Использование низкопотенциальных энергоисточников с помощью теплонасосных установок (ТНУ)

 

Важным средством оздоровления окружающей среды и крупным резервом экономии органического топлива является использование для целей теплоснабжения низкопотенциальных энергоисточников. Такие технологии осуществимы в случаях применения тепловых насосов (ТН) и теплонасосных станций (ТНС). Особенно они эффективны в районах, где имеется избыточная относительно дешевая электроэнергия (ТНС работают в периоды провалов графика нагрузки при обязательном аккумулировании теплоты).

Вторичные энергоресурсы (ВЭР) можно разделить на три группы: высоко-, средне- и низкотемпературные. Первые две достаточно полно утилизируются с помощью котлов-утилизаторов и теплообменников-экономайзеров контактного и поверхностного типа. Низкотемпературные используются крайне слабо либо совсем не находят применения. Между тем именно они образуются практически во всех отраслях промышленности, на всех предприятиях, включая и те, что производят электрическую и тепловую энергию.

Так, с циркуляционной водой тепловых и атомных электростанций сбрасывается столько же тепла, сколько его производится для нужд теплофикации всеми ТЭЦ. Только использование тепла охлаждающей воды предприятий позволит экономить в масштабах страны до 50 млн. т условного топлива ежегодно.

Кроме вторичных энергоресурсов огромное количество низкопотенциального тепла сосредоточено в грунтовых массивах, водоемах, окружающей воздушной среде. Использование источников низкопотенциальной тепловой энергии осуществляется с помощью так называемых тепловых насосов (ТН).

Например, мы имеем тепло Земли с температурой порядка 5-10⁰С практически в неограниченном количестве, остается только придумать, как поднять температуру этого тепла до уровня, способного обогреть наше жилище.

Такой способ известен давно и он очень похож на принцип работы электрического повышающего трансформатора, с той лишь разницей, что электротрансформатор сколько получил энергии на первичную обмотку, столько и выдаст на вторичной, а термотрансформатор на 1 кВт затраченной электроэнергии выдает в теплосеть 3 кВт тепловой энергии за счет тепла, которое получает грунтовый контур от Земли или воды.

В термотрансформаторе, который чаще называют тепловым насосом, имеются все элементы электротрансформатора:

грунтовый контур (аналогично первичной обмотке);

отопительный контур (аналогично вторичной обмотке);

компрессор или абсорбер (аналогично магнитному сердечнику).

В грунтовый контур входят:

погружной теплообменник типа “труба в трубе”;

испаритель, в котором испаряется хладон-22;

циркуляционный насос, обесипечивающий передачу тепла Земли в испаритель посредством циркуляции воды между теплообменником и испарителем.

В отопительный контур входят:

конденсатор, в котором пары хладона снижаются, отдавая тепло сетевой воде для отопления помещений и горячего водоснабжения;

дроссель, находящийся между конденсатором и испарителем и отделяющий низкую сторону трансформатора от высокой.

Процесс повышения температуры происходит в компрессоре, который сжимает пары хладона до давления, достаточного для их конденсации при заданной температуре.

Непрерывный приток тепла Земли необходим для обеспечения непрерывности процесса испарения хладона, в противном случае компрессору нечего будет сжимать, в испарителе образуется глубокий вакуум, и процесс передачи тепла Земли в помещение прекратится.

По внешнему виду тепловой насос с тепловой мощностью 10 кВт и потребляемой электрической мощностью 3 кВт (для привода компрессора) представляет собой агрегат размерами с холодильник ЗИЛ.

Существуют тепловые насосы компрессионного типа с тепловой мощностью до 1 МВт и абсорбционного типа до 10 МВт.

Отставание России от развитых стран в области применения тепловых насосов измеряется десятилетиями. Если за рубежом ежегодный выпуск тепловых насосов измеряется миллионами, то в нашей стране освоение их производства и внедрения в практику находятся на начальной стадии.

Зарубежный опыт показывает следующие сферы эффективного применения ТНУ.

В жилых зданиях - для отопления и горячего водоснабжения, включая возможность утилизации тепла от отработанной горячей воды от ванн, раковин и стиральных машин.

В промышленных объектах - использование отработанного тепла от холодильных процессов для целей горячего водоснабжения, технологического тепла и предварительного подогрева; для процессов сушки, кипения и испарения; возможны также особые случаи, когда по какой-либо причине целесообразно перекачивать тепло от данного технологического процесса к другому.

Основным типом используемых за рубежом установок являются ТНК для тепло- и хладоснабжения односемейных коттеджей теплопроизводительностью 2-15 кВт (при стандартных условиях: температуре наружного воздуха 8⁰С и внутри помещения 21⁰С), обычно включающие пиковый подогреватель обычного типа. В качестве низкопотенциального источника теплоты (НПИТ) в основном используется воздух, что связано с достаточно теплым климатом, вода, а также грунт и грунтовые воды.

Высокий уровень развития теплонасосной техники в США в значительной степени объясняется широким распространением электрических кондиционеров (около 80% новых жилых зданий оснащаются кондиционерами), а также электрического отопления (45% зданий отапливаются электричеством, 53% - газом). Замещение последних теплонасосными установками не требует ввода дополнительных электрогенерирующих мощностей, осуществляется с помощью минимальных схемных и конструктивных доработок и в конечном итоге дает наибольший энергетический и экономический эффект. Немаловажной является и возможность повсеместного использования в качестве НПИТ наиболее доступного и дешевого источника - воздуха. Существенными недостатками ТН с воздушными энергоносителями являются: сравнительно низкий коэффициент преобразования, наличие неблагоприятной зависимости теплопроизводительности и коэффициента преобразования ТН от температуры окружающей среды (при ее понижении они снижаются), а также трудности создания эффективных ТН большой мощности. Эти недостатки компенсируются использованием в схемах ТН пиковых подогревателей обычного типа (электрических или на органическом топливе) и отработкой конструкций для повышения коэффициента преобразования.

В странах с более суровыми климатическими условиями (Швеция, Норвегия, Канада и др.) в качестве источника низкопотенциальной теплоты чаще используются грунт и вода. В Швеции в середине 80-х годов действовало более 130 тыс. ТН, из которых 39 крупнейших ТН имеют теплопроизводительности от 10 до 80 тыс. кВт. В качестве НПИТ для этих ТН используются: городские сточные воды (51%), промышленные водяные отходы (15%), вода озера и моря (28%) и грунтовая вода (6%). Срок окупаемости крупных ТН минимальный и составляет 2-4 года.

Наиболее массовое использование находят небольшие ТН для теплоснабжения (получения горячей воды для отопления и горячего водоснабжения) односемейных коттеджей. Расчеты показывают, что они успешно замещают традиционные нефтяные нагреватели, если суммарный годовой расход нефти превышает 4 м³. В качестве НПИТ примерно в половине этих установок используется воздух, а в другой половине грунт, вода и отработанный воздух.

В качестве удачных примеров использования ТН в России можно привести широкое внедрение в начале 90-х годов ТНУ типа ТХУ-14, предназначенных для охлаждения молока и организации горячего водоснабжения ферм. Всего их было изготовлено свыше 6000 шт. к 1991 году. В последние годы на рынке появилось значительное число ТНУ зарубежного производства. Наибольшую часть из них представляют кондиционеры, работающие также в режиме ТН. Ряд ТНУ предложен также отечественными разработчиками.

1. Теплонасосная установка горячего водоснабжения ТУГВ-200.

Организация-разработчик - Научно-производственное объединение “ИНСОЛАР”, г.Москва.

Предназначена для автономного горячего водоснабжения односемейных коттеджей за счет утилизации тепла воздуха, уходящего из здания. В районах с теплым климатом возможно непосредственное использование наружного воздуха в качестве источника тепла.

Установка предусматривает также возможность:

горячего водоснабжения с одновременным охлаждением помещения (в жаркое время года);

отопления здания (весенний и летний сезоны).

Основные элементы:

Герметичный холодильный компрессор.

Теплообменные агрегаты (испаритель и конденсатор).

Бак-аккумулятор для горячей воды.

Вентилятор.

Блок автоматического управления установкой.

Техническая характеристика

Теплопроизводительность, кВт 2,0

Холодопроизводительность, кВт 1,6

Потребляемая мощность, Вт 420

Напряжение, В 220

Температура воды в месте забора из бака, ⁰С 55

Уровень шума, дБА 40

Габаритные размеры

(ширина х глубина х высота), мм 615х550х1720

Масса установки при пустом баке, кг 105

2. Автоматизированная теплонасосная установка АТНУ-10

Организация-разработчик - Научно-производственное объединение НПО “ИНСОЛАР” и общество с ограниченной ответственностью ООО “ЭКОМАШ”.

Предназначена для отопления и горячего водоснабжения коттеджей за счет использования тепла поверхностных слоев грунта.

АТНУ-10 обеспечивает автоматическое поддержание заданной жильцами температуры в доме.

Дополнительные возможности АТНУ:

круглогодичное горячее водоснабжение;

сезонное (весна, осень) отопление теплицы;

охлаждение в летний период подсобных помещений (кладовые, овощехранилища).

Основные элементы АТНУ-10:

герметичный холодильный компрессор фирмы “COREMA” на R 22;

теплообменные агрегары (испаритель и конденсатор);

блок автоматического управления установкой;

пиковый электродоводчик.

АТНУ-10 комплектуется двумя циркуляционными насосами и баком-аккумулятором для горячей воды емкостью 250 л.

Для сбора низкопотенциального тепла может использоваться горизонтальная система трубопроводов, размещенных в грунте на глубине ниже глубины промерзания грунта, или вертикальная система размещения трубопроводов в скважинах.

Техническая характеристика АТНУ-10

Питание от сети переменного трехфазного тока напряжением, В 380/220

Потребляемая мощность, кВт 3,5

Теплопроизводительность, кВт 10,3

Температура теплоносителя на входе в

систему отопления, ⁰С 45

Расход теплоносителя в испарителе и

конденсаторе, м³/ч 1,34

Габаритные размеры, мм 510х940х1520

Масса установки, кг 130

Установка АТНУ-10 - это комфорт, экологическая чистота и экономия энергии на 50-70%.