Тепловые насосы. Учебное пособие

ДажевидеальномобратномциклеКарнокоэффициентпреобразования энергии ТН составит

ψmax =T1T−1Tf ,

где Т1 – ​температура на верхнем уровне цикла, К; Tf – ​температура на нижнем уровне цикла, К.

Для реального цикла в общем случае

ψ =ν ψmax,

где ν < 1 – коэффициент​ , учитывающий несовершенство цикла. Коэффициент использования первичной энергии системой

ФЭП + ТН на пути от концентратора 1 к конденсатору 5:

Ψ =η ν ψmax.

Еслипринять,чтоη0 =0,15,k=0,00251/К,Tf =0…322К,тодля нагрева воды от 273 до 313 К расчетное значение Ψ = 1,04… 4,03, однако физически Ψ ≤ 1, поскольку вся энергия подводится к ТН только от ФЭП.

Оценим значение Ψ в системе, когда плотность потока солнечного излучения Е = 1000 Вт/м2. С учетом того, что концентратор неиспользуетдиффузноеизлучение,имеяКПДηк ≈0,75,наФЭП площадью 1 м2 поступит поток Q = 750 Вт. При КПД ФЭП, равном 0,55, получим W = 112,5 Вт; не менее 25 % (187,5 Вт) составят тепловые потери ФЭП. Таким образом, тепловой КПД ФЭП ηфэп не превышает 0,6. Приняв электрический КПД компрессора ηэ = 0,95, а механический – η​ м = 0,5, получим, что через теплообменник конденсатора на отопление пойдет:

Епотр = Еηк ∙ ηфэп ∙ ηм + ηэW = 332 Вт Е.

Несостоятельность подхода очевидна. Солнечная энергия для использования в ТН непригодна.

Несконцентрированная солнечная энергия в зимний период на территории России имеет низкую и нестабильную плотность потока излучения. Без излучения коллекторы будут действовать как воздушные радиаторы с низким (при скорости ветра в 3… 4 м/с) КТО и в условиях обледенения.

61

Использование солнечной энергии может стать оправданным вклимате,например,ОбъединенныхАрабскихЭмиратов,новэтой стране задачи теплоснабжения неактуальны, а использование солнечнойэнергиивабсорбционныхкондиционерахдавноиуспешно реализовано.

4.3. Воздух

Преимущество воздуха как источника низкопотенциальной энергии заключается в его доступности. Для использования воздуха в ТН требуются воздушные теплообменники с вентиляторами.ВоздухотдаеттеплотувиспарителеТНивозвращаетсявокружающую среду с более низкой температурой. Схема ТН с воздушным теплообменником показана на рис. 34.

ТН с воздушными теплообменниками на стороне низкого давления самые дешевые, но воздуху как источнику низкопотенциальной энергии присущи и многие недостатки. Температура воздуха существенно и непредсказуемо меняется как в пределах отопительного сезона, так и в течение суток. При температуре воздуха, не превышающей 6 °C, теплообменники обмерзают, зазоры между ребрами забиваются снегом, эффективность теплообмена многократно падает.

Вштилевую погоду более плотный холодный воздух осаждается вокруг отапливаемого объекта. Для компенсации пришлось бы (и приходится в ряде случаев) усилить теплоизоляционный контурздания,атакжеучестьпонижениетемпературыинфильтрационных воздушных потоков.

Вбольших массивах застройки возможно изменение микроклимата, вентиляторы ТН повышают шумовое загрязнение окружающей среды.

Применимость в России ограничена в основном тем, что стандартные воздушные теплообменники работоспособны при температуре окружающей среды, превышающей 2… 4 °C. Перепад температур между горячим и холодным теплоносителями ТН должен составлять 10… 15 °C при максимально допустимом

62

45… 50 °C, тогда как для средней полосы России он составляет 53… 70 °C и более. Коэффициент использования первичной энергии β при температурах наружного воз-

зование ТН с воздушными теплообменниками в летнее время как источников горячего водоснабжения.

Врядеслучаевпредставляютинтересвентиляционныевыбро- сызданий.Вусловияхприточно-вытяжнойвентиляцииввыброс- ных коллекторах возможно использовать теплоту удаляемого воздуха,еслиеедостаточнодляработыТНвинтересахвсегообъектатеплоснабженияи приудобнойразводкевыходныхвентиляционных каналов.

4.4. Грунтовые воды

Грунтовые воды (при их наличии и доступности) являются удобным источником низкопотенциальной энергии для ТН. Подвод и отвод воды осуществляются через скважины.

Существует два цикла использования грунтовых вод: открытый и закрытый (рис. 35).

Воткрытом цикле теплоноситель забирается из водоносного слоя и возвращается в него. Схема проста, поскольку не включает промежуточный контур теплоносителя, но стоимость монтажа может быть существенной.

Взакрытом цикле промежуточный теплоноситель прокачивается через замкнутый контур, расположенный в водоносном слое.Этасхемаисключаетзагрязнениегрунтовыхводисмешение потоков теплоносителя на входе и выходе труб из водоносного слоя. Стоимость такого ТН увеличивается за счет затрат на теплообменник.Вролипромежуточноготеплоносителявыступаетвода

стемпературой 8… 15 °C или антифриз.

63

Рис. 35. Схемы использования грунтовых вод: а – открытый; б – закрытый

Прииспользованиигрунтовыхводдействуетрядограничений. Рассмотрим применение грунтовых вод для теплонасосной системы отопления жилого дома с отапливаемой площадью 100 м2, вкотором живут пять человек, расположенного вМосковской области.Понормативнымданным,годоваятепловаянагрузканаотопле-

ниеигорячееводоснабжениеданногодомасоставит28МВт∙ч. Если75%этойнагрузкиобеспечитьзасчетиспользованиягрун-

товых вод, то Qгв = 21 МВт ∙ ч, что потребует прокачки 2590 м3/год воды,адляэтогопотребуетсядополнительныйрасходэлектроэнергии. Если вода не проточная, то возможна деградация источника из-за перемешивания охлажденной иисходной воды.

Если дом входит в общую застройку, то важно не «обирать» соседей. Все скважины во избежание обмерзания потребуется пробурить внутри зданий.

С учетом затрат энергии на прокачку коэффициент преобразования теплоты составит ψ = 4,87, а коэффициент использования первичной энергии ψэ = 0,166. Это сравнимо с использованием для теплоснабжения котла сугольной топкой.

Использование теплоты грунтовых вод требует гидрологической и экологической проработки, включая влияние отбора на вышележащий грунт.

64

4.5. Водоемы

Источниками низкопотенциальной теплоты с практически постоянной и колоссальной теплоемкостью являются моря, реки, озера. Сходные возможности предоставляют и достаточно обширные пруды – естественные​ и искусственные.

Их недостатком является то, что в зимний период температура воды может опускаться почти до 0 °C, что вызовет обмерзание труб испарительного контура. В отличие от водоемов пресноводных вода морей и океанов на глубине 25… 50 м имеет стабильную температуру, равную 5… 8 °C, но здесь возникает другая сложность: все теплообменные трубы необходимо выполнить из коррозионностойких сплавов.

Схема использования водоемов как источников низкопотенциальной теплоты для ТН показана на рис. 36.

4.6. Грунт

Грунт – ​наиболее доступный источник низкопотенциальной энергии для ТН. Существует два способа размещения теплообменников: горизонтальный и вертикальный (рис. 37).

При горизонтальной схеме контура (рис. 36, а) теплообменник укладывают в горизонтальные траншеи глубиной до 4… 6 м и длиной до 100 м. Это требует большой площади поверхности. Существенны затраты на земляные работы и рекультивацию

Рис. 36. Схема использования пруда как источника низкопотенциальной теплоты для ТН

65

Рис. 37. Расположение теплообменных труб в грунте: а – горизонтальное; б – вертикальное

почвы.Температуранаглубинезакладкитрубсоставляет2…10°C и соответствует среднегодовой температуре воздуха. В качестве теплоносителя используют антифриз.

При вертикальном расположении контура (рис. 36, б) бурят скважинуглубинойдо100м.Этосущественноэкономитплощадь, поэтому удобно в массовой застройке. Стоимость буровых работ, особенно в тяжелых грунтах, может быть существенной. В условиях городской застройки важно обезопасить уложенные в грунте коммуникации.

Основным недостатком такой схемы является то, что при длительной эксплуатации площадь охлажденного массива с каждым годом увеличивается. Применение термоскважин требует предварительных расчетов.

4.7. Стоки и сбросы

Данный источник низкопотенциальной энергии связан как

сбытовойихозяйственнойдеятельностьючеловека,такисосбросами «теплых» теплоносителей объектами индустрии, сельского хозяйства и другими системами, использующими преобразование энергии. В широком смысле образование сбросов связано

ссоблюдением второго начала термодинамики, поэтому является устойчивым и неизбежным.

66

Под сбросами следует понимать потоки жидкостей или газов (воздуха) с температурой, превышающей температуру окружающей среды. Их генерируют канализационные коллекторы, системы вентиляции дымоудаления, магистрали теплоснабжения и другие технические системы (рис. 38).

Применение стоков и сбросов как источника энергии для ТН принципиально оправданно, но обеспечить все потребности не может. Кроме того, вызывает сложности низкая плотность тепловых потоков от таких источников, а также их расположение вдали от объектов теплонасосного теплоснабжения.

4.8.Ледовые накопители

Впоследние годы в странах с суровым климатом энергетики обратились к «накопителям тепловой энергии» (название термодинамически нестрогое), основанным на использовании льда.

Подземные бетонные бункеры наполняют водой, в их объеме по спирали прокладывают пластиковые трубы с циркулирующим антифризом, входящим в контур ТН (рис. 39).

коллектора

67

При работе ТН вода охлаждается до 0 °C, а затем замерзает, поглощая теплоту кристаллизации. Теплообмен с грунтом через стенки бункера также является полезным.

Система обеспечивает не только отопление, но и круглогодичное кондиционирование. Цикличность позволяет эксплуатировать ее достаточно долго.

К достоинствам ледяного накопителя относятся:

–экономия пространства (бункеры могут находиться под зданием в пределах его контура);

–замена термоскважин, отказ от дорогостоящего бурения;

–круглогодичное использование;

–экономичность и сейсмоустойчивость.

Недостатками схемы являются:

–сложность или невозможность обслуживания и ремонта трубопроводов в бункере;

–возможностьпромерзанияивспучиваниягрунтаподзданием.

5.ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

ВСИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

5.1. Теплоснабжение малоэтажных частных домов

Применение ТН необходимо в первую очередь в населенных пунктах, лишенных газификации, при дефиците органического топлива,вместах,удаленныхотТЭЦикотельных.Использование электроэнергиидлятеплонасосноготеплоснабженияоказывается кратно меньшим, чем при прямом электрическом отоплении.

В районах северного завоза дизельного топлива применение теплонасосных установок является действенным способом энергосбережения. Кроме того, теплонасосные установки можно использовать для хладоснабжения, что важно там, где на северном завозе основано и снабжение пищевыми продуктами.

Тепловые насосы с высокой экологичностью незаменимы и на природных охраняемых территориях, на курортах, в рекреационных районах и т. д.

68

Теплонасосные системы с пиковыми подогревателями позволяют преодолевать приращения тепловой нагрузки при кратковременных снижениях температуры наружного воздуха. Это удобно, поскольку ТН, рассчитанные только на среднюю температуру отопительного сезона, обходятся дешевле, а пиковые подогреватели можно использовать летом для горячего водоснабжения.

При реализации обеих схем предпочтительно применение системы отопления «теплый пол», позволяющей получить тепловой поток плотностью 50… 150 Вт/м2 при температуре горячего теплоносителя 35… 55 °C. Дополнительная теплогенерация позволяет поддерживать температуру пола на уровне, не превышающем 25 °C. Наиболее распространены на этих объектах воздушные ТН; это относится в первую очередь к местностям

степлым климатом. Горячим теплоносителем чаще всего также служит горячий воздух. В этом случае испаритель воздушного охлажденияиспользуетсявкомплектесконденсаторомвоздушного охлаждения. Для водяной системы отопления потребуется конденсатор с водяным теплоотводом; возникнут дополнительные требования к приборам отопления, а при установке ТН в доме

страдиционным отоплением возможны значительные дополнительные затраты.

Системы «воздух–воздух» в южных районах используются и как круглогодичные кондиционеры.

Вусловиях средней полосы России возможно использование грунтовых теплообменников, горизонтальных и вертикальных (см. п. 4.6), а также грунтовых вод и водоемов (пп. 4.4 и 4.6). Во всех случаях предпочтительны закрытые системы как более безопасные и экологичные.

Несмотрянаочевиднуюперспективностьтеплонасосныхсхем теплоснабжения таких объектов, их использование наталкивается на ряд ограничений.

Высокие удельные капитальные вложения связаны с тем, что рынок теплонасосной техники в России представлен в основном дорогостоящей продукцией производства ФРГ, Австрии, США

69

идругих стран. Дорого стоит и бурение на глубину 50… 150 м; горизонтальное размещение теплообменников требует значительных площадей и не всегда возможно даже в сельской местности.

Ограничения по выходной температуре «горячего» теплоносите-

ля на практике не превышают 50… 55 °C, что требует увеличения площади (и стоимости) приборов отопления.

Неоднородность теплового потенциала грунта сказывается при широком климатическом разбросе в различных частях России. ЧемсевернееприменяютТН,темнижеегоэффективность.В«холодных» грунтах требуется развивать поверхности теплообмена в термоскважинах, что приводит к удорожанию оборудования

иснижает срок его эксплуатации.

Охлаждение грунта вблизи термоскважин описано в п. 4.6.

В условиях российского климата данный фактор немаловажен: в летний период охлажденный грунт к исходному распределению температуры не возвращается. Через пять лет эксплуатации аккумулирующая способность грунта может снизиться на порядок по сравнению с исходной.

Последнее обстоятельство делает рациональной схему круглогодичного кондиционирования без дополнительных затрат электроэнергии. В этом случае для подачи холодного теплоносителя используется та же система труб, что и для отопления, а затраты энергии связаны только с приводом насосов.

Кроме того, эффективна дополнительная теплоизоляция зданий, применение солнечных водогрейных коллекторов и другие традиционные пути энергоснабжения.

По оценкам, на период до 2030 г. в России может быть востребовано 3,4… 4,4 ТВт теплонасосной мощности, что составляет 9… 11 % от вводимой мощности малоэтажной застройки. Это позволит сэкономить до 3,8 млн т условного топлива в год.

Рассмотрим случай, когда коттедж площадью 120… 240 м2 потребляет на отопление (в зависимости от теплоизоляции) мощность 12 кВт. Температура воды в сезон отопления должна составлять 35 °C, а минимальная температура теплоносителя – 0​ °C.

70