Проектирование комбинированной системы теплоснабжения школы с применением теплового насоса

 

С точки зрения экономики, учёт плюсов и минусов систем возобновляемой энергетики можно наглядно представить как два совмещённых графика. На этом рисунке, для примера, показана сравнительная экономическая оценка двух условных систем отопления «Система котла, работающего на дизельном топливе» и «Система теплового насоса».

 

Рисунок 5.1 – Сравнительная экономическая оценка двух условных систем отопления

 

Все затраты  по обоим случаям можно разделить  на:

1. начальные (разовые) – это постоянные начальные затраты на проектирование, покупку оборудования, вспомогательных аксессуаров и монтаж.
2. эксплуатационные – это переменные (постоянно растущие по времени) затраты на топливо, электроэнергию, ремонт и оплату труда эксплуатационному

 

 

штату (если требуется).

3. суммарные – это переменные (постоянно растущие по времени) затраты, которые являются суммой первых двух.

Из рисунка  видно, что имеется особая точка  на оси времени, когда суммарные  затраты обоих систем сравниваются, и дальше владелец системы возобновляемой энергетики начинает экономить средства. От чего зависит экономия:

- от разницы  в начальных затратах обоих  систем;

- от разницы  в эксплуатационных затратах  обоих систем.

По данному  примеру можно сказать, что:

• выход в точку окупаемости происходит за ~ 4,2 года;
• несмотря на то, что начальные затраты теплового насоса в 2,5 раза выше, чем дизельного котла, эксплуатационные расходы последнего (стоимость дизельного топлива, его доставки на объект, ремонт и т.д.) выше, чем у теплового насоса.

Необходимо  оговориться, что рассмотренный  график составлен с учётом нынешних тарифов на топливо и электроэнергию, а также сегодняшних цен на оборудование. К сожалению, первоначальные затраты на его приобретение достаточны высоки и обусловлены не столько законами себестоимости, сколько аппетитами поставщиков. В связи с непрерывным повышением цен на энергоносители и увеличением спроса на альтернативную энергетику – стоимость оборудования будет стремительно приближаться к реальной.

Хотя в реальных случаях графики бывают разные, принцип  оценки прямой экономической эффективности  сохраняется.

При этом существует ещё ряд факторов, не связанных  с экономикой непосредственно, но которые  тоже необходимо учитывать при принятии решения по установке той или  иной системы:

- необходимо  организовывать регулярную доставку  топлива на объект;

• в России и мире цены на углеводородное топливо и электроэнергию растут каждый год;

 

 

• психологический дискомфорт, связанный с перебоями обычной электроэнергии на объекте;
• проблемы общения с государственными чиновниками при попытке обеспечения своего объекта традиционным электро- и теплоснабжением.

При сложившемся  уровне цен на энергоносители топливные  насосы по экономичности уступают пока только газовым котлам, будучи на порядок  неприхотливее в эксплуатации, но заметно выигрывают у жидкотопливных и электрических.

 

Таблица 5.1 Годовые затраты на отопление 1 м² площади дома разными системами

Тип тепло-генератора системы отопления	Теплота сгорания топлива	Годовая потребность	Цена энерго- носителя	Стоимость энерго- носителя, руб.	Затраты для дома S=300м2, руб.
Газовый котел
Жидко-топливный котел
Электрический котел	–
Тепловой насос	–

 

Служат они по 15-20 лет до капитального ремонта. В перспективе, в связи с ростом цен на все виды топлива их лидерство обеспечено.

5.2 Общие сведения о тепловом насосе

 

 Тепловые  насосы – это компактные экономичные  и экологически чистые системы  отопления, позволяющие получать тепло для горячего водоснабжения, отопления коттеджей, охлаждения воздуха в комнатах и вентилирования

 

помещений за счёт использования тепла низкопотенциального  источника (тепло грунтовых вод, озёр, морей, грунтовое тепло, тепло  земных недр и т.п.) путём переноса его к теплоносителю с более высокой температурой.

Идея теплового  насоса была известна уже сто лет  тому назад, но только последние несколько  лет соотношение цена – качество – надёжность достигло необходимого для рынка уровня. Кроме того, с ростом цен на энергию и большими требованиями к окружающей среде в мире, увеличилось использование тепловых насосов в качестве отопительных систем в домах. Продажа тепловых насосов в последние годы растёт в Европе и, в частности, во всей Скандинавии. В Швеции, являющейся лидером использования тепловых насосов, их установлено более 400.000, а в Финляндии за последние годы количество проданных насосов увеличилось вдвое. В Швеции для работы тепловых насосов используется вода Балтийского моря с температурой +4 ºС. По прогнозам Мирового Энергетического комитета (МИРЭК), к 2020 году в развитых странах мира теплоснабжение будет, в основном, осуществляться с помощью тепловых насосов.

Для использования  тепла грунтовых вод используют вертикальные коллекторы – это система длинных труб, опускаемых в глубокие скважины (50-150 метров). Нужен всего пятачок земли, зато требуются дорогостоящие бурильные работы. На глубине всегда одинаковая температура – около 10ºС, поэтому данный вид коллектора более эффективен.

Грунт имеет свойство сохранять солнечное тепло в течение длительного времени, что ведёт к относительно равномерному уровню температуры источника на протяжении всего года. Это обеспечивает эксплуатацию теплового насоса с высоким коэффициентом мощности. Тепло окружающей среды передаётся со смесью из воды и антифриза (спирта). Забор тепла из грунта осуществляется с помощью проложенной в грунте системы пластиковых труб на глубине 1-1,2 м. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами около 1 метра.

Преимущества использования отопительных систем на базе тепловых насосов:

• высокая эффективность преобразования электроэнергии по сравнению с электронагревательными приборами;

 

 

• экологически чистая технология;
• отсутствие выбросов в атмосферу вредных веществ и углекислоты;
• используется озонобезопасный вид фреона;
• надежная автоматическая работа установки, не требующая постоянного присутствия человека;
• минимальные эксплуатационные расходы по сравнению с другими отопительными системами;
• длительный срок службы без капитального ремонта;
• малые габариты и вес;
• в качестве источника низкопотенциальной теплоты могут использоваться грунт, вода, окружающий воздух.

Применение  теплового насоса целесообразно:

• в качестве системы автономного обогрева и горячего водоснабжения жилых и производственных помещений, для теплоснабжения и горячего водоснабжения индивидуального жилья;
• для горячего водоснабжения (либо как побочный эффект отопительной функции, либо как основная функция);
• для охлаждения помещений любого рода: для охлаждения и кондиционирования загородных домов, для охлаждения кладовок, хранилищ, погребов, охлаждения производственных помещений и технологического оборудования предприятий;
• для вентиляции коттеджа, деревенского дома, загородного дома, для вентиляции промышленных помещений. Речь идет о так называемой контролируемой вентиляции: тепловой насос регенерирует тепло отточного воздуха и нагревает свежий воздух;
• для удаления из помещений излишней влажности. Данная функция может быть полезна в области хранения продуктов питания, для хранения зерна, фруктов, овощей, для хранения древесины – везде, где необходимо сохранение определенного уровня влажности.

 

 

Основным достоинством теплового насоса является его высокая  эффективность по сравнению со всеми  видами котельных. Учитывая КПД выработки электроэнергии на ТЭЦ, очевидно, что применение теплового насоса в 1,2 - 2,5 раза выгоднее самых эффективных (газовых) котельных. Тепловой насос является исключительно энергоэффективной установкой: внедрение тепловых насосов позволит экономить до 268 кг угля, 84 кг мазута, 58 м³ газа на каждую произведенную Гкал тепла.

Применение  и особенно производство тепловых насосов  в нашей стране развивается с  большим опозданием. Пионером в области  создания и внедрения тепловых насосов  в бывшем СССР был ВНИИхолодмаш. В 1986-1989 гг. ВНИИхолодмашем был разработан ряд парокомпрессионных тепловых насосов теплопроизводительностью от 17кВт до 11,5МВт двенадцати типоразмеров «вода-вода» (в том числе морская вода в качестве источника низкопотенциального тепла для тепловых насосов теплопроизводительностью 300…1000кВт), «вода-воздух» (тепловые насосы на 45 и 65кВт). 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; 8500кВт).

В нашей стране основным производителем тепловых насосов  в течение 15 последних лет является ЗАО «Энергия», г. Новосибирск. На ее счету 126 запущенных тепловых насосов и теплонасосных станций в России и ближнем зарубежье, что составляет 84% от общего числа тепловых насосов, произведенных в нашей стране. Общая тепловая мощность их составляет около 54 мегаватт. Эти установки сосредоточены на самых различных объектах - на промышленных предприятиях, в сельских хозяйствах, социальных учреждениях, частных жилых помещениях. Они используют также самые различные виды низкотемпературного тепла - артезианские скважины, водоводы, тепло градирен, оборотную воду на производственных участках.

5.3 Принцип действия теплового насоса

 

Теоретическая основа теплового насоса – это  термодинамические циклы – круговые процессы в термодинамике, т.е. такие  процессы, в которых начальные  и конечные параметры, определяющие состояние рабочего тела (давление, объём, температура, энтропия) совпадают. Термодинамические циклы используются в тепловых машинах для превращения тепловой энергии в механическую работу, а также для охлаждения/нагрева при использовании обратного цикла. Тепловая машина состоит из рабочего тела, которое и проходит цикл нагревателя и холодильника (с помощью которых меняется состояние рабочего тела).

Рисунок 5.2 – Схема контуров теплового насоса

Тепловой насос  состоит из трёх контуров: так называемого  земляного (реально это может  быть воздушный, водный или грунтовый  контур), внутреннего и отопительного. В земляном контуре происходит отбор  тепла (в разных моделях тепловых насосов температура земляного контура от -13 до +5ºС), которое внутренний контур «перекачивает», превращая его на подаче в отопительном контуре в температуру 55-65 ºС с помощью рабочего тела (хладагента).