Солнечная энергетика в России Гелиоэнергетика. Использование солнечной энергии Геотермальная энергия Геотермальное теплоснабжение Мини-теплоэлектростанция на отходах

Низкопотенциальные источники тепла (НИТ)

Насосы тепла

Что такое тепловой насос? Сейчас для обогрева домов в сельской местности инженеры и ученые предлагают такие схемы. В землю закапывают трубы, и находящаяся в них жидкость, например вода или антифриз, получает ту же температуру, что и грунт. В земле на глубине метр-два всегда тепло, даже в сильные морозы там 6-8 °С тепла, а то и больше. От теплособирающих труб тепло передается фреону во втором контуре, и он испаряется. Установленный в доме компрессор сжимает газ, тот конденсируется в жидкость, а тепло конденсации служит для обогрева помещения. Потом эта жидкость испаряется за счет подземного тепла, и цикл повторяется.

Энергетика теплового насоса такова: на каждый джоуль электроэнергии, потраченной компрессором для сжатия фреона, отдается в 4-6, а то и в 10 раз больше тепла. Чем меньше перепад температур между землей и домом, тем больше переданная тепловая энергия. Откуда же она берется? Это энергия фазового перехода.

Как и любая другая жидкость, фреон при конденсации отдает столько тепла, сколько получает от земли для испарения. А насос и компрессор только покрывают потери в контуре и производят работу сжатия.

Тепло можно черпать отовсюду – из атмосферы, реки, моря, сточных вод. А вращать компрессор можно не только энергией электричества, годится любое высокотемпературное тепло, кипяток или острый пар.

Тепловые насосы уже во многих странах мира обогревают жилища в морозы и охлаждают в жару. В нашей стране про эти тепловые машины знают давно. Еще в 20-е годы ими занимался профессор Тимирязевской академии А. Михельсон, чье имя носит самая старая московская метеостанция.

Особенно большой вклад в теплонасосные исследования внесен в 50-х годах. Именно тогда были разработаны наивыгоднейшие схемы. В городе Волжском была даже построена первая станция, отбиравшая тепло вод, охлаждавших подпятники гидрогенераторов на ГЭС. Это тепло, умноженное в 4-5 раз, отдавалось в теплосеть. Вот чудеса, город энергетиков в те годы обходился без котельной.

Альтернативные системы теплоснабжения

с использованием тепловых насосов

В настоящее время поиск эффективных технологий использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) входит в круг интересов практически всех уровней властей. Использование энергии НВИЭ дает возможность экономить органическое топливо, снижать загрязнение окружающей среды, удовлетворять нужды потребителей, расположенных вдали от централизованных систем теплоснабжения, так и вблизи от них, снимая дефицит тепла при интенсивной застройке.

Один из реальных путей решения перечисленных задач – создание теплонасосных станций, предназначенных для отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования одновременно.

Тепловой насос (ТН) представляет собой устройство, позволяющее аккумулировать тепло низкопотенциальных источников тепла (НИТ), использующее эффект фазового перехода жидкостей в пар при низких температурах.

ТН состоит из испарителя, конденсатора, дросселирующего устройства, компрессора и привода компрессора. Как правило, привод компрессора – электродвигатель.

На рис. 7.1 приведена схема принципиального устройства парокомпрессионных ТН.

Рис. 7.1. Cхема принципиального устройства парокомпрессионных ТН

В испаритель поступает вода из низкопотенциального источника тепла (грунтовая, артезианская, речная, озерная, морская вода систем обратного водоснабжения и т. п.). За счет охлаждения этой воды в испарителе происходит процесс кипения хладона, пары которого поступают в компрессор, где происходит их сжатие с повышением температуры. Сжатые пары хладона затем конденсируются при высоких температурах и давлении, отдавая тепло воде системы отопления (+65 °С). Термодинамический цикл ТН завершается дроссилированием охлажденного жидкого хладона при помощи дроссельного клапана с последующим его возвратом в испаритель. Конструкция ТН исключает попадание фреона в водяные магистрали систем отопления, горячего водоснабжения и окружающую среду.

Эффективность работы ТН определяется соотношением полученной потребителем тепловой энергии к затраченной электрической и носит название коэффициент преобразования (КОП). Основными параметрами, определяющими величину КОП, являются температуры НИТ и системы отопления или горячего водоснабжения (ГВС). Так, при tнит=+8 °С и tотоп = +65 °С КОП = 3, т.е. на один киловатт затраченной электроэнергии потребитель получит 3 кВт тепла, т.е. две единицы тепла получены от НИТ.

Необходимо помнить, что при охлаждении воды на 1 °C выделяется 1.163 кВт тепла. В качестве НИТ могут использоваться: грунтовые воды, речная, морская вода, вода очистных сооружений, технологические воды промышленности, а также воздух и тепло земли непосредственно. При повышении температуры НИТ возрастает КОП.

Истинная же эффективность ТН заключается в том, что применение схемы теплоснабжения ТЭЦ (вырабатывающие электроэнергию и тепло) +ТН (получающий две единицы тепла от НИТ) позволяют государству сократить потребление первичного топлива (газ, мазут, уголь и т.д.) на 44 % соответственно снижается загрязнение окружающей среды.

Именно по этой причине общий объем продаж выпускаемых за рубежом ТН составляет 125 млрд долл. США, что превышает мировой объем продаж вооружения в три раза.

Сегодня ТН выпускаются с тепловой мощностью от 2 кВт до 200 мВт. Швеция, имеющая по сравнению с Нижегородской областью более суровые климатические условия, сегодня до 70 % тепла получают с помощью ТН.

Обычно положение дел в топливно-энергетическом комплексе связывают с электроэнергетической подсистемой. Однако по объему потребления энергетических ресурсов, по воздействию на окружающую среду подсистема теплоснабжения превосходит электроэнергетическую подсистему. Например, затраты топлива на нужды теплоснабжения в бывшем СССР в 1,7 раза превышали затраты на электроснабжение, а численность персонала, обслуживающего только малые котельные, превышало общее число работающих во всех других отраслях топливно-энергетического комплекса. Большинство традиционно применяемых котельных на твёрдом и жидком топливе имеют низкую энергетическую и особенно экологическую эффективность, необходимость в сложной и дорогостоящей транспортной инфраструктуре, обеспечивающей доставку энергоносителей, и характеризуются недостаточной надёжностью, являющейся причиной частых сбоев в теплоснабжении.

ТН, имеющие тепловую мощность до 50 кВт, работают полностью в автоматическом режиме.

ТН, имеющие тепловую мощность от 200 кВт до 1 МВт, требуют периодического контроля за состоянием механического крепежа и электроаппаратуры, и, как правило, достаточно иметь двух электриков-совместителей.

В Нижегородской области разработкой и производством ТН с 1996 г. занимается ЗАО «Научно-производственная фирма Тритон-ЛТД».

За прошедший период установлено несколько ТН различной мощности:

– ТН-24, тепловая мощность 24 кВт, отопление жилого дома площадью 200 м2. НИТ – грунтовые воды. Установлен в 1998 г. в селе Большие Орлы Борского р-на Нижегородской области. Имеется отзыв владельца дома.

– ТН-45, тепловая мощность 45 кВт, отопление комплекса административных зданий, складов и гаража, площадью более 1 200 м2 за счет НИТ от грунтовых вод. Установлен в 1997 г. Московском р-не, г. Нижний Новгород, владелец – ТОО «Символ».

– ТН-600, тепловая мощность 600 кВт. Отопление, ГВС гостиничного комплекса коттеджей, площадью более 7000 м2. – НИТ грунтовые воды. Установлен в 1996 г. в автозаводском р-не. Нижний Новгород. Владелец-ГАЗ. Отработал два отопительных сезона.

– ТН-139, тепловая мощность 139 кВт, отопление, ГВС производственного здания площадью более 960 м2, НИТ – грунтовые воды. Установлен в 1999 г. в Канавинском р-не, Нижний Новгород. Владелец – ГЖД.

– ТН-119, тепловая мощность 119 кВт, отопление, ГВС профилактория площадью более 770(м2), НИТ – грунтовые воды. Установлен в 1999 г., Борский р-н, Нижегородская область. Владелец – Центрэнергострой.

Находятся в производстве:

– ТН-300, тепловая мощность 300 кВт, отопление, ГВС школы площадью более 3 000(м2), НИТ – грунтовые воды. Ввод в эксплуатацию в 1999 г., Автозаводский р-н. Нижний Новгород. Владелец – департамент образования администрации района. Система готова к эксплуатации.

– ТН-360, тепловая мощность 360 кВт, отопление, ГВС базы отдыха площадью более 4 000 (м2), НИТ – грунтовые воды. Ввод в эксплуатацию в 1999 г., Дальнеконстантиновский р-н, Нижегородская область. Владелец – «Гидромаш».

– ТН-3500, тепловая мощность 3 500 кВт, отопление, ГВС, вентиляция административно-бытового здания нового депо площадью более 15 000 м2, НИТ – обратная вода, системы теплоснабжения Сормовской ТЭЦ. Ввод в эксплуатацию в 2000 г., Канавинский р-н, Нижний Новгород. Владелец – ГЖД.

Два ТН тепловой мощностью 360 и 200 кВт, для Пензенской области, 2 Гкал – для Туапсе. В заключение приведем один из отзывов потребителя.

Отзыв ООО «Символ» на работу теплового насоса

ЗАО НПФ «Тритон-ЛТД»

Наше предприятие использовало в системе отопления шесть электрокотлов общей тепловой мощностью 48 кВт∙ч. Теплопотери всех помещений здания объемом 2 330 м3 (площадь служебных помещений – 220 м2. площадь гаража – 185 м2) составляли, по нашим расчетам, 46,5 кВт∙ч.

По договору от 10 июня 1997 г. ЗАО НПФ “Тритон-ЛТД” был разработан, изготовлен и установлен тепловой насос для теплоснабжения здания мощностью 45 кВт∙ч

Тепловой насос включен в работу в декабре 1997 г.

Система отопления работает по графику: 60-50 0С.

Контроль за работой теплового насоса осуществляется периодически – раз в два часа дежурным персоналом нашего предприятия. Температура воды в теплосети поддерживается автоматически с помощью инвертора, который в зависимости от температуры наружного воздуха изменяет число оборотов компрессора теплового насоса.

Температура в служебных помещениях поддерживается от 18 до 22 0С.

Температура в гараже поддерживается от 8 до 15 0С.

Температура воды в подающей трубе 58 0С.

Температура воды в обратной трубе 48-50 0С

Средний расход электроэнергии 16 кВт∙ч.

Общий расход электроэнергии на тепловой насос за 1 месяц составил 9138 кВт, что в 3,3 раза меньше затрат при использовании электрокотлов.

Контрольные вопросы к главе 7

Как вы понимаете низкопотенциальные источники тепла (НИТ)?

Кратко объясните работу теплового насоса.

Конструкция теплового насоса.

Эксплуатируются ли тепловые насосы в вашем регионе?

Какая страна лидирует по изготовлению и эксплуатации тепловых насосов?


Использование водной энергии земли