Применение тепловых насосов в энергетике как один из экологически чистых и эффективных способов энергосбережения

Аннотация

В этой статье рассматриваются проблемы энергосбережения и возможности применения тепловых насосов. Также рассмотрена принципиальная схема работы теплового насоса. В заключительной части статьи приведены сравнительные данные газовых котлов и тепловых насосов.

В настоящее время перед Казахстаном, как и перед всем миром, остро стоят две взаимосвязанные проблемы: экономия топливно-энергетических ресурсов и уменьшение загрязнения окружающей среды. В условиях истощения запасов органического топлива и резкого повышения затрат на освоение новых месторождений становится все более нерациональным сжигание угля, газа и нефтепродуктов в миллионах маломощных котельных и индивидуальных топочных агрегатах, вызывающее большое количество вредных выбросов в атмосферу и существенное ухудшение экологической обстановки в городах и мире [1].

Одним из эффективных путей экономии топливно-энергетических ресурсов является использование экологически чистых нетрадиционных возобновляемых источников энергии, и в первую очередь, солнечной энергии, аккумулированной в грунте, водоемах, воздухе. Однако периодичность действия и низкий температурный потенциал этих источников не позволяют использовать их энергию для отопления зданий непосредственно, без преобразования. В качестве преобразователей тепловой энергии от энергоносителя с низкой температурой к энергоносителю с более высокой температурой используются тепловые насосы. Тепловой насос представляет собой обращенную холодильную машину и позволяет вырабатывать тепловую энергию, используя низкопотенциальное тепло вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Применение тепловых насосов позволяет экономить до 70% традиционных энергетических ресурсов.

В настоящее время отопление и горячее водоснабжение городских объектов осуществляется, как правило, от централизованных систем теплоснабжения. Источником тепловой энергии в таких системах являются городские ТЭЦ, на которых осуществляется комбинированная выработка электроэнергии и тепла, или районные котельные. Преимущества централизованного теплоснабжения широко признаны. C термодинамической точки зрения комбинированное производство электроэнергии и тепла на ТЭЦ является гораздо более эффективным, чем раздельное производство электроэнергии на конденсационных тепловых электростанциях и тепла котельными.

Вместе с тем применение централизованных систем теплоснабжения имеет свои недостатки и ограничения. Строительство протяженных теплотрасс к удаленным объектам, а также к объектам в районах с малой плотностью застройки, сопряжено со значительными капитальными вложениями и большими тепловыми потерями на трассе. Их эксплуатация впоследствии также требует больших затрат. Теплонасосные системы теплоснабжения представляются одним из наиболее эффективных альтернативных средств решения проблемы. C термодинамической точки зрения схемы теплоснабжения на базе тепловых насосов в большинстве случаев являются даже более эффективными, чем от ТЭЦ и индивидуальных котельных.

Принципиальная схема теплового насоса изображена на рисунке 1 [2]. Суть его работы состоит в следующем. В испарителе теплового насоса тепло невысокого температурного потенциала отбирается от некоего источника низкопотенциального тепла (грунт, сбросное тепло, воздух и т.п.) и передается низкокипящему рабочему телу теплового насоса (фреону). Полученный пар сжимается компрессором. При этом температура пара повышается, и тепло на нужном температурном уровне в конденсаторе передается в систему отопления и горячего водоснабжения. Для того чтобы замкнуть цикл, совершаемый рабочим телом, после конденсатора оно дросселируется до начального давления, охлаждаясь до температуры ниже источника низкопотенциального тепла, и снова подается в испаритель. Таким образом, тепловой насос осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого температурного уровня на более высокий уровень, необходимый потребителю.

При этом на привод компрессора затрачивается механическая (электрическая) энергия.

При наличии источника низкопотенциального тепла с более или менее высокой температурой, количество тепла, поставляемого потребителю, в несколько раз превышает затраты энергии на привод компрессора. Отношение полезного тепла к работе, затрачиваемой на привод компрессора, называют коэффициентом преобразования теплового насоса, и в наиболее распространенных теплонасосных системах он достигает 3 и более.

Типичные зависимости идеального и реального коэффициентов преобразования теплового насоса от температуры конденсатора и испарителя приведены на рисунке 2 [3]. Например, при температуре испарителя на уровне О oC и температуре конденсатора на уровне 60 oC коэффициент преобразования реальной установки достигает 3. C увеличением температуры источника низкопотенциального тепла или с уменьшением температуры, необходимой потребителю, коэффициент преобразования возрастает и может достигать 4, 5 и больших значений.

Применение тепловых насосов особенно эффективно в случае использования воздушных систем или напольных систем водяного отопления, для которых температура теплоносителя не превышает 35-40 °C. Все более широкое применение в последнее время находят системы отопления с применением современных теплообменников с высокими коэффициентами теплопередачи и соответственно допускающих использование теплоносителя с пониженными температурами.

Ключевым вопросом, от которого в значительной степени зависит эффективность применения тепловых насосов, является вопрос об источнике низкопотенциального тепла.

В качестве низкопотенциальных источников теплоты могут использоваться: а) вторичные энергетические ресурсы:

  • теплота вентиляционных выбросов;
  • теплота серых канализационных стоков;
  • сбросная теплота технологических процессов.

б) нетрадиционные возобновляемые источники энергии:

  • теплота окружающего воздуха;
  • теплота грунтовых вод;
  • теплота водоемов и природных водных потоков;
  • теплота солнечной энергии;
  • теплота поверхностных слоев грунта.

В качестве довольного универсального источника низкопотенциального тепла можно использовать теплоту грунта. Известно, что на глубине 4-5 м и более температура грунта в течение года практически постоянна и соответствует среднегодовой температуре атмосферного воздуха. Поверхностные слои грунта (до 50 - 60 м), являются достаточно универсальным и повсеместно доступным источником низкопотенциального тепла. Скважины-теплообменники могут сооружаться под фундаментом здания или в непосредственной близости от него. При этом такие системы не требуют заметного отчуждения земли. Тепловые режимы работы грунтовых теплообменников могут быть существенно улучшены при использовании, наряду с теплом грунта, утилизируемого тепла вентиляционных выбросов, тепла жидких стоков, а в ряде случаев и солнечной энергии [4].

В процессе эксплуатации систем на базе тепловых насосов, происходит экономия первичного топлива (Таблица 1). В результате воздействие таких систем на окружающую среду существенно снижается. Сегодня они считаются более «чистыми» в экологическом плане, нежели самые современные высокоэффективные газовые котлы.

Проведенные исследования помогают провести сравнительный анализ воздействия на среду тепловых насосов и газовых котлов по годовым эксплуатационным показателям сгорания, объемам выбросов в атмосферу СОг.

Таблица 1 Примерные сравнительные эксплуатационные характеристики различного типа отопительного оборудования (180 м2 отапливаемой площади)

 

Тепловой насос (к-т 6)

Газовое оборудование

Дизельное оборудование

Электрическое оборудование

Количество рабочих часов за сезон

1700

1700

1700

1700

Потребление топлива

3 кВт/час

4 м3/час

3 кг/час

18 кВт/час

Стоимость единицы топлива

3,08 тг. (ночной тариф)

5,2 тг.

61,6 тг.

3,08 тг. (ночной тариф)

Годовые затраты на топливо

15708 тг.

35033,6 тг.

314160 тг.

94248 тг.

Гарантия на оборудование

Свыше 3 лет

1 год

1 год

1 год

Для примера: тепловой насос с показателем SEER 3,0 по сравнению с котлом, имеющим коэффициент годовой производительности на уровне 90% (уровень чрезвычайно высокий и труднодостижимый), выбрасывает в атмосферу СОг на 40% меньше, чем котел той же мощности за аналогичный временной отрезок (Рисунок 3) [5].

Внедрение тепловых насосов приводит также к снижению и других вредных соединений (Таблица 2). Опыт проектирования, создания и практической эксплуатации теплонасосных систем теплоснабжения, технико-экономические и проектно-конструкторские обоснования их внедрения в реальные малые и крупные объекты строительства, расположенные как в условиях плотной городской застройки, так и в сельской местности, свидетельствуют о широких возможностях эффективного применения теплонасосных систем и обеспечения с их помощью заметного экономического, энергосберегающего и экологического эффектов [6].

Таблица 2 Сравнительная оценка вредных выбросов за отопительный сезон (5448 ч) от различных тепловых источников тепловой мощностью 1,16 МВт

Вид вредного выброса, т/год

Котельная на угле

Электрообогрев

Тепловой насос, с среднегодовым коэффициентом 3,6

SOx

21,77

38.02

10.56

NOx

7,62

13,31

3.70

Твердые частицы

5,8

8,89

2.46

Фтористые соединения

0,182

0,313

0.087

Всего

34,65

60,53

16.81

Таким образом, применение систем на базе тепловых насосов - это во многих случаях оправданное решение, ведущее как к сбережению невозобновляемых энергоресурсов, так и к защите окружающей среды, в том числе и за счет сокращения выбросов СОг в атмосферу.

 

Литература:

  1. Закиров Д.Г. Энергосбережение. Пермь: Книга, 2000.
  2. http://odnastroyka.ru/princip-raboty-teployyx-nasosov-dlya-otopleniya.
  3. https://refdb.ru/look/1051428-pall.html.
  4. Закиров Д.Г. Утилизация вторичных энергетических ресурсов и использование возобновляемых источников энергии с применением тепловых насосов - основной путь снижения энергоемкости производства//Промышленная энергетика. 2002.
  5. https://yvww.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=454.
  6. Калнинь И.М. Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра //Холодильная техника. 2000.
Год: 2017