0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Применение тепловых насосов на производстве в россии

Перспективы применения тепловых насосов в России

С.П. Филиппов, член-корр. РАН; М.Д. Дильман, к.т.н.; М.С. Ионов, инженер; Институт энергетических исследований РАН (ИНЭИ РАН), г. Москва

Введение

Тепловые насосы как технология, позволяющая частично вытеснить органическое топливо и обеспечить теплоснабжение с минимальными затратами первичной энергии, находится в центре внимания зарубежных и отечественных исследователей и промышленных фирм.

Тепловой насос — экологически чистая система, позволяющая получать тепло для отопления и горячего водоснабжения коттеджей за счет использования низкопотенциальных источников и переноса его к теплоносителю с более высокой температурой. В качестве низкопотенциальных источников могут использоваться 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.

Применение ТНУ в мире и в России

За рубежом теплонасосная техника находит широкое применение для целей теплоснабжения жилых и офисных зданий более 30 лет. Толчком для ее массового применения стал энергетический кризис 1970-х годов. В 2009 г. в мире количество тепловых насосов, использующих тепло грунта, превысило 2,8 млн шт., их суммарная установленная тепловая мощность составила 35 ГВт, а ежегодное производство тепловой энергии — 214 тыс. ТДж. Лидерами по установке ТНУ данного типа стали США и Швеция, большое количество их эксплуатируется в Японии, Германии, Швейцарии. В последние годы ТНУ начали активно внедряться в Китае. 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, как правило, 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 нашей стране пока невелик, однако условия 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.

Ограничения внедрения ТНУ

Исследование эффективности использования ТНУ для автономного отопления и горячего водоснабжения объектов малоэтажной застройки показало, что, по сравнению с традиционными системами автономного теплоснабжения — индивидуальными газовыми и электрическими котлами — ТНУ имеют ряд ограничений, для преодоления которых требуются дополнительные затраты.

Основными ограничениями внедрения тепловых насосов являются следующие.

1. Высокие удельные капитальные вложения. Рынок теплонасосной техники в России только формируется. В основном, представлены тепловые насосы зарубежного производства (Германия, Австрия, США), 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. 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 (т.н. базовую часть) 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. Ее результат зависит от схемы теплоснабжения дома, плотности графика продолжительности стояния температур наружного воздуха в регионе, соотношения стоимости теплового насоса и пикового нагревателя, стоимости электро-энергии 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.

2. Ограничения по температуре на выходе из теплового насоса. Максимальная температура, которую может обеспечить греющий контур геотермальных тепловых насосов, как правило, составляет 55 °С, у отдельных моделей — 60-65 °С. Для того, чтобы тепловой насос мог работать в течение всего отопительного периода и максимально реализовать свой энергосберегающий потенциал, необходимо использование низкотемпературных систем отопления — системы отопления с максимальными температурами в прямой и обратной линиях не выше 70 и 50 °С соответственно. Однако для низкотемпературных систем требуется увеличенная площадь отопительных приборов по сравнению с традиционными системами отопления, рассчитанными на температурный график 95/70 °С. Это влечет дополнительные затраты.

3. Неоднородность теплового потенциала грунта в региональном разрезе. Потенциал грунта как источника тепла для южных регионов существенно выше, чем для северных. Так, 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. Отметим, что экономическая эффективность применения тепловых насосов на цели теплоснабжения существенно зависит от климатических условий региона в целом, причем факторы, влияющие на эффективность использования тепловых насосов, имеют разную направленность. Тепловой потенциал грунта и, соответственно, коэффициент трансформации растет с севера на юг, но продолжительность отопительного периода и число часов использования ТНУ, а значит и реализация их энергосберегающего потенциала, с севера на юг уменьшается.

4. Учет фактора охлаждения грунта при эксплуатации ТНУ. Потребление тепловой энергии к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое в климатических условиях большей части территории России не успевает компенсироваться в летний период, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. На севере этот фактор выражен сильнее, чем на юге. Потребление тепловой энергии в течение каждого последующего отопительного сезона вызывает дальнейшее охлаждение грунта. Снижение температуры грунта имеет экспоненциальный характер, и примерно через пять лет эксплуатации его температура выходит на квазистационарный уровень, пониженный относительно естественного на 1-2º и более. При проектировании систем теплоснабжения необходим учет такого охлаждения грунта, что делает ее еще более затратной.

Варианты теплоснабжения с применением ТНУ

Схемы теплоснабжения с тепловым насосом, применяемые для теплоснабжения домов, можно разделить с точки зрения включения пикового подогревателя на последовательные и параллельные.

При последовательной схеме вода, нагретая тепловым насосом — при температурах наружного воздуха, при которых ее температуры достаточно для покрытия нагрузки — поступает в радиаторы. При более холодной погоде включается пиковый источник.

При параллельной схеме с пиковым электрообогревателем вода, нагретая тепловым насосом, подается в радиаторы на протяжении всего отопительного периода, а, начиная с определенных температур наружного воздуха, для поддержания нормативной температуры воздуха в отапливаемых помещениях требуется генерация недостающего тепла. В качестве его источника может быть использован газовый котел, котел на жидком топливе, электрокотел, нагреватель конвективного или инфракрасного типа, что также влечет дополнительные затраты.

Высокую энергетическую эффективность обеспечивает комбинирование теплового насоса с системой отопления «Теплый пол». В такой системе тепловой насос работает на протяжении всего отопительного периода. Однако в ней, начиная с определенных температур наружного воздуха, для поддержания нормативной температуры воздуха в помещениях требуется дополнительная генерация тепла. Согласно СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» средняя температура для полов помещений с постоянным пребыванием людей не должна превышать 26ºС. Низкотемпературная система отопления «теплый пол» позволяет получить тепловой поток 50-150 Вт/м 2 , при температуре теплоносителя 35-55 ºС. При этом имеют место ограничения, накладываемые на элементы интерьера: есть требования к толщине и теплопроводности напольного покрытия, не допускается применение ковровых покрытий; необходима дистанция между стенами и границей укладки труб; требуется план расстановки мебели, изменение которого в дальнейшем не желательно. В общем случае максимальная площадь укладки «теплого пола» составляет 60-70% отапливаемой площади.

Кроме компрессионных тепловых насосов, уже нашедших широкое применение в теплоснабжении, возможно использование тепловых насосов абсорбционного типа, в которых функцию компрессора на электрическом приводе выполняет т.н. «тепловой компрессор», работающий за счет сжигания топлива. В последнее время производители тепловых насосов малой мощности готовят к выпуску модели абсорбционных, а также адсорбционных тепловых насосов на базе микропористого алюмосиликатного минерала «цеолит». Они имеют более высокие капитальные вложения. Преимуществом абсорбционных и адсорбционных тепловых насосов является то, что они могут работать на более дешевой, по сравнению с электрической, энергии сжигания топлива. В тепловых насосах этого типа отсутствует электрический компрессор, электрическая мощность требуется лишь для циркуляции теплоносителя в отопительной системе и системе сбора низкопотенциального тепла. Абсорбционные и адсорбционные тепловые насосы требуют меньшей холодопроизводительности, чем компрес-сионные — это позволяет использовать менее глубокие скважины, что дает экономию на дорогостоящих работах по бурению.

Об оценке капитальных вложений

В поиске более экономичного с точки зрения капитальных вложений решения нами рассмотрены тепловые насосы, использующие в качестве источника низкопотенциального тепла атмосферный воздух. Тепловые насосы этого типа имеют коэффициент трансформации 3,2-3,6 (при температуре воздуха tн=2 °С). Однако они имеют существенные ограничения в использовании: при снижении температуры наружного воздуха резко снижаются их тепловая мощность и коэффициент трансформации. При tн 2 каждый, за расчетный период 30 лет (см. рис.).

По критерию минимума суммарных затрат в настоящее время тепловые насосы не способны конкурировать с котлами на газе. Экономическая ниша тепловых насосов — негазифицированные районы, и конкурирующая технология для них — электрокотлы.

Расчеты показывают, что, оптимизировав схему теплоснабжения с ТНУ, можно добиться экономии электроэнергии по сравнению с электрокотлом от 59% на севере до 64% на юге России и получить экономию заявленной электрической мощности порядка 20-25%.

Для условий Севера с большой продолжительностью отопительного периода (от 5600 ч/год) и высокими тарифами (от 2 руб./кВт∙ч) на электроэнергию схема отопления от компрессионного грунтового теплового насоса, работающего параллельно с конвекторным обогревателем, показывает близкие и даже более низкие затраты за расчетный период, чем электрокотлы. В остальных регионах России суммарные затраты на тепловые насосы, даже при оптимальном выборе схемы, температурного графика, поверхностей теплообмена — высоки по сравнению с суммарными дисконтированными затратами в теплоснабжение от электрокотлов, полученными при прочих одинаковых условиях. Обусловлено это, главным образом, высокими капитальными вложениями в ТНУ, причины которых рассмотрены выше. Все другие рассмотренные варианты теплоснабжения на базе тепловых насосов не являются экономически эффективными ни для одного из рассмотренных регионов России.

Рис. 1. Суммарные дисконтированные затраты в строительство ТНУ и котлов разных типов

Проведенное дополнительное исследование показало, что системы теплоснабжения на базе ТНУ становятся экономически более эффективными, чем индивидуальные электрокотлы а) при повышении тарифов на электроэнергию и б) при снижении соотношения стоимости ТНУ и электрокотлов. Так, повышение тарифов на электроэнергию более, чем на 30% позволяет разработать такую схему теплоснабжения с тепловым насосом, которая будет экономически более эффективна по критерию суммарных дисконтированных затрат, чем теплоснабжение от электрокотла. При действующих тарифах на электроэнергию ТНУ будут экономически эффективными по сравнению с электрокотлами, если удастся снизить удельные капитальные затраты на их установку на 50% и более.

Оценен эффект от экономии условного топлива. Результаты показывают, что при среднем удельном расходе топлива на электростанциях 340 г у.т./кВт∙ч для условий северных регионов ни одна из схем теплоснабжения с тепловыми насосами компрессионного типа не является топливосберегающей по сравнению с газовыми котлами. Топливосберегающим эффектом обладают лишь абсорбционные (адсорбционные) установки, они позволяют экономить порядка 20% топлива. Для центральных южных регионов России при оптимальном выборе схемы теплоснабжения с компрессионной ТНУ может быть достигнута экономия топлива до 9% — даже по сравнению с использованием котлов на газе. По сравнению с использованием электрокотлов экономия топлива на электростанциях составляет 55-65% соответственно.

Заключение

Учитывая темпы малоэтажного строительства в субъектах федерации, прогнозы Минэкономразвития РФ роста тарифов на электроэнергию и газ и прогнозируемый темп инфляции, можно оценить спрос на установку тепловых насосов на цели теплоснабжения жилых зданий. По нашим оценкам, на перспективу до 2030 г. в стране в целом может быть востребовано порядка 3,4-4,4 ГВт теплонасосной мощности, что составляет 9-11% от вводимой тепловой мощности малоэтажной застройки. Их установка позволит экономить топливо в количестве около 3,8 млн т у.т. в год.

Посмотреть данную технологию более подробно,
Вы можете в Каталоге энергосберегающих технологий

Применение тепловых насосов на производстве в россии

УДК 62-67

Применение тепловых насосов в России

Автор: Щерба Андрей Дмитриевич – Российская Федерация, г. Казань, ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет», магистрант

Аннотация: В данной работе будут рассмотрены различные варианты применения теплового насоса в Российском климате.

Ключевые слова: Тепловой насос, источник теплоснабжения, хладагент, тепло, система, установка, ГВС.

Тепловой насос – это установка, которая преобразует низкотемпературные источники тепла, в высокотемпературные, а затем поставляет в систему теплоснабжения и ГВС.

Тепловой насос состоит из испарителя, конденсатора, расширителя и компрессора, который работает по принципу Карно. Хладагент, двигающийся по трубопроводу с низкой температурой кипения, проходит два контура. В одной части контура, после сжатия компрессором и повышения давления, хладагент принимает агрегатное состояние в виде газа, в другой – отдает свое тепло и конденсируется в жидкое агрегатное состояние. Затем избыточное давление уменьшается за счет дроссельного вентиля и цикл повторяется.

Типы тепловых насосов: Воздушные (Тепло получают от наружного воздуха), Геотермальные (используют тепло земли или воды).

Воздушный тепловой насос спроектирован по принципу сплит-системы, он может работать в двух вариациях воздух-вода, воздух-воздух. В первом случае «воздух-вода» наружный воздух забирается для нагрева хладагента (хладагентом может быть антифриз), конденсатор располагают внутри бойлера накопителя, который соединен с системой отопления и ГВС, тепло выделяемое при конденсации хладагента используется для нагрева воды, затем с помощью циркуляционного насоса вода потребляется для нужд гвс, либо для отопления. В зависимости от температуры наружного воздуха, теплоноситель (вода) может иметь различную температуру, она варьируется от 30°С-60°С выше нуля. В случае понижения наружного воздуха ниже -15°С , что в России не редкость , работа воздушного теплового насоса становится мало эффективной, чтобы получить необходимые параметры теплоносителя приходится подключать электрический или газовый котел. Воздушное отопление значительно проще, чем предыдущий вариант. Принцип работы как у кондиционера, только в отличии кондиционера он может нагревать воздух внутри помещения, КПД выше из-за отсутствия теплоносителя и нагретый воздух непосредственно нагревает помещение, а летом охлаждает помещение. Применение воздушного теплового насоса в России допустимо, но только с дополнительным источником тепло и водоснабжения, преимущество заключается в отсутствие прокладки трубопровода к дому, выработка тепла составляет от 3-5кВт/ч на 1 кВт/ч потраченной энергии, срок окупаемости в течении 3-5 лет.

Геотермальный тепловой насос сложней в установке чем воздушный, для того чтобы его использовать необходимо учесть два варианта установки. Первый вариант это наличие вблизи водоема, второй это использование грунта, где температура не изменяется от времени года. Для укладки труб применимо два варианта, первый вариант использование достаточно свободной площади и глубину 1,5-2м, второй вариант не занимает площадь, но необходимо бурение скважины глубиной от 75м, что делает его дороже. Принцип работы состоит в прокачке теплоносителя (вода) под грунтом, где теплоноситель не будет замерзать, это как правило первый контур, далее теплоноситель отдает хладагенту тепло, где от полученного тепла он вскипает и уже далее конденсируется тем самым передает тепло в помещение. Использование скважин имеет место быть вдали от водоема, где в пробуренную скважину заливается хладагент который циркулирует по контуру, затем охлаждаясь в глубине под грунтом. Второй вариант использование грунтовой воды, которая будет отдавать тепло хладагенту, но в этом случае нужно уделить особое внимание качеству воды, использование несоответствующей воды ведет к быстрому износу основных элементов теплового насоса.

Использование теплового насоса в России применимо не только в теории, но и в практики. Прежде чем использовать тепловой насос нужно учитывать «суровый» Российский климат, где в зимний период средняя температура очень низкая в зависимости от региона. Основная цель в установки теплового насоса выступает экономичность и экологичность готового продукта. Особое внимание нужно уделить термомодернизацией помещения, это наиболее эффективный и доступный способ в энергосбережении, только одно утепление помещении позволяет снизить отопительную нагрузку в 2 раза. Термомодернизация позволяет снизить значение температурного графика без замены отопительных приборов с режима 80/60 °С до значения 60/45 °С. Стандартные радиаторы отопления рассчитаны на температуру до 80° их можно заменить на фанкойл, который при меньших размерах имеют большую производительность. Единственный их недостаток это наличие шума. Лучше всего использовать теплый пол по всей площади, которая необходима для обогрева в них температура не превышает 40°.

Преимущества теплового насоса:

Экономичность. Высокое КПД системы за 1кВт затраченной энергии можно получить от 3-7 кВт тепловой энергии, что значительно выше чем у любого котла работающего на природных ресурах.

Автономность. Для работы не нужно топливо, поэтому нет нужно прокладывать тепловые коммуникации.

Долговечность. Установка может прослужить от 15 до 50 лет.

Экологичность. Нет необходимости в утилизации отработанного топлива.

Безопасность. Тепловой насос не содержит воспломенительного топлива, вся установка работает без участия человека, установка не выделяет угарный газ.

В заключении можно сказать, что применение теплового насоса в России возможно при соблюдении некоторых условий таких как: утепленное помещение, наличие дополнительного источника теплоснабжения и модернизированные отопительные приборы.

Список используемой литературы:

  1. Ермаков, Андрей Исследование тепловых насосов / Андрей Ермаков. — М.: LAP Lambert Academic Publishing, 2011. — 172 c.
  2. Поляков, В. В. Насосы и вентиляторы / В.В. Поляков, Л.С. Скворцов. — М.: Стройиздат, 2013. — 336 c.
  3. Суслов А. В. Применение воздушных тепловых насосов в условиях холодного климата // Аква-Терм. – 2009. – № 3.
  4. Гришков А. А. Модель работы теплового насоса в системе теплоснабжения жилого здания с использованием системы низкотепературного отопления / А. А. Гришков //
  5. Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции: матер. III Междунар. науч.-техн. конф. М. : МГСУ, 2009.
  6. Сотникова О. А., Околелова Э. Ю., Фиронова Т. А. Рекомендации по оценке экономической эффективности инвестиционного проекта теплоснабжения / Р НП АВОК. 5–2006.

Опыт создания и внедрения тепловых насосов в России Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Хакимуллин Б.Р., Багаутдинов И.З.

В статье рассматривается опыт создания и внедрения тепловых насосов в России.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Хакимуллин Б.Р., Багаутдинов И.З.

Текст научной работы на тему «Опыт создания и внедрения тепловых насосов в России»

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №4/2016 ISSN 2410-6070_

Отметим, что экономическая эффективность применения тепловых насосов на цели теплоснабжения существенно зависит от климатических условий региона в целом, причем факторы, влияющие на эффективность использования тепловых насосов, имеют разную направленность. Тепловой потенциал грунта и, соответственно, коэффициент трансформации растет с севера на юг, но продолжительность отопительного периода и число часов использования ТНУ, а значит и реализация их энергосберегающего потенциала, с севера на юг уменьшается [2].

Внедрение таких экономичных и экологически чистых технологий теплоснабжения необходимо в первую очередь во вновь строящихся районах городов и в населенных пунктах при полном исключении применения электрокотельных, потребление энергии которыми в 3-4 раза превышает потребление ее теплонасосными установками.

Важнейшая особенность теплонасосных установок — универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической, тепловой). Это позволяет оптимизировать топливный баланс энергоисточника путем замещения более дефицитных энергоресурсов менее дефицитными. Еще одно преимущество теплонасосных установок — широкий диапазон мощности (от долей до десятков тысяч киловатт), перекрывающий мощности любых существующих теплоисточников, в том числе малых и средних ТЭЦ.

Использование теплонасосных установок перспективно в комбинированных схемах в сочетании с другими технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергии), так как позволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наиболее высоких экономических показателей [3].

Перечисленные преимущества теплонасосных установок обусловили их широкое и всевозрастающее распространение в развитых странах и во всем мире. Ставится задача не о локальном или ограниченном применении теплонасосного теплоснабжения, а о максимальном отказе от прямого сжигания для этих целей органического топлива [4].

Список использованной литературы:

1. Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.intersolar.ru/articles/heat_pumps/pressa/heat_pump.html.

2. Перспективы применения тепловых насосов в России. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.energosovet.ru/bul_stat.php?idd=215.

3. Гафуров А.М. Перспективные области применения энергетических установок на низкокипящих рабочих телах. // Вестник Казанского государственного энергетического университета. — 2015. — №1 (25). — С. 93-98.

4. Гафуров А.М. Зарубежный опыт эксплуатации установок на низкокипящих рабочих телах. // Вестник Казанского государственного энергетического университета. — 2014. Т. 24. — №4 (24). — С. 26-31.

© Хакимуллин Б.Р., Багаутдинов И.З., 2016

студент института теплоэнергетики, кафедры «ТЭС»

младший научный сотрудник научно-исслед. лаборатории госбюджетных НИР Казанский государственный энергетический университет

Г. Казань, Российская Федерация

ОПЫТ СОЗДАНИЯ И ВНЕДРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В РОССИИ

В статье рассматривается опыт создания и внедрения тепловых насосов в России.

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №4/2016 ISSN 2410-6070_

Тепловой насос, создание и внедрение, источники теплоты, теплоснабжение

Пионером в области создания и внедрения тепловых насосов в бывшем СССР был ВНИИхолодмаш. В 1986-1989 гг. ВНИИхолодмашем был разработан ряд парокомпрессионных тепловых насосов тепловой производительностью от 17 кВт до 11,5 МВт десяти типоразмеров «вода-вода» (в том числе морская вода в качестве источника теплоты низкого уровня для тепловых насосов теплопроизводительностью 300-1000 кВт), двух типоразмеров «вода-воздух» (тепловые насосы на 45 и 65 кВт). Большая часть тепловых насосов этого ряда прошла стадию изготовления и испытания опытных образцов на пяти заводах холодильного машиностроения. Четыре типоразмера выпускались серийно (тепловые насосы теплопроизводительностью 14, 100, 300, 8500 кВт). Общий их выпуск с 1987 г. и почти до 1992 г. может быть оценен в 3000 единиц. Тепловая мощность действующего парка этих тепловых насосов оценивается в 40 МВт [1].

Примером может служить созданный в этот период тепловой насос НТ8500 мощностью 8,5 МВт на базе центробежного компрессора для теплонасосной установки целлюлозно-бумажного комбината ПО «Светогорск» (Карелия). Две установки НТ8500 общей тепловой мощностью 17 МВт утилизировали теплоту сбросной воды с температурой 30-35°С от охлаждающей системы технологических аппаратов в цехах и повышали до 75-80°С потенциал сбросной воды, которая использовалась в системе теплоснабжения целлюлозно-бумажного комбината и города Светогорска [2].

Хорошо зарекомендовали себя холодильно-нагревательные машины типа ТХУ для молочных ферм, которые утилизировали теплоту охлаждаемого молока для технологических нужд.

В этот период институтом был разработан целый ряд принципиально новых тепловых насосов -абсорбционных, компрессионно-резорбционных, компрессионных, работающих на бутане и воде в качестве рабочего вещества и др. [3, 4].

Появились новые специализированные фирмы в Москве, Новосибирске, Нижнем Новгороде и других городах, проектирующие теплонасосные установки и выпускающие только тепловые насосы. Усилиями этих фирм к настоящему времени дополнительно введен в эксплуатацию парк тепловых насосов общей тепловой мощностью около 50 МВт.

При реальной рыночной экономике в России тепловые насосы имеют перспективу дальнейшего расширения применения, а производство тепловых насосов может стать соизмеримым с производством холодильных машин соответствующих классов. Эта перспектива может быть оценена при рассмотрении условий тепло-энергоснабжения в основных областях применения теплонасосных установок: жилищно-коммунальном секторе, на промышленных предприятиях, в курортно-оздоровительных и спортивных комплексах, в сельскохозяйственном производстве.

В жилищно-коммунальном секторе теплонасосные установки находят наибольшее применение преимущественно для отопления и горячего водоснабжения. Здесь можно выделить два направления: автономное теплоснабжение от теплонасосных установок и использование теплонасосных установок в рамках существующих систем централизованного теплоснабжения.

Источником теплоты низкого потенциала служат преимущественно грунтовые воды (8-15°С), грунт (5-10°С), водопроводная вода (9-20°С) и канализационные стоки (10-17°С). Децентрализованное теплоснабжение позволяет применять современные низкотемпературные системы отопления с температурой теплоносителя 35-60°С, обеспечивающие достаточно высокие коэффициенты преобразования тепловых насосов (ц = 3,5-5,0) [5].

Применение децентрализованных систем теплоснабжения на базе теплонасосных установок в районах, где тепловые сети отсутствуют, либо в новых жилых районах позволяет избежать многих технологических, экономических и экологических недостатков систем централизованного теплоснабжения. Конкурентными им по экономическим параметрам могут быть только районные котельные, работающие на газе.

Список использованной литературы:

1. Тепловые насосы: вчера, сегодня, завтра. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.intersolar.ru/articles/heat_pumps/pressa/heat_pump.html.

2. Тепловые насосы. Серийное производство. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.heatpp.narod.ru/hist/rus.html.

МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №4/2016 ISSN 2410-6070

3. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Характерные особенности использования пропана С3Н8 в качестве низкокипящего рабочего тела. // Инновационная наука. — 2016. — № 1-2 (13). — С. 21-23.

4. Гафуров А.М., Гафуров Н.М. Методика выбора оптимального низкокипящего рабочего тела для использования в низкотемпературных средах. // Инновационная наука. — 2015. — № 11-2. — С. 31-32.

5. Перспективы применения тепловых насосов в России. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http : //www .energosovet.ru/bul_stat.php ?idd=215.

© Хакимуллин Б.Р., Багаутдинов И.З., 2016

студент института теплоэнергетики, кафедры «ТЭС»

младший научный сотрудник научно-исслед. лаборатории госбюджетных НИР Казанский государственный энергетический университет

Г. Казань, Российская Федерация

ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

В статье рассматривается зарубежный опыт эксплуатации тепловых насосов.

Тепловой насос, источники низкопотенциальной теплоты, теплоснабжение

Согласно прогнозам Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г. 75% теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов. Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает порядка 20 млн. тепловых насосов различной мощности — от нескольких киловатт до сотен мегаватт [1].

Производство тепловых насосов в каждой стране ориентировано в первую очередь на удовлетворение потребностей своего внутреннего рынка. В США, Японии и некоторых других странах наиболее распространены воздухо-воздушные реверсивные, теплонасосные установки, предназначенные для отопления и летнего кондиционирования воздуха, в то время как в Европе преобладают водо-водяные и водо-воздушные. В Швеции и других Скандинавских странах наличие дешевой электроэнергии и широкое использование систем централизованного теплоснабжения привели к развитию крупных теплонасосных установок. В Нидерландах, Дании и других странах этого региона наиболее доступным видом топлива является газ, и поэтому быстро развиваются тепловые насосы с приводом от газового двигателя и абсорбционные [2].

В США в настоящее время эксплуатируют миллионы теплонасосных установок и из них более половины в жилищно-коммунальном секторе. Более всего распространены реверсивные воздухо-воздушные теплонасосные установки с электроприводом для круглогодичного кондиционирования воздуха в помещениях. Выпускают тепловые установки более 50 фирм, 30% вновь строящихся домов типа коттеджей оснащают теплонасосными установками.

Быстрыми темпами развиваются системы теплоснабжения жилых и общественных зданий с источника теплоты низкого и высокого уровня типа грунт-вода. Разработаны высокоэффективные технологии и технические средства отбора теплоты грунта. Действует эффективная система штрафов (за выброс СО2 при сжигании топлива) и поощрений за использование источников низкопотенциальной теплоты в целях теплоснабжения.

Расчет эффективности применения тепловых насосов

Дата публикации: 10 октября 2015

Россия является крупнейшим в мире экспортером энергоресурсов и занимает лидирующее положение по запасам традиционных топливно-энергетических ресурсов, однако большая часть территории страны находится вне систем централизованного энергоснабжения. Как показывают приводимые ниже результаты анализа, применение теплового насоса (ТН) поможет решить проблему теплоснабжения обособленных хозяйств.

Типы коллекторов тепловых насосов

Тепловые насосы используют бесплатные и возобновляемые источники энергии: низко потенциальную теплоту воздуха, грунта, подземных вод и открытых незамерзающих водоемов, данный факт делает возможным их применение в фермерских хозяйствах, удаленных от сетей централизованного теплоснабжения. Для исследования эффективности применения ТН на территории России было выбрано 11 регионов, расположенных в районе городов Пскова, Санкт-Петербурга, Астрахани, Сочи, Красноярска, Читы, Якутска, Салехарда, Петропавловск-Камчатский, Владивостока, Екатеринбурга.

Существует большое разнообразие тепловых установок, в качестве источника первичной теплоты у которых может служить воздух, грунт или водоем. Использование тепловых насосов с различными типами коллекторов накладывает своего рода ограничения на их использование. При использовании теплового насоса воздух-вода в районах с температурой наружного воздуха в зимние месяцы ниже -20°С, необходимо устанавливать дублирующий источник теплоты на более холодные месяцы. Проанализировав показатели температуры воздуха наиболее холодной пятидневки по выбранным городам, получили, что только в двух регионах (вблизи городов Сочи и Петропавловск-Камчатский) температура воздуха не опускается ниже -20°С, что делает возможным использование воздушного теплового насоса для покрытия потребности в теплоснабжении частного дома в этих городах.

Условия применения ТН в России

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 9 городах (Псков, Санкт-Петербург, Астрахань, Сочи, Салехард, Петропавловск-Камчатский, Владивосток, Красноярск, Екатеринбург) из 11 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 многолетне-мерзлых грунтов находится более 60% территории страны; в основном это территория Средней и Восточной Сибири и северной части Дальнего Востока. На вечной мерзлоте стоят Магадан, Анадырь, Якутск, Мирный, Норильск, Игарка, Надым, Воркута, на границах с Читой также имеются острова вечной мерзлоты. 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, в частности, 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.

На Российском рынке представлены тепловые насосы зарубежных производителей, так как отечественный рынок теплонаносной техники только формируется. Наиболее дешевыми производителями ТН являются такие страны как Китай, Чехия и США. Тепловые установки, производимые в Германии и Швеции, являются наиболее дорогими. По проведенным расчетам, стоимость 1 кВт тепловой геотермальной установки у зарубежных производителей составляет 19 996 рублей, стоимость воздушной тепловой установки незначительно превышает данную сумму и составляет 20 505 рублей.

Результаты расчётов эффективности ТН

Сравнение затрат на установку геотермальных и воздушных коллекторов с учетом затрат на транспортировку, монтаж и наладочные работы показывает, что тепловой насос с вертикальным расположением грунтового контура является наиболее дорогостоящим — 102 279 руб. на 1 кВт мощности оборудования, далее следует тепловой насос с горизонтальным расположением грунтового контура — 79 674 рублей. Наиболее дешевой является воздушная теплоустановка с 44 383 рублей за 1 кВт, так как в качестве источника теплоты используется наружный воздух и не требуются дополнительные затраты на раскопку траншей, поэтому стоимость ТН снижается и определяется только ценой самого насоса и монтажных работ.

Срок окупаемости (СО) ТН прямо пропорционален капитальным затратам на его установку и обратно пропорционален экономии денежных средств, которая равна затратам на отопление. Тарифы на тепловую энергию в городах России сильно отличаются, так цена 1 Гкал энергии в Санкт-Петербурге составляет 1050 руб., а в г. Петропавловск-Камчатский — 3580 руб. (т.е тарифы разнятся в 3 раза).

Наименьший срок окупаемости по проведенным подсчетам просматривается в восточных регионах России, где затраты на централизованное теплоснабжение достаточно высоки. Минимальный срок окупаемости в Петропавловск-Камчатском для геотермального насоса с горизонтальным контуром составляет 7 лет, для тепловой установки с вертикальным коллектором – 9 лет, далее следуют Якутск (СОвер. = 13 лет)) и Красноярск (СОгор. = 15 лет, СОвер. = 22 года). Максимальный срок окупаемости тепловых установок в Санкт-Петербурге (СОгор. = 34 года, СОвер. = 47 лет) и Пскове (СОгор.= 33 года, СОвер. = 46 лет), Сочи (СОгор. = 31 год, СОвер. = 41 год).

Отопление с помощью воздушных тепловых насосов возможно только в двух городах из одиннадцати рассмотренных, а именно в Сочи и в Петропавловск-Камчатском, сроки окупаемости тепловых установок в этих городах составляют 10 лет и 2 года соответственно.

Срок службы теплового насоса ограничивается только сроком службы компрессора, как единственного устройства, содержащего движущиеся части, срок службы которых составляет 25 лет. По истечении этого срока компрессор должен быть заменен. Срок эксплуатации коллекторов достигает 50 лет. В таблице ниже представлены расчеты денежных затрат (ДЗ) на теплоснабжение в течение 25 лет с использованием различных источников тепловой энергии: централизованного теплоснабжения (ДЗЦТС); электрического, твердотопливного и дизельного котла (ДЗЭК, ДЗТТ, ДЗДТ), воздушного теплового насоса (ДЗТН.В), ТН с горизонтальным и вертикальным коллектором (ДЗТН.Г, ДЗТН.U).

У большинства из рассмотренных городов срок окупаемости тепловой установки меньше срока ее эксплуатации (25 лет). Это позволяет получить прибыль от 171 126 руб. (Астрахань, при использовании тепловой установки с горизонтальным коллектором) до 2 992 380 руб. (Петропавловск-Камчатский, при использовании воздушного теплового коллектора) за 25 лет использования ТН.

В климатических условиях Санкт-Петербурга и Пскова ни один из видов тепловых насосов не окупается. В данном случае следует рассмотреть варианты теплоснабжения с помощью других источников энергии. Из таблицы выше видно, что в Санкт-Петербурге тепловой насос с горизонтальным коллектором недоокупится на 285 653 руб. и на 720 706 руб. с вертикальным коллектором. При сравнении с другими источниками тепловой энергии получается, что использование ТН, даже если срок их окупаемости больше срока эксплуатации, является экономически выгоднее, так как затраты за 25 лет (недоокупаемость) при этом будут меньше затрат на теплоснабжение дома при использовании других установок за этот же период.

Результаты расчета эффективности применения тепловых насосов, выполненные с учетом температурных ограничений (температура наружного воздуха tн ⩾ -20 °C и температура грунта tг > 0°C) и срока эксплуатации тепловых насосов (25 лет), показывают целесообразность и эффективность их применения на территории России.

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Расчет эффективности применения тепловых насосов

Дата публикации: 10 октября 2015

Россия является крупнейшим в мире экспортером энергоресурсов и занимает лидирующее положение по запасам традиционных топливно-энергетических ресурсов, однако большая часть территории страны находится вне систем централизованного энергоснабжения. Как показывают приводимые ниже результаты анализа, применение теплового насоса (ТН) поможет решить проблему теплоснабжения обособленных хозяйств.

Типы коллекторов тепловых насосов

Тепловые насосы используют бесплатные и возобновляемые источники энергии: низко потенциальную теплоту воздуха, грунта, подземных вод и открытых незамерзающих водоемов, данный факт делает возможным их применение в фермерских хозяйствах, удаленных от сетей централизованного теплоснабжения. Для исследования эффективности применения ТН на территории России было выбрано 11 регионов, расположенных в районе городов Пскова, Санкт-Петербурга, Астрахани, Сочи, Красноярска, Читы, Якутска, Салехарда, Петропавловск-Камчатский, Владивостока, Екатеринбурга.

Существует большое разнообразие тепловых установок, в качестве источника первичной теплоты у которых может служить воздух, грунт или водоем. Использование тепловых насосов с различными типами коллекторов накладывает своего рода ограничения на их использование. При использовании теплового насоса воздух-вода в районах с температурой наружного воздуха в зимние месяцы ниже -20°С, необходимо устанавливать дублирующий источник теплоты на более холодные месяцы. Проанализировав показатели температуры воздуха наиболее холодной пятидневки по выбранным городам, получили, что только в двух регионах (вблизи городов Сочи и Петропавловск-Камчатский) температура воздуха не опускается ниже -20°С, что делает возможным использование воздушного теплового насоса для покрытия потребности в теплоснабжении частного дома в этих городах.

Условия применения ТН в России

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 9 городах (Псков, Санкт-Петербург, Астрахань, Сочи, Салехард, Петропавловск-Камчатский, Владивосток, Красноярск, Екатеринбург) из 11 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 многолетне-мерзлых грунтов находится более 60% территории страны; в основном это территория Средней и Восточной Сибири и северной части Дальнего Востока. На вечной мерзлоте стоят Магадан, Анадырь, Якутск, Мирный, Норильск, Игарка, Надым, Воркута, на границах с Читой также имеются острова вечной мерзлоты. 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, в частности, 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.

На Российском рынке представлены тепловые насосы зарубежных производителей, так как отечественный рынок теплонаносной техники только формируется. Наиболее дешевыми производителями ТН являются такие страны как Китай, Чехия и США. Тепловые установки, производимые в Германии и Швеции, являются наиболее дорогими. По проведенным расчетам, стоимость 1 кВт тепловой геотермальной установки у зарубежных производителей составляет 19 996 рублей, стоимость воздушной тепловой установки незначительно превышает данную сумму и составляет 20 505 рублей.

Результаты расчётов эффективности ТН

Сравнение затрат на установку геотермальных и воздушных коллекторов с учетом затрат на транспортировку, монтаж и наладочные работы показывает, что тепловой насос с вертикальным расположением грунтового контура является наиболее дорогостоящим — 102 279 руб. на 1 кВт мощности оборудования, далее следует тепловой насос с горизонтальным расположением грунтового контура — 79 674 рублей. Наиболее дешевой является воздушная теплоустановка с 44 383 рублей за 1 кВт, так как в качестве источника теплоты используется наружный воздух и не требуются дополнительные затраты на раскопку траншей, поэтому стоимость ТН снижается и определяется только ценой самого насоса и монтажных работ.

Срок окупаемости (СО) ТН прямо пропорционален капитальным затратам на его установку и обратно пропорционален экономии денежных средств, которая равна затратам на отопление. Тарифы на тепловую энергию в городах России сильно отличаются, так цена 1 Гкал энергии в Санкт-Петербурге составляет 1050 руб., а в г. Петропавловск-Камчатский — 3580 руб. (т.е тарифы разнятся в 3 раза).

Наименьший срок окупаемости по проведенным подсчетам просматривается в восточных регионах России, где затраты на централизованное теплоснабжение достаточно высоки. Минимальный срок окупаемости в Петропавловск-Камчатском для геотермального насоса с горизонтальным контуром составляет 7 лет, для тепловой установки с вертикальным коллектором – 9 лет, далее следуют Якутск (СОвер. = 13 лет)) и Красноярск (СОгор. = 15 лет, СОвер. = 22 года). Максимальный срок окупаемости тепловых установок в Санкт-Петербурге (СОгор. = 34 года, СОвер. = 47 лет) и Пскове (СОгор.= 33 года, СОвер. = 46 лет), Сочи (СОгор. = 31 год, СОвер. = 41 год).

Отопление с помощью воздушных тепловых насосов возможно только в двух городах из одиннадцати рассмотренных, а именно в Сочи и в Петропавловск-Камчатском, сроки окупаемости тепловых установок в этих городах составляют 10 лет и 2 года соответственно.

Срок службы теплового насоса ограничивается только сроком службы компрессора, как единственного устройства, содержащего движущиеся части, срок службы которых составляет 25 лет. По истечении этого срока компрессор должен быть заменен. Срок эксплуатации коллекторов достигает 50 лет. В таблице ниже представлены расчеты денежных затрат (ДЗ) на теплоснабжение в течение 25 лет с использованием различных источников тепловой энергии: централизованного теплоснабжения (ДЗЦТС); электрического, твердотопливного и дизельного котла (ДЗЭК, ДЗТТ, ДЗДТ), воздушного теплового насоса (ДЗТН.В), ТН с горизонтальным и вертикальным коллектором (ДЗТН.Г, ДЗТН.U).

У большинства из рассмотренных городов срок окупаемости тепловой установки меньше срока ее эксплуатации (25 лет). Это позволяет получить прибыль от 171 126 руб. (Астрахань, при использовании тепловой установки с горизонтальным коллектором) до 2 992 380 руб. (Петропавловск-Камчатский, при использовании воздушного теплового коллектора) за 25 лет использования ТН.

В климатических условиях Санкт-Петербурга и Пскова ни один из видов тепловых насосов не окупается. В данном случае следует рассмотреть варианты теплоснабжения с помощью других источников энергии. Из таблицы выше видно, что в Санкт-Петербурге тепловой насос с горизонтальным коллектором недоокупится на 285 653 руб. и на 720 706 руб. с вертикальным коллектором. При сравнении с другими источниками тепловой энергии получается, что использование ТН, даже если срок их окупаемости больше срока эксплуатации, является экономически выгоднее, так как затраты за 25 лет (недоокупаемость) при этом будут меньше затрат на теплоснабжение дома при использовании других установок за этот же период.

Результаты расчета эффективности применения тепловых насосов, выполненные с учетом температурных ограничений (температура наружного воздуха tн ⩾ -20 °C и температура грунта tг > 0°C) и срока эксплуатации тепловых насосов (25 лет), показывают целесообразность и эффективность их применения на территории России.

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector