Теплообменные аппараты ТТАИ
Сочетают в себе преимущества кожухотрубных и пластинчатых теплообменников без их недостатков.
РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России

Анализ низкотемпературных источников тепловой энергии средней полосы России для тепловых насосов

К.т.н. С.Н. Трушевский, заведующий
Лаборатории солнечного и аккумуляционного энергоснабжения,
Отдел возобновляемых источников энергии, ГНУ ВИЭСХ, г. Москва

Публикуется в сокращении

Теория тепловых насосов (ТН) достаточно хорошо изучена, т.к. принцип их действия известен еще с 1852 г. Впервые в Европе мощный ТН для отопления здания был применен в Цюрихе в 1938 г. [1]. В настоящее время в мире насчитывается большое количество ТН и теплонасосных установок, однако их применение в России связано с определенными сложностями, вызванными как климатическими условиями, так и свойствами низкотемпературных источников тепловой энергии.

К низкотемпературным источникам тепловой энергии (НТИТ) для тепловых насосов относятся «отработанная» теплота и энергия окружающей среды. В свою очередь, источниками энергии из окружающего пространства являются солнечная энергия и ее производные (аккумуляторы) в виде воздуха, грунтовых и поверхностных вод, а также аккумулированная тысячелетиями тепловая энергия, исходящая из недр Земли. Частично НТИТ рассмотрены в [2]. Рассмотрим особенности некоторых НТИТ, характерных для территории средней полосы России.

Солнечная энергия

Наиболее распространенными устройствами использования солнечной энергии для ее превращения в тепловую являются концентрирующие и непосредственно поглощающие солнечный поток солнечные коллекторы (панели).

При концентрации солнечного излучения получают высокие плотности теплового потока и, соответственно, высокие температуры нагреваемого тела, а для работы ТН необходимы низкопотенциальные источники тепловой энергии. Однако, в том случае, если сконцентрированный поток падает на фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), КПД которого зависит от температуры, есть искушение его охлаждать и в результате получать большее количество электроэнергии, а на выходе ТН - нагретый теплоноситель. Несостоятельность такой системы очевидна. КПД реальной системы составит 0,33 (расчет представлен в полной версии статьи - прим. ред.), что ниже КПД солнечного коллектора. При этом мощность ФЭП приблизительно равна мощности, необходимой для привода компрессора.

При использовании несконцентрированной солнечной энергии в качестве приемников солнечной радиации для ТН рассматриваются солнечные коллекторы. Применение солнечных коллекторов в зимний и переходный периоды на территории РФ крайне ограничено незначительной плотностью солнечной радиации, облачностью, низкими температурами окружающей среды, снежными покровами.

Солнечные абсорберы при отсутствии или низкой солнечной радиации могут работать как воздушные теплообменники с естественной циркуляцией воздуха (конвективный теплообмен при отсутствии снежного покрова). Эффективность таких систем крайне низкая из-за незначительного коэффициента теплоотдачи (средняя скорость ветра 3-4 м/с) и неизбежного обледенения коллекторов.

Воздух

Для применения воздуха окружающей среды в качестве НТИТ в состав периферийного оборудования теплонасосных установок необходимо включать воздушные теплообменники с вентиляторами. Воздух подается в теплообменник испарителя ТН, отдает теплоту и, охлажденный, возвращается в окружающую среду. Что при этом происходит в штилевую погоду?

Охлажденный воздух как более плотный осаждается вокруг отапливаемого здания. Для поддержания в помещении заданной температуры потребуется увеличить термическое сопротивление наружных ограждений здания, учесть снижение температуры инфильтрационного воздуха здания.

Воздушные потоки (ветер), неразрывность потоков и прочие факторы способствуют перемешиванию отработанного воздуха с окружающим, но это мало что меняет. В больших массивах застройки будет изменение микроклимата плюс дополнительный шум от оборудования. Основным же возражением против использования в отопительный период воздуха в качестве НТИТ в РФ будет, как и следует из инструкций к большинству «воздушных» ТН, требование работы при положительных (>2-3 ОС) температурах среды. (В настоящее время существуют модели «воздушных» ТН, способные работать при температурах наружного воздуха до -25 ОС - прим. ред.).

Применение «воздушных» ТН в условиях, аналогичных средней полосе России, малоэффективно. Возвращаясь к климатическим условиям, отметим, что для эффективной работы ТН перепад температур между НТИТ и подающей линией ТН (50 ОС) должен быть равен 10-15 ОС, а для условий средней полосы России он составляет 53-71 ОС и более, при максимально допустимом значении 45-50 ОС [1], т.е. коэффициент использования первичной энергии будет незначительным (при степени термодинамического совершенства реального процесса v=0,5, КПД электростанции 0,35 и расчетной температуре воздуха от -3 до -21 ОС коэффициент использования первичной энергии составит значение Ψ=1,1-0,68).

Грунтовые воды

Наиболее предпочтительным кажется использование теплоты природных водных ресурсов, в частности, грунтовых вод, ввиду доступности и кажущейся простоты схемы низкотемпературного (до 50 ОС) теплоснабжения, заключающейся в подаче воды в ТН и ее возврате через соответствующие скважины. Но если вода непроточная, то не исключено перемешивание охлажденной и грунтовой воды, т.е. деградация источника тепловой энергии вплоть до полного истощения. Если дом не одиночный, потребуется такое расположение зданий, чтобы не «обирать» соседей. При использовании проточной воды также следует учитывать расположение зданий. Обязательным условием является размещение скважин, исключающее замораживание воды в зимнее время.

Можно сделать вывод, что использование теплоты грунтовых вод также весьма малоэффективно, проблематично и на предпроектной стадии требует тщательной гидрологической и экологической проработки для каждого конкретного объекта, включая влияние на вышележащий грунт. С учетом расхода электроэнергии на водоподъем коэффициент преобразования теплонасосной установки составляет ε=1,87, а коэффициент использования первичной энергии Ψ=η*ε=0,66, где η - КПД электростанции (η=0,35). Такое значение коэффициента Ψ сравнимо со степенью использования первичной энергии в котлоагрегатах с угольной топкой.

Аналогичные проблемы возникают при использовании воды рек и открытых водоемов.

Грунт

Грунт поверхностных (глубиной до 400 м) слоев земли рассматривается энергетиками как низкопотенциальный источник энергии для тепловых насосов. В частности, в Москве и Ярославской обл. в конце 90-х - начале 2000-х гг введено в эксплуатацию несколько объектов с грунтовыми термоскважинами для тепловых насосов системы теплоснабжения зданий. Экспериментальные исследования проводились в отопительный период только в первые годы эксплуатации [3-7]. Последние публикации по этим объектам относятся к 2002 г. Вышедшая в 2006 г. монография [7] практически не содержит новых экспериментальных данных.

В связи с тем, что с каждым годом площадь охлажденного массива грунта будет увеличиваться, возникает вопрос о масштабах этого процесса и его влиянии на окружающую среду, в частности, на растениеводство.

На рис. 1 показано увеличение площади охлажденного грунта во время эксплуатации термоскважины глубиной 225 м (расчет для системы отопления жилого дома площадью 100 м2). На второй год эксплуатации диаметр участка составит 8 м, на пятый - 13, на двадцать пятый - 28 м, а на сороковой - 37 м, т.е. 1100 м2.

На рис. 2 видно, что охлаждение нейтрального слоя грунта происходит достаточно быстро по сравнению с временем эксплуатации скважины, что делает грунт непригодным для растениеводства, а также может оказывать негативное воздействие на экологическое равновесие.

Время релаксации температуры грунта приблизительно равно времени охлаждения грунта, используемого как низкотемпературный источник энергии для теплонасосной установки. Так, если на летний период (май-сентябрь) полностью отключить отбор тепла из грунта, т.е. остаться без горячего водоснабжения, то к октябрю произойдет практически полная релаксация.

(Подробный анализ процессов теплопереноса из грунта в теплообменник термоскважины, а также решение задачи о релаксации температуры охлажденного грунта представлены в полной версии статьи - прим. ред.).

В результате можно сделать выводы, что в климатических условиях, аналогичных условиям средней полосы России, энергии солнечной и недр Земли недостаточно для прогрева охлажденного «теплонесущего» грунта в разумные сроки - грунт останется охлажденным или промерзшим.

Сбросное тепло

Использование отработанной теплоты воздуха, промышленных или сточных вод, теплоты технологических процессов (например, охлаждение или пастеризация молока), представляется перспективной областью применения тепловых насосов. Один из таких примеров использования сбросного тепла описан в этом же номере журнала (см. также статью С.В. Дубровского «Отопление удаленной канализационной насосной станции тепловым насосом» в НТ № 2, 2013 г. - прим. ред.).

Необходимо учитывать ограниченность в некоторых случаях объемов низкопотенциальной энергии таких источников и экономическую целесообразность их использования.

Выводы

Исследования показывают, что наибольшая эффективность достигается лишь при применении таких теплонасосных установок, которые используют отработанную теплоту (сбросное тепло). При этом также решается важная экологическая задача по снижению теплового загрязнения окружающей среды. Остальные же НТИТ в условиях, характерных для территории средней полосы России, можно рассматривать лишь как исключение из правил.

Литература

1. Хейндрих Г., НайоркХ., Нестлер В. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. М.: Стройиздат, 1985.

2. Трушевский С.Н. О низкотемпературных источниках теплоты для тепловых насосов // Труды 7-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве». Часть 4. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. С. 270-274.

3. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Москомархитектура. М.: ГУП «НИАЦ», 2001.

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

5. Васильев Г.П., Крундышев Н.С. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области // АВОК. 2002. № 5.

6. Васильев Г.П. Энергоэффективные здания с теплонасосными системами теплоснабжения // ЖКХ. 2002. № 12.

7. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли: Монография. М.: «Граница», 2006.

С.Н. Трушевский, Анализ низкотемпературных источников тепловой энергии средней полосы России для тепловых насосов

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения" №07 (155), 2013 г. , www.ntsn.ru/7_2013.html

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Похожие статьи: