Источники низкопотенциальной тепловой энергии

Энергопотребление имеет тенденцию к росту. Общий  коэффициент производительности СОР  сокращается с увеличением частоты  размораживания. Применение специальной  системы контроля, обеспечивающей размораживание по требованию (т. е. когда оно фактически необходимо), а не периодическое, может  существенно повысить общую эффективность.

Еще один источник тепла  в жилых и торгово-административных сооружениях – отводимый вентиляционный воздух. Тепловой насос регенерирует тепло из отводимого воздуха и  обеспечивает приготовление горячей  воды или теплого воздуха для  отопления помещений. В этом случае, однако, требуется постоянное вентилирование в течение всего отопительного  сезона или даже целого года, если предусмотрено  кондиционирование помещений в  летний период. Существуют аппараты, в  которых конструктивно изначально заложена возможность использования  и отводимого вентиляционного, и  наружного воздуха. В некоторых  случаях тепловые насосы, применяющие  отводимый воздух, используются в  комбинации с рекуператорами “воздух-воздух”.

Воздух как универсальный  теплоноситель используется в больших  установках круглогодичного кондиционирования. Он обладает низкими значениями коэффициентов  теплоотдачи, поэтому для уменьшения поверхности испарителя приходится снижать температуру кипения  рабочего тела, вследствие этого уменьшается  степень совершенства теплонаносной  установки. Данные испытания таких  установок, использующих воздух в качестве источника тепла, свидетельствуют  о том, что средний коэффициент  m за отопительный сезон не превышает 2 – 2,5. В периоды пик, т. е. При эпизодически низких температурах наружного воздуха, включают запасные электронагреватели. Наилучшим методом борьбы с инеем является его автоматическое оттаивание, проводимое периодически.

2.2. Вода

Наиболее целесообразно  применение отходов теплой воды промышленных предприятий, в том числе циркуляционной воды тепловых электростанций и др. Кроме того, используют также естественные горячие источники в курортных  местностях.

Ввиду больших расходов употребление городской воды неэкономично. Однако водные источники из сравнительно глубоких слоев почвы, имеющие температуру  близкую к среднегодовой, обеспечивают более высокий коэффициент преобразования m по сравнению с воздухом.

Подпочвенные воды есть во многих местах, они имеют  достаточно стабильную температуру  в диапазоне от 4 до 10 °С. Для использования  воды как источника тепла применяются, главным образом, открытые системы: подпочвенная вода откачивается и подается на теплообменник системного агрегата, где у воды отбирается часть содержащегося  в ней тепла. Вода, охлажденная  таким образом, отводится в сливной  колодец или в поверхностные  воды. Открытые системы требуют самого тщательного проектирования в целях  предотвращения проблем с замерзанием, коррозией и накоплением отложений.

Большим недостатком  тепловых насосов, работающих на подпочвенных водах, является высокая стоимость  работ по монтажу водозабора. Кроме  того, следует учитывать требования, порой весьма жесткие, местных администраций  в вопросах организации сточных  вод.

Речная и озерная  вода с теоретической точки зрения представляется весьма привлекательным  источником тепла, но имеет один существенный недостаток – чрезвычайно низкую температуру в зимний период (она  может приближаться к 0 °С). Если используются вода рек, озер и морей, то в зимний период она может замерзать на стенках испарителя. По этой причине  требуется особое внимание при проектировании системы в целях предотвращения замораживания испарителя.

Морская вода представляется в некоторых случаях отличным источником тепла и используется в основном в средних и крупных  системах. На глубине от 25 до 50 м морская  вода имеет постоянную температуру  в диапазоне от 5 до 8 °С. И, как  правило, проблем с образованием льда не возникает, поскольку точка  замерзания здесь от -2 до -10 °С. Есть возможность использовать как системы  прямого расширения, так и системы  с рассолом. Важно лишь использовать теплообменники и насосные агрегаты, стойкие к воздействию коррозии, и предотвращать накопление отложений  органического характера в водозаборном трубопроводе, теплообменниках, испарителях  и пр.

Грунтовым водам  свойственна относительно высокая  и стабильная в течение года температура. Основные ограничения здесь могут  составлять расстояние транспортировки  и фактические ресурсы, объем  которых может меняться. Примерами  возможных источников тепла в  данной категории носителей можно  считать грунтовые воды на канализационных  участках (очистные и прочие водостоки), промышленные водостоки, водостоки  участков охлаждения промышленных конденсаторов  или производства электроэнергии.

Водоём

Ближайший водоём –  идеальный источник тепла для  теплового насоса. При использовании  в качестве источника тепла воды озера или реки контур укладывается на дно. Этот вариант является идеальным  с любой точки зрения – «высокая»  температура окружающей среды (температура  воды в водоеме зимой всегда положительная), короткий внешний контур, высокий  коэффициент преобразования энергии  тепловым насосом.

На 1 метр трубопровода приходится ориентировочно 30 Вт тепловой мощности.Таким образом, для установки  теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро  контур длинной 300 метров.

Для того, чтобы трубопровод  не всплывал, необходимо установить около 5 кг груза на 1 погонный метр трубопровода.

2.3. Грунт

Грунт применяют  в качестве естественного источника  тепла для зимнего отопления  и летнего кондиционирования. Змеевики испарителя закладывают в грунт, причем выгодно используют его зонную аккумулирующую способность. По практическим данным, коэффициент m составляет от 2,2 до 3,2 в зависимости от внешних условий. Величины теплопередачи в грунте главным образом зависят от его влажности.

Тепловые насосы, использующие грунт в качестве источника  тепла, применяются для обслуживания жилых и торгово-административных сооружений. Грунт, как и подпочвенные воды, имеет одно преимущество –  относительно стабильную в течение  года температуру. Тепло отбирается по трубам, уложенным в землю горизонтально  или вертикально (спиралеобразно). Могут  использоваться:

системы прямого  расширения с охлаждающей жидкостью, испаряющейся по мере циркуляции в  контуре трубопровода, заглубленного  в грунт;

системы с рассольной жидкостью, прокачиваемой по трубопроводу, заглубленному в грунт.

В целом тепловые насосы рассольного типа имеют более  низкую производительность по сравнению  с агрегатами первого типа в силу происходящего в них “двойного” теплообмена (грунт – рассол, рассол – хладагент) и энергозатрат на обеспечения  работы циркуляции рассола, хотя обслуживать  такие системы существенно проще.

Тепловая емкость  грунта варьируется в зависимости  от его влажности и общих климатических  условий конкретной местности. В  силу производимого отбора тепла  во время отопительного сезона его  температура понижается.

В условиях холодного  климата большая часть энергии  извлекается в форме латентного тепла, когда грунт промерзает. В  летний период под действием солнца температура грунта вновь поднимается, и появляется возможность вернуться  к первоначальным условиям. Действующие  по такому принципу тепловые насосы обычно называют геотермическими, что по сути своей неверно, поскольку здесь  не задействовано радиогенное тепло  земли, содержащееся в глубинных  скальных породах.

Геотермическими (скальными) источниками можно пользоваться в регионах, где подпочвенных вод  мало или нет совсем. Тогда нужно  пробурить колодцы глубиной от 100 до 200 м. В случае если требуется обеспечить высокую тепловую мощность, колодцы  бурятся под определенным наклоном таким образом, чтобы добраться  и упереться в большой скальный массив. Для таких тепловых насосов  также применяется рассольная жидкость и пластмассовый сварной трубопровод, извлекающий тепло из скалы. В  некоторых системах скальная порода используется для аккумулирования  тепла или охлаждающей энергии. В силу высокой стоимости буровых  работ скальные породы для обслуживания жилого сектора применяются довольно редко.  

Скважина

При использовании  в качестве источника тепла скалистой  породы трубопровод опускается в  скважину. Можно пробурить несколько  не глубоких скважин – это, возможно, обойдётся дешевле, чем одна глубокая. Главное – получить общую расчетную  глубину.

Для предварительных  расчетов используется следующее соотношение  – 50-60 Вт тепловой энергии на 1 метр скважины. То есть, для установки  теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 170 метров.

Земляной контур

При укладке контура  в землю желательно использовать участок с влажным грунтом, лучше  всего с близкими грунтовыми водами. Использование сухого грунта тоже возможно, но это приводит к увеличению длины  контура. Трубопровод должен быть зарыт  на глубину примерно 1 м, расстояние между соседними трубопроводами – примерно 0.8-1.0 м.

Удельная тепловая мощность трубопровода, уложенного в  землю трубопровода – 20-30 Вт/м. Т. е. для установки теплового насоса производительностью 10 кВт достаточно 350-450 м теплового контура, для  чего хватит участка 20х20 кв.м.

Специальной подготовки почвы не требуется, влияния на растения трубопровод при правильном расчёте  не оказывает.

5. Пример использования  теплонаносной системы для горячего  водоснабжения жилого дома

В Москве, в микрорайоне  Никулино-2 фактически впервые была построена теплонаносная система  горячего водоснабжения многоэтажного  жилого дома. Этот проект был реализован в 1998-2002 годах Министерством обороны  РФ совместно с Правительством Москвы, Минпромнауки России, Ассоциацией “НП  АВОК” и ОАО “ИНСОЛАР-ИНВЕСТ”  в рамках “Долгосрочной программы  энергосбережения в г. Москве”. Проект выполнен под научным руководством доктора технических наук, член-корреспондента РААСН Ю. А. Табунщикова.

В качестве низкопотенциального  источника тепловой энергии для  испарителей тепловых насосов используется тепло грунта поверхностных слоев  Земли, а также тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Такая  система также допускает использование  в качестве низкопотенциального  источника тепловой энергии тепло  сточных вод. Установка для подготовки горячего водоснабжения расположена  в подвале здания. Она включает в себя следующие основные элементы:

- парокомпрессионные  теплонаносные установки (ТНУ);

- баки-аккумуляторы  горячей воды;

- системы сбора  низкопотенциальной тепловой энергии  грунта и низкопотенциального  тепла удаляемого вентиляционного  воздуха;

- циркуляционные  насосы, контрольно-измерительную аппаратуру.

Основным теплообменным  элементом системы сбора низкопотенциального  тепла грунта являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального  типа, расположенные снаружи по периметру  здания. Эти теплообменники представляют собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 м  каждая, устроенных вблизи дома.

Система сбора низкопотенциального  тепла удаляемого вентиляционного  воздуха предусматривает устройство в вытяжных вентиляционных камерах  теплообменников-утилизаторов, гидравлически  связанных с испарителями теплонаносных  установок. В этом случае обеспечивается более глубокое охлаждение вытяжного  воздуха и использование его  тепла в тепловых насосах для  получения горячей воды.

Система решена следующим  образом. Из вентиляционных шахт удаляемый  воздух собирается в коллектор и  из него вытяжным вентилятором прогоняется  через теплообменник-утилизатор, охлаждается  и выбрасывается в атмосферу. Теплообменник-утилизатор связан с  испарителем теплового насоса промежуточным  контуром при помощи циркуляционного  насоса. От конденсатора теплового  насоса полезное тепло отводится  в систему горячего водоснабжения.

Поскольку режим  работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление  горячей воды переменное, система  горячего водоснабжения оборудована  баками-аккумуляторами.

6. Компрессор –  элемент теплового насоса

Компрессором называют воздуходувную машину, предназначенную  для сжатия и подачи воздуха или  какого-либо газа под давлением не ниже 0,2 МПа.

Компрессоры паровых  холодильных машин входят в состав герметически закрытой системы и  предназначены для отсасывания  холодного агента из испарителя в  целях поддержания в последнем  давления Ро, сжатия пара и выталкивания его в конденсатор при давлении Рк, необходимом для сжатия.

Производительность  компрессора характеризуется холодопроизводительностью  машины и зависит от конструкции, режима работы холодильной машины и  холодильного агента, на котором она  работает.

7. Классификация  компрессоров

Гидравлической машиной  называют устройство, преобразующее  механическую работу в энергию потока жидкости и наоборот.

Турбиной или гидродвигателем  называется гидравлическая машина, в  которой в результате обмена энергией происходит преобразование механической энергии жидкости в механическую работу (вращение вала, возвратно-поступательное движение поршня и т.д.).