Эффективность применения тепловых насосов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Лунева С.К.
Рассмотрены вопросы применения тепловых насосов для решения вопросов энергосбережения .
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Лунева С.К.
Использование возобновляемых источников энергии Калининградской области: современное состояние и перспективы
EFFICIENCY OF HEAT PUMPS
The problems of heat pumps to address energy conservation .
Текст научной работы на тему «Эффективность применения тепловых насосов»
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ
Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21
Рассмотрены вопросы применения тепловых насосов для решения вопросов энергосбережения.
Ключевые слова: энергоэффективность; энергосбережение; теплоснабжение; тепловые насосы
EFFICIENCY OF HEAT PUMPS
St. Petersburg State University of Economics (SPbGEU), 191023, St. Petersburg, street Sadovaya, 21 The problems of heat pumps to address energy conservation. Keywords: energy efficiency; energy conservation; heating; heat pumps
Вопросы энергоресурсосбережения и экономного использования топлива, воды и энергии являются одними из актуальных и приоритетных проблем развития современной России, поэтому необходимо проведение рациональной политики энергопользования, в основе которой энергоресурсосберегающее хозяйствование во всех отраслях народного хозяйства.
В соответствии с Федеральным законом от 23.11.2009 N 261-ФЗ (ред. от 02.07.2013) «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и приказом № 61 «Об утверждении примерного перечня мероприятий в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности» необходимо активно проводить мероприятия по увеличению использования в качестве источников энергии вторичных энергетических ресурсов и (или) возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В частности предлагается:
1. Увеличить производство электроэнергии, используя возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, а также их комбинацию; содействовать строительству малых гидроэлектростанций, а также геотермальных источников энергии в местах возможного их использования.
2. Устанавливать тепловые насосы и обустраивать теплонасосные станции для отопления и горячего водоснабжения жилых домов и
производственных объектов тепловой энергией, накапливаемой приповерхностным грунтом и атмосферным воздухом или вторично используемым, а также использовать тепловые насосы для оптимизации установленной мощности тепловых электростанций и котельных.
Потенциал вторичных энергетических ресурсов и возобновляемых источников энергии до середины текущего столетия сможет покрыть около 50% мировой потребности в энергетических ресурсах. В настоящее время за счет возобновляемых источников энергии удовлетворяется лишь около 4% спроса. Только в одной Германии, в которой активно продвигается политика использования возобновляемых источников энергии, потенциал составляет 8 700 ПДж в год, что соответствует 60% сегодняшнего уровня потребления первичных энергоресур-сов.Технический потенциал производства электрической энергии с использованием ВИЭ составляет, по оценкам Федерального министерства окружающей среды, охраны природы и безопасности ядерных реакторов, 525 ТВт.ч в год, что соответствует современному общему валовому объему производства электрической энергии в Германии. В настоящее время он используется примерно на 5%. В случае полного использования в Германии потенциала ВИЭ, экономия может составить приблизительно 3 600 ПДж ископаемых энергоресурсов, что составляет приблизительно 70% энергии, получаемой конечным потребителем.
Тепловые насосы (ТН), как технология, которая будет способствовать уменьшению использования органического топлива путем замещения первичной энергии вторичными энергетическими ресурсами, является одним из перспективных направлений развития современной энергетики и находится в центре внимания зарубежных и отечественных исследователей. В странах Европы и Америки ТН используются более 30 лет для теплоснабжения жилых и офисных зданий, а также различных помещений. Крупнейшие энергетические компании занимаются проектированием, изготовлением и внедрением ТН. Международное Энергетиче-
ское Агентство (МЭА, латинская аббревиатура 1ЕА), в которое ассоциированными членами входят 28 энергетически развитых стран и целью деятельности которого является обеспечение энергетической безопасности и поиск улучшения экологической ситуации, становится главным координатором политики внедрения ТН.
Опыт зарубежных стран со сходными климатическими условиями, такими как Швеция, Финляндия, Германия и т.д доказывает целесообразность применения ТН в условиях Северо-Западного региона нашей страны для различных нужд (рис. 1).
Рисунок 1 -Областиприменения тепловых насосов
При проектировании и реконструкции современных систем теплоснабжения необходимо учитывать возможность использования технологии тепловых насосов.
В Японии и США при получении разрешений на строительство общественных зданий обязательным условием является использование ВИЭ, в частности теплонасосных систем. Применение ТН в комплексе с традиционной системой теплоснабжения для систем отопления, кондиционирования и вентиляции крупных объектов обеспечивает полную автономность зон регулирования и существенную экономию топливно-энергетических ресурсов
даже при использовании традиционных источников энергии. Система состоит из замкнутого контура теплоносителя, температура в котором поддерживается с помощью геотермального котла (или же с помощью ТЭЦ, котельной, бойлера, солнечных водонагревателей), а температурный режим в каждой зоне обеспечивается с помощью тепловых насосов. Такими системами оборудованы практически все многоэтажные здания в Японии; в США.
Применение ТН в России расширяется, и будет расширяться, для этого существует огромный потенциал, поэтому все научные исследования в этой области перспективны. На
Эффективность применения тепловых насосов
рынке услуг достаточно успешно работают несколько компаний, которые доказали эффективность применения и использования ТН в условиях Северо-западного региона, в частности Ленинградской области.
Специалисты компании ТМЕпе^у разработали более 30-ти готовых к реализации энергоэффективных решений для автономного и безопасного отопления лагерей, санаторно-профилактических корпусов и пансионатов, а также отдельно стоящих павильонов почтовых служб, автозаправочных станций для условий Ленинградской области. В 2014 г. был разработан новый проект — модернизациядизельных котельных с применением тепловых насосов Dimplex, в котором дизельный котел выполняет роль вспомогательного оборудования в бивалентном режиме. Данное решение предназначено для использования на объектах с уже имеющейся и функционирующей системой отопления, что позволяет значительно сократить расходы на реконструкцию существующей системы теплоснабжения. Проект модернизации дизельных котельных уже нашел широкое применение для объектов муниципальных предприятий, таких как школы, детские сады, медицинские корпуса и т.д., а также для загородных домов и коттеджей. Совместно с Центром энергосбережения и повышения энергетической эффективности Ленинградской области проводятся работы по модернизации отопительной системы детских оздоровительно-образовательных центров Северо-Западного федерального округа, направленных на снижение энергопотребления центрами и повышения надежности и эффективности систем отопления.
Одним из преимуществ ТН является то, что он может работать в режимах отопления и кондиционирования и эти технологии успешно можно использовать при проектировании современных аквапарков. Закрытый аквапарк -это сложное гидротехническое сооружение с искусственным климатом, которое предназначается для оздоровления и отдыха всех возрастных категорий людей. При проектировании и строительстве аквапарка решаются проблемы оптимизации стоимостных показателей всех частей проекта, определяется уровень рентабельности проекта. Решая основную задачу оптимизации стоимостных показателей проекта, перед проектировщиком возникает многокритериальная проблема, и главная ее составляющая лежит в подходе к созданию теплового контура здания аквапарка. С водной поверхности бассейнов круглосуточно происходит интенсивное испарение, при средней температуре воды 26 0С, температуре воздуха 270С и относительной влажности 60%, с каждого 1 м2зеркала бассейнов выделяется 230г воды/ час.
В результате создаются неблагоприятные микроклиматические условия, и происходит конденсация паров воды на относительно холодных ограждающих конструкциях. Это приводит к запотеванию окон, намоканию стен, разрушению внутренней отделки помещений, образованию плесени, коррозии. Особенно опасной является коррозия арматуры железобетонных конструкций, а также образование трещин в кирпичной кладке и шлакобетонной кладке при замерзании влаги, проникающей под действием конденсации в толщу наружных ограждений. Происходит полное или частичное разрушение здания и его конструкций, а также непригодность к дальнейшей эксплуатации. Одной из важной задач является осушение воздуха внутри влажной зоны аквапарка. Наиболее экономичным и эффективным способом борьбы с избыточной влажностью является так называемый конденсационный. Для акваторий общей площадью более 2000м2 воздуха должны применяться установки центрального кондиционера большой производительности, около 100 000 м3/ч. В составе установки имеются теплообменники диагонального типа (рекуператор) и работающий в реверсивном режиме тепловой насос. Конструктивно тепловой насос позволяет менять режим работы с зимнего на летний и наоборот. При такой производительности желательно добиться коэффициента энергетической эффективности с показателем 4:1, т. е. на каждый кВт потребляемой энергии отдаваемая мощность должна составлять 4 кВт. Учитывая, что аквапарки представляют собой объекты высшей категории энергетической насыщенности, указанные показатели эффективности, приводящие к 4-х кратному снижению соответствующих эксплуатационных затрат, дают весьма ощутимую годовую экономию со сроком окупаемости необходимых капитальных вложений в несколько лет.
В каждом проекте на основании технико-экономических показателей принимается решение о целесообразности использования ТН для конкретных условий и источника низкопотенциального тепла. Борьба за рынок приводит к непрерывному совершенствованию эксплуатационных характеристик ТН, повышению их надежности и долговечности.
Основным показателем эффективности теплового насоса (ТН) является коэффициент преобразования или отопительный коэффициент СОР (coefficient of performance), который определяется как отношение теплопроизводи-тельности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором. Совершенствование ТН характеризуется улучшением
эффективности преобразования энергии, повышением температуры генерируемого теплоносителя, увеличением единичной
мощности агрегата, снижением
капиталовложений в ТН. Эффективность преобразования энергии считается
определяющей характеристикой его
энергетическим агетством была проведена оценка 30 популярных в Европе моделей геотермальных насосов( табл.1, рис.2). Основным критерием эффективности ТН была оценка согласно европейским стандартам £N14511 и БК 255.
VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2016
Можно ли сэкономить на отоплении? Вопрос волнует многих, особенно с учетом постоянного роста тарифов на энергоносители. Более 30 лет назад была предложена альтернатива – извлекать энергию из окружающей среды. Разработанная схема получила название – тепловые насосы для отопления дома. Для нас это в новинку, но опыт Европы и Японии доказывает эффективность.
При отсутствии подвода газа в современных коттеджных и дачных посёлках для отопления домов в большинстве случаев стараются использовать электричество. Несомненно, это удобно, однако дорого. Для отапливания дома электричеством требуется значительная выделенная мощность, и кроме этого, потребление электроэнергии для выработки тепла велико, что может вызвать отключение электричества и перегрузку локальных сетей. Кондиционирование дома также в большинстве случаев осуществляется с помощью электроэнергии. В результате всего вышеперечисленного затраты на отопление, горячее водоснабжение (ГВС), вентиляцию дома, кондиционирование достигают немалых сумм.
Решением проблемы можно смело назвать тепловой насос. Принцип его работы – «холодильник наоборот». Он работает на электрической энергии. Выдаваемая общая тепловая мощность насоса в 3-5 раз превосходит затрачиваемую электрическую мощность.
Целью данного исследования являетсявыбор оптимального типа теплового насоса исходя из климатических условий различных городов Российской Федерации.
Тепловые насосы могут быть актуальны в том случае если ваш дом не газифицирован, и электроэнергия подается к вам без перебоев. А также, если можно использовать ночной режим оплаты за электричество, и основное отопление производить ночью.
Для выполнения данной цели необходимо выполнить ряд задач:
Разобраться в принципе действия теплового насоса.
Найти преимущества и недостатки тепловых насосов.
Выбрать определенное количество городов России для исследования температуры воздуха и глубины промерзания грунта.
Составить необходимые таблицы с данными о промерзании грунта и о температуре в выбранных городах с обеспеченностью 0.92.
Узнать о разновидностях тепловых установок.
Провести обзор производителей тепловых установок.
Сделать выводы об актуальности тепловых насосов в различных городах Российской Федерации.
Принцип действия теплового насоса
Применение тепловых насосов для отопления любого объекта, как частного дома, так и промышленного здания экономически выгодно. На сегодняшний день использование тепловых насосов в нашей стране не так популярно, как например в Европе. Там уже большинство предприятий и владельцев частных домов в полной мере оценили преимущество тепловых насосов для отопления и горячего водоснабжения. Ведь экономия денежных затрат на тепло уменьшается в разы.
Тепловой насос — это компактный аппарат, использующий тепло земли, воды или воздуха и обеспечивающий автономное отопление и/или горячее водоснабжение. Данные системы экологически чисты, так как работают без сжигания топлива и не производят вредных выбросов в атмосферу, а также чрезвычайно экономичны, поскольку при подводе к тепловому насосу, например, 1 кВт электроэнергии, в зависимости от режима работы и условий эксплуатации, производит до 3- 6 кВт тепловой энергии.
Принцип работы теплового насоса базируется на «эксплуатации» естественных низкопотенциальных источников тепла из окружающей среды.
просто наружный воздух;
тепло водоемов (озер, морей, рек);
тепло грунта, грунтовых вод (термальных и артезианских).
Тепловой насос интегрирован в систему отопления, которая состоит из 2-х контуров + третий контур — система самого насоса. По внешнему контуру циркулирует незамерзающий теплоноситель, который забирает на себя тепло из окружающего пространства.
Попадая в испаритель, теплоноситель отдает в среднем от 4 до 7 °C хладагенту теплового насоса. А его температура кипения составляет -10 °C. Вследствие этого хладагент закипает с последующим переходом в газообразное состояние. Теплоноситель внешнего контура, уже охлажденный уходит на следующий «виток» по системе для набора температуры.
«Закипевший» в испарителе хладагент по трубопроводу поступает в компрессор, работающих от электроэнергии. Этот «трудяга» сжимает газообразный хладагент до высокого давления, что, соответственно, приводит к повышению его температуры.
Теперь уже горячий газ далее попадает в другой теплообменник, который называется конденсатором. Здесь тепло хладагента передается теплоносителю, который циркулирует по внутреннему контуру системы отопления.
Хладагент остывает, одновременно переходя в состояние жидкости. Затем он проходит через капиллярный редукционный клапан, где «теряет» давление и вновь попадает в испаритель.Цикл замкнулся и готов к повтору!
Преимущества и недостатки тепловых насосов:
Экономичная эффективность. Принцип работы теплового насоса базируется не на производстве, а на переносе (транспортировке) тепловой энергии, то можно утверждать, что его КПД больше единицы.
Универсальная повсеместность применения. Даже при отсутствии доступных линий электропередач работа компрессора теплового насоса может быть обеспечена дизельным приводом.
Экологическая чистота использования. В тепловом насосе отсутствуют продукты горения, а его малое энергопотребление меньше «эксплуатирует» электростанции, косвенно снижая вредные выбросы от них. Хладагент, используемый в тепловых насосах, озонобезопасен и не содержит хлоруглеродов.
Двунаправленный режим работы. Тепловой насос может в зимнее время обогревать помещение, а в летнее — охлаждать.
Полная автоматизация процесса отопления помещения.
Рисунок 1. Схема работы теплового насоса.
Наибольшую популярность тепловые насосы обретают у частных клиентов, которые хотят иметь в своем доме комфортную температуру в любое время года. Зимой тепловой насос применяется для отопления, а летом охлаждает Ваш дом. И круглый год снабжает Вас горячей водой. Наибольшая эффективность достигается за счет использования теплых полов в системе отопления с применением теплового насоса и независеть от сторонних энергоносителей (например газ). Тепловой насос устанавливается от нескольких дней до 1 месяца и не требует никаких согласований. Стоимости отопления дома тепловым насосом сопоставима со стоимостью отопления магистральным газом, По потребляемому электричеству представьте, что дом в 100 м 2 потребляет на отопление от 1,5 до 2 квт, что меньше, чем потребление электрическим чайником имеющимся в любой квартире. Если бы Вы отапливали этот же дом в 100м 2 электрическими обогревателями или электрическим котлом, тоВам потребовалось бы примерно 10 КВТ.
В исследовательской части нашей работы сначала выбираем определенное количество городов России для исследования температуры воздуха и глубины промерзания грунта. Города берутся из разных природных и климатических зон. Далее изучаю таблицы с данными о температуре в выбранных городах с обеспеченностью 0.92. Проведя обзор производителей тепловых установок, я могу сделать выводы об эффективности тепловых насосов в различных зонах Российской Федерации. На основе тех данных, что я получила в ходе своей исследовательской работы, я могу выбрать оптимальный тип тепловых насосов для городов Российской Федерации.
Взяли 10 городов: Якутск, Красноярск, Тюмень, Харабровск, Н.Новгород, Пермь, Саратов, Ростов-на-Дону, Краснодар, Махачкала. Все города взяты из разных природных и климатических зон для того, чтобы проследить рентабельность тепловых наосов на территории РФ.
Разновидности тепловых насосов.
По типу используемого вида рассеянного тепла различают тепловые насосы:
грунт-вода (используют закрытые грунтовые контуры или глубокие геотермальные зонды и водяную систему отопления помещения);
вода-вода (используют открытые скважины для забора и сброса грунтовых вод — внешний контур не закольцованный, внутренняя система отопления — водяная);
вода-воздух (использование внешних водяных контуров и системы отопления воздушного типа);
тепловой насос воздух-воздух (использование рассеянного тепла внешних воздушных масс в комплекте с воздушной системой отопления дома).
Таблица 1- Температура воздуха[1]
Температура воздуха °C
Наиболее холодные сутки, обеспеченностью:
Наиболее холодная пятидневка, обеспеченностью:
Из Таблицы 1 нам понадобится только температура воздуха с обеспеченностью 0.92, потому что температура воздуха с обеспеченностью 0.98 походит только для уникальных зданий и сооружений.
Таблица 2- Глубина промерзания грунта
Глубина промерзания грунта, м
Суглинки и глины
На основе это таблицы, мы можем определить, на какой глубине будет расположен внешний контур тепловой установки. Он всегда находится на глубине ниже промерзания грунта.
Обзор производителей тепловых установок.
От каждого популярного производителя тепловых насосов в рейтинге рассматривалось ограниченное количество топовых моделей. При этом основным критерием оценки выступила эффективность теплового насоса согласно современным европейским стандартам EN14511 и EN255.
Коэффициент полезного действия лидеров составляет 5,1 — это максимальное значение в рейтинге.
Таблица 3 — Десятка лидеров производителей тепловых насосов
Vitocal 300-G BW 106
В каждом конкретном городе России требуется знать значения градусо-суток отопительного периода. Градусо-сутки отопительного периода (ГСОП) — условная единица измерения суровости климатических условий, в виде повышения среднесуточной температуры над заданным минимумом («базовой температурой»). Градусо-сутки отопительного периода — это показатель, равный произведению разности температуры внутреннего воздуха и средней температуры наружного воздуха за отопительный период на продолжительность отопительного периода. Показатель градусо-суток отопительного периода соотносится с нормируемым расходом топлива (энергии) для поддержания заданной температуры в жилых помещениях.
Градусо-сутки отопительного периода (ГСОП) следует определять по формуле:
где:tв — расчетная температура внутреннего воздуха, °C (согласно [2] и нормам проектирования соответствующих зданий и сооружений); tот.пер. — средняя температура периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8°C
zот.пер. — продолжительность периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8°C, Сут [1].
При расчете ограждающих конструкций жилых зданий следует принимать : температуру внутреннего воздуха 18 °C в районах с температурой наиболее холодной пятидневки [1] выше -31°C и 20°C при -31°C и ниже; относительную влажность воздуха равной 55 %.
Таблица 3 — Градусо-сутки отопительного периода
Касательно географических особенностей установки насосов, на юге Европейской части России выгоднее использовать «воздушные» теплонасосы, так называемые «Сплиты», а в районах, где зимняя температура часто имеет значение ниже -10°С, целесообразнее ставить «грунтовые» теплонасосы. При имеющемся проточном незамерзающем водоеме или теплых канализационных стоках рационально применять «водяные» насосы.
Результатом установки теплового насоса будет полное покрытие потребности здания в ГВС и тепле; обеспечение пассивного кондиционирования, с одновременным выполнением функций энергосберегающего вентиляционного комплекса. Затраты электричества, в сравнении с другими обычными системами отопления/кондиционирования, уменьшатся как минимум в два раза. Тепловой насос выступает незаменимой системой отопления в условиях ограничения электромощности.
Исходя из проделанной работы можно сказать, что в большинстве исследуемых городов подойдут геотермальные тепловые насосы. Тепловой насос с грунтовым коллектором можно применять только в случае, если температура грунта на уровне прокладки коллектора не опускается ниже 0°С (то есть нет перехода грунта в мерзлое состояние (промерзание)), даже в зимний период времени. Так в 6 городах (Н.Новгород, Пермь, Саратов, Ростов-на-Дону, Краснодар, Махачкала) из 10 проанализированных есть возможность прокладывать горизонтальный грунтовый теплообменник на глубине 1,6 м, так как глубина промерзания почв расположена выше этой величины.
Россия – территория с наибольшим распространением вечной мерзлоты. В зоне многолетнемерзлых грунтов находится более 60% территории страны; в основном это территория Средней и Восточной Сибирии северной части Дальнего Востока.
Город Якутск расположен в районе вечной мерзлоты, грунт промерзает на достаточно большую глубину, что делает невозможным использование тепловой системы с горизонтальным коллектором в районах с вечной мерзлой и, вчастности, в Якутске. Читинская область имеет часть территории в районе вечной мерзлоты, где глубина промерзания почвы превышает 3,2 метра, что делает также нецелесообразным применение установки с горизонтальным коллектором в Читинской области в качестве источника теплоты для обогрева помещении.
Тепловые установки имеют широкий спектр применения. Они способны применяться практически в любой сфере, как для частного клиента, так и для корпораций. В любом случае на сегодняшний день тепловой насос — это самый экономичный способ отопления. Более того пожаробезопасный и экологически безвредный для окружающей среды, в отличие от газовых, дизельных и твердотопливных котлов.
В будущем большинство стран будут продолжаться оставаться сетью энергетических импортеров подвергаясь сопутствующим рискам безопасности. В сложившейся ситуации тепловые насосы могли бы содействовать уменьшению этих рисков через использование электричества как универсального транспортировщика многотопливной энергии. Таким образом, конечные потребители будут менее зависимы от одного особенного источника топлива, так как электричество может быть произведено из широкого спектра различных ископаемых и возобновляемых источников энергии.
Более широкое использование также понизит выбросы углекислого газа, так как тепловые насосы более эффективные, чем прямое использование ископаемого топлива для тех же целей.
Теплонасосные технологии, конечно, имеют многообещающее, блестящее будущее в свете объявленного мирового энергетического кризиса.
Список литературы
СП 131.13330.2012 Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*. Утвержден Приказом Министерства регионального развития Российской Федерации (Минрегион России) от 30 июня 2012 г. N 275 и введен в действие с 1 января 2013 г. ФГБУ «Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук» (НИИСФ РААСН) – 386 с.
Анализ энергоэффективности тепловых насосов в системах теплоснабжения по территориально-климатическому признаку
Полякова, В. Ю. Анализ энергоэффективности тепловых насосов в системах теплоснабжения по территориально-климатическому признаку / В. Ю. Полякова, Т. О. Калинина, К. В. Кичин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 27 (131). — С. 142-146. — URL: https://moluch.ru/archive/131/36474/ (дата обращения: 05.07.2022).
Ключевые слова: энергоэффективность, тепловой насос, источник низкопотенциальной тепловой энергии
Энергосбережение считается сегодня одним из наиболее актуальных направлений развития России в связи с вступлением в силу Федерального закона № 261 от 23 ноября 2009 года «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации.
В соответствии со статьей 14 261-ФЗ и пунктом 68 Плана мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в Российской Федерации, направленных на реализацию Федерального закона № 261-ФЗ, Министерство экономического развития 17 февраля 2010 года утвердило Перечень мероприятий в области энергосбережения. В этом перечне озвучены мероприятия по увеличению использования в качестве источников энергии вторичных энергетических ресурсов и возобновляемые источники энергии.
На сегодняшний день широко известны способы экономии энергии, при которых в качестве источника тепла используют низкопотенциальную теплоту. Основным элементом таких систем являются тепловые насосные установки (ТНУ).
Тепловыми насосами (ТН) называют установки, предназначенные для повышения потенциала теплоты с низкого температурного уровня на более высокий на основе обратного термодинамического цикла за счет расхода электрической или другой высокопотенциальной энергии. Тепловой насос и вспомогательные оборудование, такое как гидравлические машины, трубопроводы для подвода и отвода теплоносителей, системы энергопитания, контроля и регулирования, составляют теплонасосную установку (ТНУ) [10, с. 103].
Источниками низкопотенциальной тепловой энергии могут быть грунтовые и артезианские воды, озера, моря, тепло грунта, вторичные энергетические ресурсы — сбросы, сточные воды, вентиляционные выбросы и т. п. Затрачивая 1 кВт электрической мощности в приводе компрессионной теплонасосной установки (ТНУ), можно получить 3–4, а при определенных условиях и до 5–6 кВт тепловой мощности. Таким образом, существуют большие потенциальные возможности использования энергии вокруг нас, и тепловой насос представляется наиболее удачным путем реализации этого потенциала.
ТНУ представляют собой бурно развивающийся сегмент мирового рынка. Приблизительно в мире сегодня эксплуатируются по некоторым данным более 130 млн. тепловых насосов. За рубежом активному внедрению тепловых насосов способствует Международное Энергетическое Агентство (IEA), которое предусматривает установку 3,5 миллиардов тепловых насосов в коммунальном хозяйстве к 2050 г. Более того, IEA прогнозирует, что к 2050 году более половины систем отопления зданий будут снабжены аккумуляторами тепловой энергии на основе тепловых насосов [1].
Европейская ассоциация по тепловым насосам (The European Heat Pump Association, EHPA)* представила данные по продажам теплонасосного оборудования в 2015 г., в рамках ежегодного отчета (рис. 1).
Рис. 1. Статистика продаж тепловых насосов в Европе в 2005-2015 гг.
В результате за 2015 год зафиксирован рекорд по продажам, который составил 880179 единиц оборудования. Если с точки зрения роста рынка были и лучшие времена (2005–2007 гг.), то в абсолютных цифрах за 2015г. поставлен рекорд по продажам тепловых насосов [2].
В настоящее время тепловые насосы активно используются в Европе, Японии и Америке. Широкому распространению ТНУ во многих странах способствуют рост цен на энергию, а также законодательство по энергоэффективности, экологическое законодательство, требования по снижению выбросов парниковых газов. Но главным является то, что рынки ТНУ за рубежом формируются при поддержке государства. Компании, предлагающие экологически чистые установки, пользуются налоговыми льготами, а домовладельцы, приобретающие такое оборудование, получают дотации, субсидии, льготные кредиты.
Опыт использования тепловых насосов в России пока мал, однако стимул для их внедрения есть. Во-первых, потому что с ростом цен на топливо и электроэнергию и повышением экологических требований возрастает целесообразность их использования. Во-вторых, в нашей стране активно развивается малоэтажное строительство, его доля в общем объеме сдаваемого жилья в последние годы находится на уровне 40–47 % и имеет тенденцию к росту. В 2009 г. на нужды отопления и горячего водоснабжения (ГВС) малоэтажной застройки было израсходовано топливо в размере 52 млн т у. т. [9].
Одна из причин непопулярности ТНУ в России это суровые климатические условия в большей части страны. Как известно, эффективность применения тепловых насосов напрямую связано с температурным режимом региона (потенциал грунта как источника низкопотенциальной тепловой энергии для южных регионов существенно выше, чем для северных). Например, температура грунта на глубине 50–100 м в условиях г. Пятигорска составляет 15–16ºС, для г. Москвы 10–11 ºС, а для г. Архангельска 4–5 ºС. Чем выше температура грунта, тем выше коэффициент трансформации, тем меньше электроэнергии тратит тепловой насос на выработку одного и того же количества тепла [9]. Таким образом, в регионах с суровым климатом ТНУ может быть неэффективен.
Самым потребляемым топливом в России является природный газ. Но уровень газификации недостаточен и равен 55,4 % по всей стране на 2014 год [3], хотя Россия является одним из крупнейших поставщиков газа. В таких условиях тепловой насос может стать заменой традиционных источников тепловой энергии, а именно газовых, жидкостных твердотопливных котлов и прямого электрического отопления.
Установка теплонасосного оборудования требует высокие начальные удельные капитальные вложения. Рынок теплонасосной техники в России только формируется. В основном, представлены тепловые насосы зарубежного производства, и они достаточно дороги. Кроме стоимости основного оборудования, его монтажа и наладки, для наиболее распространенных в области теплоснабжения грунтовых ТНУ требуются буровые работы на глубине 50–100 м, которые также являются дорогостоящими. Более экономичным решением являются ТНУ с горизонтальным коллектором. Однако для размещения горизонтального коллектора необходим свободный земельный участок значительной площади, который в дальнейшем выбывает из хозяйственного оборота: на нем нельзя возводить постройки, сажать деревья и кустарники, так как раскладка такого коллектора осуществляется на глубине от 1 до 3 м (в зависимости от географической местности и типа грунта). В настоящее время в системах индивидуального теплоснабжения более широкое распространение получают ТНУ с вертикальным зондом. Так, для условий центральных регионов только стоимость работ по бурению скважины оценивается в 1800–3000 руб. (в зависимости от геологических характеристик площадки) за погонный метр.
Из-за того, что удельные капиталовложения в ТНУ существенно выше, чем для альтернативных нагревателей, тепловой насос устанавливают лишь на часть расчетной отопительной нагрузки с покрытием пиковой тепловой нагрузки от более дешевого нагревателя. Определение доли теплового насоса в покрытии общей тепловой нагрузки потребителя — это оптимизационная задача, которая решается в каждом конкретном случае индивидуально. Ее результат зависит от схемы теплоснабжения дома, плотности графика продолжительности стояния температур наружного воздуха в регионе, соотношения стоимости теплового насоса и пикового нагревателя, стоимости электроэнергии в регионе. Расчеты показывают, что комплект ТНУ с подключением и бурением скважины стоит дороже, чем установка газового или электрического котла. В целом, установка системы с ТНУ дороже теплоснабжения от котла в 2,4–2,8 раз [9], но после периода окупаемости, ТНУ может обеспечить наименьшие затраты на отопление.
В качестве примера рассмотрим магистерскую диссертацию Чернышева Д. А., Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, на тему: «Обоснование применения тепловых насосов в системах теплоснабжения общественных и жилых зданий Ленинградской области». Он рассчитал систему отопления здания на базе теплового насоса и сравнил с другими видами отопления.
В качестве расчетной модели принял общественное здание — гостиница на 40 человек. В качестве источника отопления здания выбрал тепловой насос с вертикальными грунтовыми теплообменниками.
Далее были рассчитаны затраты на отопление при разном виде топлива для данного здания (см. рис. 2).
Рис. 2. Сравнительная диаграмма затрат разными видами топлива
В результате своей работы он пришел к выводу, что природный газ является самым выгодным видом топлива для отопления здания в Ленинградской области, а самым дорогим — электричество. Однако, в условиях отсутствия газификации населенного пункта, отопления с парокомпрессионным тепловым насосом является самым выгодным. Как альтернативу тепловому насосу можно рассматривать котел на базе пеллетов, однако, при таком виде топлива переплата в год составит около 112 тыс. руб. по сравнению с затратами на отопление тепловым насосом для вышеуказанного случая.
Был посчитан период окупаемости теплового насоса для данного здания (см. рис. 3). Средняя рыночная цена пеллетного котла с автоматической подачей пеллет 1 млн. руб., цена теплового насоса мощностью 60кВт с монтажом грунтового теплообменника 2 млн. руб.
Рис. 3. Сравнение отопления на базе пеллетов и теплового насоса
Из рисунка 3 видно, что затраты на установку теплового насоса больше, но их окупаемость составит примерно 9 лет по сравнению с отоплением на базе пеллетов, т. е. через этот период тепловой насос обеспечит наименьшие затраты на отопление данного здания [7].
Выводы.
Основными факторами, сдерживающими рост рынка тепловых насосов в России, являются:
− суровые климатические условия на большей части страны;
− относительно невысокая стоимость эксплуатации газового оборудования;
− высокие начальные капитальные вложения на установку теплонасосного оборудования.
Сегодня основной российский потребитель теплонасосного оборудования — это потребитель, поставленный в такие условия, что выбор теплонасосного оборудования является практически единственным вариантом решения проблемы отопления или горячего водоснабжения. Также рост тарифов и высокая стоимость подключения газа все чаще подталкивают потребителя обратить внимание на тепловой насос как на теплогенератор для системы отопления и ГВС.
В настоящее время на базе кафедры «Гидравлика» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого проводится исследование на тему «Территориально-климатический анализ энергоэффективности систем теплоснабжения с тепловыми насосами», в котором необходимо провести анализ эффективность теплового насоса для обоснования его применения в системах теплоснабжения зданий малой этажности в разных регионах России (северных, южных и центральных). Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
− Выбрать наиболее оптимальный вид источника низкопотенциального тепла для эффективной работы теплового насоса в каждом исследуемом регионе;
− Провести расчет коэффициента преобразования теплового насоса в соответствии с климатом каждого исследуемого региона;
− Рассчитать систему отопления модели здания на базе теплового насоса для каждого исследуемого региона и сравнить с другими видами отопления;
− Сравнить результаты полученные при анализе энергоэффективности систем теплоснабжения на базе тепловых насосов для каждого исследуемого региона.
- Берзан В. П. Аспекты проблемы стимулирования внедрения тепловых насосов / В. П. Берзан, С. Г. Робу, М. Л. Шит // Проблемы региональной энергетики. – 2011. – № 1. – С. 91–94.
- Европейский рынок тепловых насосов // АВОК. — 2016. — № 7. — С. 50–55.
- Газификация районов России. Газпром Межрегионгаз. Режим доступа: http://mrg.gazprom.ru/about/gasification/.
- Тепловые насосы Финляндии. TMenergy. Режим доступа: http://www.tmenergy.ru/teplovyie-nasosyi/stati/ryinok-teplovyix-nasosovfinlyandii-prodolzhaet-rasti/.
- Шилкин Н. В. Использование тепловых насосов в системах горячего водоснабжения зданий/ Н. В. Шилкин // САНТЕХНИКА. -2003. -№ 3. — С. 10–15;
- Кобылкин М. В. Перспективное направление внедрения тепловых насосов / М. В. Кобылкин, С. Г. Батухтин, К. А. Кубряков // Международный научно-исследовательский журнал. –2014. –№ 5–1 (24). –С. 74–75.
- Чернышев Д. А. Обоснование применения тепловых насосов в системах теплоснабжения общественных и жилых зданий Ленинградской области: магистерская диссертация: 08.04.01 / Д. А. Чернышев; С.-Петербургский политехнический ун-т Петра Великого. — СПб., 2016. — 52 с.
- Аверьянова О. В. Энергосберегающие технические решения для местно-центральных систем обеспечения микроклимата при использовании тепловых насосов в качестве местных агрегатов, объединенных в единый водяной контур / О. В. Аверьянова // Инженерно-строительный журнал. — 2011. — № 1. — С. 37–45.
- Перспективы использования тепловых насосов в России. Режим доступа: http://teplovoy-nasos.baltcomfort.ru/informatsiya/151-problemy-i-perspektivy-ispolzovaniya-teplovykh-nasosov.html/.
- Протасевич А. М. Энергосбережение в системах теплогазоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха: учебное пособие/ А. М. Протасевич. — М.: НИЦ ИНФРА-М, Нов. Знание, 2016. – 286 с.
Основные термины (генерируются автоматически): тепловой насос, Россия, IEA, исследуемый регион, вид топлива, насос, низкопотенциальная тепловая энергия, установка, Ленинградская область, Российская Федерация.
Источник https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-primeneniya-teplovyh-nasosov-1
Источник https://scienceforum.ru/2016/article/2016026098
Источник https://moluch.ru/archive/131/36474/