Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР).

 

Основными источниками теплоты для крупных ТНУ следует считать искусственные источники - тепловые отходы технологических производств, коммунальных, бытовых, жилых и других объектов или вторичные энергетические ресурсы (ВЭР).

По виду ВЭР разделяются на три основные группы:

1. горячие топливные отходящие газы печей;

отходы, непригодные для дальнейшей технологической переработки;

2. тепловые ВЭР - физическая теплота отходящих газов технологических агрегатов;

физическая теплота основной, побочной, промежуточной продукции и отходов основного производства;

теплота горячей воды и пара, отработанных в технологических силовых установках;

3. ВЭР избыточного давления, потенциальная энергия газов и жидкостей, потенциал которой необходимо снижать, перед последующей ступенью использования жидкостей, газов или выброса их в атмосферу.

Экономия топлива путем использования ВЭР в последние годы актуальная проблема. Источники теплоты ВЭР можно использовать в аммиачных преобразователях теплоты (АПТ) и в теплонасосных установках.

Промышленные потребители используют в настоящее время свыше 60% всего добываемого топлива и около 70% всей вырабатываемой электроэнергии /39/. Коэффициент полезного использования энергии в технологических процессах остается все еще невысоким и составляет лишь 35 - 40%. Достигнутая фактическая экономия топлива за счет теплоты ВЭР по отношению к возможной составляет 30 - 32%. Так в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности - 40%, в черной металлургии - 40%, в химической - 25%.

Эффективное направление утилизации теплоты ВЭР являлось производство холода для предприятий, технологические процессы которых требовали его при различных температурах охлаждения.

Промышленные предприятия потребляют огромное количество воды для охлаждения машин и рабочих тел в различных технологических процессах. Оборотня и повторно используемая в промышленности вода имеет круглый год температуру 20 - 40 ⁰С, практически не позволяющая использовать теплоту непосредственно, и охлаждается в градирнях или других испарительных охладителях, отдавая в атмосферу вместе с теплотой часть воды. При замене градирен испарителями ТНУ степень охлаждения воды, перепада температуры, при сохранении ее расхода должна оставаться в среднем около 10 ⁰С.

Например, тепловые электростанции, в том числе и АЭС, сбрасывают с охлаждающей водой 50 - 55% энергии топлива. Иногда решающим фактором в выборе площадки для строительства ТЭС (АЭС) оказывается наличие естественных водоемов, способных без особого ущерба воспринять бросовую теплоту.

Концентрацию тепловых потоков в системах оборотного водоснабжения можно оценить на примере одного из крупнейших автомобильных заводов. Общий объем оборотной воды составляет около 75 тыс. м^З/ч, организован в водоблоках по 10 - 12 тыс. м³/ч. Вода поступает на охлаждение с температурой 30 - 40 ⁰С круглогодично и охлаждается до 15 - 20 ⁰С. В целом по заводу в атмосферу сбрасывается 1300 МВт теплоты.

В последние годы отпуск теплоты на ТЭС РАО "ЕЭС России" составлял 600 - 650 млн. Гкал, а на районных котельных - около 50 млн Гкал в год. Выброс низкопотенциальной теплоты в системах охлаждения технической воды составлял 140 - 150 млн. Гкал, что эквивалентно 24 - 26 млн. т условного топлива. В системе АО "Мосэнерго" выбросы в системах охлаждения технической воды на ТЭЦ Москвы составляют 45 - 50 млн. Гкал в год, что равносильно потере 7,2 - 8 млн. т условного топлива в год.

Технически возможна утилизация до 45 % низкопотенциальной теплоты около 10 % от количества отпускаемой теплоты. В системе РАО "ЕЭС России" это эквивалентно замещению 10⁶ млн. т условного топлива. При этом может быть достигнуто замещение органического топлива в больших объемах, чем при децентрализованном теплоснабжении.

Следует отметить, что большинство предприятий химической, нефтехимической и других отраслей промышленности являются хладоемкими производствами и одновременно характеризуются наличием достаточно большого количества неиспользуемых ВЭР в виде пара, горячей воды, факельных сбросов, горячих газов и т.п. В рациональном и эффективном использовании ВЭР, нельзя забывать о том, что наряду с получением холода могут быть осуществлены также процессы трансформации теплоты с низкотемпературного уровня на более высокий и наоборот.

Большинство потребителей теплоты используют так называемую высокотемпературную теплоту. Температура теплоносителя в расчетный период составляет обычно не менее 95 ⁰С.

По сравнению с широко известными воздушными теплообменниками-утилизаторами теплонасосные установки позволяют обеспечить более глубокую и, что особенно важно, круглогодичную утилизацию тепла выходящего из здания воздуха, т.к. утилизация тепла в этом случае осуществляется теплоносителем с более низкой температурой. Отсюда наиболее часто применяемыми схемами ТН являются схемы “вода-воздух” и “воздух-воздух”.

По таким схемам ТН выпускают фирмы: “Carrier”, “Lennox”, “Вестингауз”, “Дженерал Электрик” (США), “Hitachi”, “Daikin” (Япония), “Sulzer” (Швейцария), “4КД” (Чехословакия), “Klimatechnik” (Германия).

В странах с более суровыми климатическими условиями целесообразно применять ТНУ двойного назначения, в которых в отопительный период теплоснабжение зданий осуществляется преимущественно от теплового насоса, 80 - 90% годового теплопотребления, а пиковые нагрузки, при низких температурах, покрываются электрокотлами или котлами на органическом топливе.

Потери энергии с охлаждающей водой и уходящими газами. Коэффициент полезного действия энергетических установок, сжигающих органическое топливо, составляет 40 - 50 %, остальное количество энергии топлива поступает в окружающую среду в виде потерь с уходящими газами и охлаждающей водой.

Суммарная мощность всех электростанций мира составила более 1,5 млрд. кВт. Таким образом, мощность тепловых потерь электростанций составляет до 0,7 млрд. кВт. Температура охлаждающей конденсаторы воды на выходе составляет 8 - 25 ⁰С. Использовать этот мощный низкопотенциальный источник можно только с помощью теплонасосных установок.

Промышленные выбросы тепловой энергии также значительны. Только промышленностью США сбрасывается ежегодно до 10¹⁹ Дж теплоты /38/ с температурой до 100 ⁰С, рис. 5.1. Они являются потенциальными источниками теплоты для промышленных тепловых насосов с хладагентами в качестве рабочего тела.

 

 

Рис.5.1. Распределение потоков сбросной

теплоты по температурам (США)

 

Вентиляционные выбросы. Вентиляционные выбросы имеют температуру от 20 до 80 - 100 ⁰С, в зависимости от вида вентилируемых объектов.

Некоторые вентиляционные выбросы бывают довольно загрязнены промышленными производствами. Однако, можно считать условно чистыми выбросы бытовой вентиляции с температурой 20 - 25 ⁰С.

Сточные воды промышленных предприятий и ЖКХ. Количество сточных вод с температурой 20 - 25 ⁰С составляет 75 - 90 % количества питьевой воды подаваемой на водоснабжение населенных пунктов. С помощью ТНУ можно понизить температуру этого источника до 10 ⁰С и получить соответствующее полезное количество теплоты.

Если ориентировочно принять, что в стране объем оборотного водоснабжения охлаждению подвергается только 75% воды, т.е. примерно 120 м^З/год и температурный перепад составляет 10 ⁰С, то организованный сброс низкопотенциальной теплоты промышленностью составит более 5 млрд. ГДж/год.

При современных требованиях к защите окружающей среды и промышленные, и коммунально-бытовые стоки перед сбросом в водоемы должны проходить сложную систему очистки на водоочистных сооружениях или в крупных городах на станциях аэрации. В Москве, например, несколько станций аэрации сбрасывают в Москву - реку более 5 млн м^З/сут. очищенной воды температурой 16 - 22 ⁰С; вместе с водой поступает и тепловой поток в 3 - 4 млн кВт. В Санкт-Петербурге, Самаре и других городах действуют станции аэрации.

Многие миллионы кубических метров воды сбрасываются в реки, заливы, водоемы вместе с теплотой, которую можно использовать в ТНУ и преобразовать низкопотенциальную теплоту в теплоту более высокой температуры, способную удовлетворить определенную часть потребностей и сократить расход топлива.

Для условий Англии и большинства стран Европы стоимость теплового насоса с любым источником тепла заметно выше, чем обычной центральной котельной. Чем большую долю покрывает тепловой насос в домашней тепловой нагрузке, тем выше разница в капиталовложениях, поэтому тепловые насосы, как правило, рассчитываются лишь на часть годовой тепловой нагрузки, а оставшуюся часть дает дополнительный нагреватель, чаше всего электрический в США и на органическом топливе в Европе.

Дополнительный нагрев требуется, когда температура окружающего воздуха упадет ниже нуля, при этом тепловые потери здания превосходят тепловую мощность насоса. Для повышения экономической эффективности системы включение дополнительного нагревателя, в данном случае электрического, рекомендуется только тогда, когда тепловой насос не может покрыть полную нагрузку.

Для решения вопроса о целесообразности применения теплового насоса необходимо принять во внимание:

совпадение по времени выхода сбросных тепловых потоков и потребления теплоты;

место выхода сбросных тепловых потоков и место потреблению теплоты;

фазу носителей сбросной теплоты (твердая, жидкая, газообразная);

расход сбросных потоков и потребной теплоты;

потенциал сбросной и потребной теплоты.

 

Контрольные вопросы

1. Виды ВЭР используемые в крупных ТНУ?

2. Какова температура ВЭР?

3. Утилизация теплоты в ТНУ?

4. Сбросная теплота, что это такое?

ГРУНТОВЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

 

Теплоту Земли можно разбить на два вида тепловой энергии – высокопотенциальную и низкопотенциальную. Источником высокопотенциальной тепловой энергии являются гидротермальные ресурсы – термальные воды, нагретые в результате геологических процессов до высокой температуры, что позволяет их использовать для теплоснабжения зданий. Использование высокопотенциальной теплоты Земли ограничено районами с определенными геологическими параметрами. Например, Камчатка, район Кавказских Минеральных Вод, в Европе источники высокопотенциальной теплоты разведаны в Венгрии, Франции и широко используются в Исландии.

В отличие от «прямого» использования высокопотенциальной теплоты, преобразование и использование низкопотенциальной теплоты грунта для теплоснабжения посредством тепловых насосов возможно практически повсеместно. В настоящее время это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Геотермальные тепловые насосы получили широкое распространение в США, Канаде и странах Европейского Сообщества.

С увеличением глубины температура грунта возрастает в соответствии с геотермическим градиентом примерно 3 ⁰C на каждые 100 м. Величина потока радиогенной теплоты, поступающей из земных недр, для разных местностей различается. Для Центральной Европы эта величина составляет 0,05 - 0,12 Вт/м² /44/. Если она не известна, то обычно принимается 0,1 Вт/м ². Поступление радиогенной теплоты из земных недр и солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, приводит к тому, что до глубин около 10 м температура грунта изменяется по сезонам года, а ниже остается постоянной и равной 8 - 9 ⁰C рис. 6.1.

Теплонасосное оборудование связывают с грунтовым массивом грунтовые теплообменники. Кроме «извлечения» теплоты Земли, грунтовые теплообменники могут использоваться и для накопления теплоты или холода в грунтовом массиве. При циркуляции по ним теплоносителя с температурой ниже температуры грунта, происходит «отбор» тепловой энергии от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса или, при использовании теплоносителя с повышенной относительно грунта температурой, его охлаждение. Выделяется два вида систем использования низкопотенциальной тепловой энергии грунта:

- открытые системы: в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам;

- замкнутые системы: теплообменники располагаются в грунтовом массиве.

 

Рис. 6.1. Изменение температуры грунта по глубине

Открытые системы

Основная часть открытых систем – скважины, позволяющие извлекать грунтовые воды из водоносных слоев и возвращать воду обратно в те же водоносные слои. Обычно для этого устраиваются парные скважины. Схема открытой системы использования низкопотенциальной тепловой энергии грунтовых вод приведена на рис. 6.2.

Открытые системы чаще используются для тепло- или холодоснабжения крупных зданий. Самая большая в мире геотермальная теплонасосная система использует в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии грунтовые воды. Эта система расположена в США в г. Луисвилль, штат Кентукки. Система используется для тепло- и холодоснабжения гостинично-офисного комплекса и ее мощность составляет около 10 МВт.

 

 

Рис. 6.2. Схема открытой системы

 

Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. Однако скважины требуют обслуживания. Кроме этого, использование таких систем возможно не во всех местностях. Главные требования к грунту и грунтовым водам таковы:

- достаточная водопроницаемость грунта, позволяющая пополняться запасам воды;

- хороший химический состав грунтовых вод (например, низкое содержание солей железа), позволяющий избежать проблем, связанных с образованием отложений на стенках труб и коррозией.

 

Замкнутые системы

Замкнутые системы подразделяются на системы с горизонтальными грунтовыми теплообменниками и вертикальными.

Горизонтальный грунтовой теплообменник размещается, как правило, рядом с домом на небольшой глубине, но ниже уровня промерзания грунта в зимнее время. Использование горизонтальных грунтовых теплообменников ограничено размерами имеющейся площадки.

В странах Западной и Центральной Европы горизонтальные грунтовые теплообменники обычно представляют собой отдельные трубы, диаметром около 25 мм, уложенные на постоянной глубине на площади в несколько сотен квадратных метров, размещенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно рис. 6.3 а, б. Для экономии площади участка были разработаны усовершенствованные типы теплообменников, например, теплообменники в форме спирали, расположенной горизонтально или вертикально рис. 8.3 д, е. Такая форма теплообменников распространена в США. С целью уменьшения капитальных затрат трубки располагаются как можно ближе к поверхности.

 

 

Рис. 6.3. Виды горизонтальных грунтовых теплообменников:

а - теплообменник из последовательно соединенных труб; б - теплообменник из параллельно соединенных труб; в - горизонтальный коллектор, уложенный в траншее; г - теплообменник в форме петли; д - теплообменник в форме спирали, расположенной горизонтально (так называемый «slinky» коллектор); е - теплообменник в форме спирали, расположенной вертикально

 

Если содержание воды в почве велико, показатели повышаются благодаря увеличению теплопроводности и хорошему контакту с трубками. Большая концентрация в почве гравия вызывает ухудшение характеристик.

Оптимальная глубина и шаг размещения трубок составляют соответственно 1,5 и 2 м. В некоторых случаях из-за взаимного влияния предел 2 м расширяется. Трубки можно размещать на меньшей глубине, но при этом производительность теплового насоса может снижаться на 5% на каждый градус понижения температуры испарителя.

 

Если система с горизонтальными теплообменниками используется только для получения теплоты, ее нормальное функционирование возможно только при условии достаточных теплопоступлений с поверхности земли за счет солнечной радиации. По этой причине поверхность выше теплообменников должна быть подвержена воздействию солнечных лучей

Вертикальные грунтовые теплообменники позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже «нейтральной зоны» 10 - 20 м от уровня земли. Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками не требуют участков большой площади и не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность. Вертикальные грунтовые теплообменники эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопроводностью, например, сухого песка или сухого гравия. Грунтовые теплообменники в вертикальных скважинах в последние 10 - 15 лет широко применяются в качестве низкотемпературного источника тепла для систем отопления и горячего водоснабжения с использованием тепловых насосов. Этот экологически чистый источник теплоты достаточно часто используется, например, в Швейцарии, где в настоящее время эксплуатируется около четырех тысяч таких установок.

 

Вертикальные скважины занимают меньшую площадь по сравнению с горизонтальными грунтовыми теплообменниками и позволяют кроме радиогенной теплоты использовать и теплоту, аккумулированную в грунте в летние месяцы, что дает им экономические преимущества. Исследования вертикальных U-образных трубок показали возможность значительного извлечения тепла. Если горизонтальный грунтовый теплообменник с площади 150 - 200 м² позволяет получить до 12 кВт тепловой энергии, то U-образные трубки, размещенные в скважинах диаметром 127 мм и глубиной 8 м, позволили получить по информации /22/ те же 12 кВт только из двух скважин. Таким образом, U-образные трубки снижают требуемую площадь поверхности грунта в 10 - 20 раз по сравнению с горизонтальными. Для оценочных расчетов можно использовать следующее соотношение – один погонный метр вертикальной скважины позволяет получить 50 - 60 Вт тепловой энергии

Исследования по использованию грунта как источника теплоты, проведённые в Европе, показали, что тепловой поток к трубам теплообменника из грунта составляет в среднем 20 - 25 Вт/м, минимальное значение для Европы составляет 10 Вт/м, максимальное 50 - 60 Вт/м /22/.

Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками могут использоваться для тепло- и холодоснабжения зданий различных размеров. Для небольшого здания достаточно одного теплообменника, в зависимости от региона; для больших зданий может потребоваться устройство целой группы скважин с вертикальными теплообменниками. Самое большое в мире число скважин используется в системе тепло- и холодоснабжения «Richard Stockton College» в США в штате Нью-Джерси. Вертикальные грунтовые теплообменники этого колледжа располагаются в 400 скважинах глубиной 130 м. В Европе наибольшее число скважин 154 скважины глубиной 70 м используются в системе тепло- и холодоснабжения центрального офиса Германской службы управления воздушным движением («Deutsche Flug-sicherung»).

Схема отопления и горячего водоснабжения одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником приведена на рис. 6.4.

Теплоноситель циркулирует по трубам (чаще всего полиэтиленовым или полипропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 м. Обычно используется два типа вертикальных грунтовых теплообменников рис. 6.5:

- U-образный теплообменник, представляющий собой две параллельные трубы, соединенные в нижней части. В одной скважине располагаются одна или две (реже три) пары таких труб. Преимуществом такой схемы является относительно низкая стоимость изготовления. Двойные U-образные теплообменники – наиболее широко используемый в Европе тип вертикальных грунтовых теплообменников;

- коаксиальный (концентрический) теплообменник. Простейший коаксиальный теплообменник представляет собой две трубы различного диаметра. Труба меньшего диаметра располагается внутри другой трубы. Коаксиальные теплообменники могут быть и более сложных конфигураций.

 

Рис. 6.4. Схема отопления и горячего водоснабжения одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником

Рис. 6.5. Сечение различных типов вертикальных грунтовых теплообменников /12/

 

Для увеличения эффективности теплообменников пространство между стенками скважины и трубами заполняется специальными теплопроводящими материалами.

Помимо варианта испарения в грунтовых теплообменниках непосредственно хладагента можно использовать промежуточный теплоноситель - рассол, циркулирующий по трубкам в грунте и отдающий теплоту хладагенту в специальном теплообменнике. Средняя температура рассола зимой составляет минус 3 ⁰С.

Если содержание воды в почве велико, показатели повышаются благодаря увеличению теплопроводности и хорошему контакту с трубками. Большая концентрация в почве гравия вызывает ухудшение характеристик.

Частным случаем вертикальных замкнутых систем является использование в качестве грунтовых теплообменников строительных конструкций, например фундаментных свай с замоноличенными трубопроводами. Сечение такой сваи с тремя контурами грунтового теплообменника приведено на рис. 6.6.

 

Рис. 6.6. Схема грунтовых теплообменников, замоноличенных в фундаментные сваи здания, и поперечное сечение такой сваи

Рис. 6.7. Схема скважины типа «standing column well»

 

Грунтовой массив (в случае вертикальных грунтовых теплообменников) и строительные конструкции с грунтовыми теплообменниками могут использоваться не только как источник, но и как естественный аккумулятор тепловой энергии или «холода», например теплоты солнечной радиации.

 

Иногда к системам, использующим теплоту земли, относят и системы использования низкопотенциальной теплоты открытых водоемов, естественных и искусственных. Такой подход принят, в частности, в США. Системы, использующие низкопотенциальную теплоту водоемов, относятся к открытым, как и системы, использующие низкопотенциальную теплоту грунтовых вод рис. 6.7.

Обычно скважины используются и для снабжения здания питьевой водой. Однако, такая система может работать эффективно только в грунтах, которые обеспечивают постоянную подпитку скважины водой, что предотвращает ее замерзание.

 

Величина коэффициента преобразования зависит от температуры высокопотенциального источника, а в итоге от принятой системы отопления. Значения коэффициента СОР (m), типичные для тепловых насосов класса «вода - вода» для различных типов систем табл. 6.1.

Таблица 6.1. Значения коэффициента СОР (m)

 

Тип отопительной системы и значения подающейся и отводимой температурные воды, 0C	СОР*
Системы традиционных радиаторов (60/50 0C)	2,5
Системы на основе излучающих полов (35/30 0C)	4,0
Вентиляционно-конвекторные системы (45/35 0C)	3,5
Тип отопительной системы и значения подающейся и отводимой температурные воды, 0C	СОР*
В случаях, когда температура воды, приходящей на испаритель, составляет 5 0C

 

Данные таблицы показывают, что наиболее эффективными при использовании тепловых насосов являются низкотемпературные системы отопления.