе, в том числе финских и шведских, с которыми мы активно взаимодействуем по изучению возможностей и эффективности тех или иных схем или веществ, — предстоящий вывод из обращения огромных тепловых насосов на фреонах. Это связано прежде всего с ратификацией Киотского протокола. Замена рабочего вещества для них — проблема номер один, потому что половина нагрузки по обеспечению тепла лежит на теплонасосных установках и придется в скором времени их менять на аналогичное по мощностным показателям, но более экологичное оборудование. Рабочее название проекта, над которым мы сейчас работаем, — «Создание теплонасосной установки на СО2 мощностью 23 МВт».

Для примера, на каждой ТЭЦ Москвы от 4 до 8 градирен, каждая из которых, охлаждая воду с 28 до 20°С, теряет примерно 25–30 МВт низкопотенциальной энергии. Один 23-мегаваттный тепловой насос способен заменить градирню и при этом с коэффициентом 1:4–1:4,5 обеспечить температуру на уровне 80°С примерно для 10 тыс. человек. Стоимость гигокаллории электроэнергии меньше в разы, возможность экономии первичных энергоресурсов колоссальная.

Сделаны ли какие-либо шаги по внедрению тепловых насосов в государственном масштабе?

А.И.: В РАО ЕЭС был проведен научно-технический совет, где выступал с докладом Игорь Мартынович КАЛНИНЬ, заведующий кафедрой холодильной и криогенной техники МГУЭ, научный руководитель в фирме «ЭКИП», где было принято решение о внедрении тепловых насосов на 4-й ТЭЦ в Новосибирске и ряде московских ТЭЦ, но вероятно инвестиции идут в другие проекты, а этот почему-то остался за пределами приоритетных направлений РАО ЕЭС.

Мы разработали для небольшого города Сосновый Бор в Ленинградской области проект внедрения 46-мегаваттной теплонасосной установки (2&#6148623 мВт) на городской обратной сетевой воде. Температура обратной воды — 40°С, понижая ее при помощи нашей теплонасосной установки на 5–10°С, можно полностью ликвидировать газовые котельные, получая при этом большое количество дешевого тепла без вредных выбросов. Мы выиграли тендер в Министерстве образования и науки РФ на создание мощных теплонасосных установок на СО2 и сейчас с нашими партнерами создаем рабочую документацию на центробежные компрессоры и теплообменные аппараты.

Возможно, даже не дожидаясь окончания сроков проекта, мы параллельно начнем подтягивать средства для более быстрого его осуществления уже «в железе», в Сосновом Бору или другом месте, где в этом будет острая необходимость. Для атомных станций занижение температуры «обратки» очень полезно, особенно в ночное время, когда тепловые насосы особенно эффективны за счет стоимости более дешевой электроэнергии идущей на привод компрессора.

У нас есть заключение института атомных электростанций, подтверждающее это. Этот проект должен быть интересен и для других атомных станций, которые могут активно использовать теплонасосные установки, поскольку утилизация тепла для них головная боль. Если поставить тепловые насосы на утилизацию промышленных, канализационных стоков на всех станциях Москвы, то можно сократить на 10% потребление первичных энергоресурсов за счет использования безвозвратно теряемого тепла.