Публикация - Применения тепловых насосов в децентрализованных системах теплоснабжения
Подождите немного. Документ загружается.
Применения тепловых насосов в децентрализованных системах
теплоснабжения.
Савкин Д.А., Золотухин А.П., Кущев Л.А.
В настоящее время особенно остро проблема энергосбережения стоит
перед жилищно-коммунальным сектором народного хозяйства страны. На
отопление и горячее водоснабжение, вентиляцию и электроснабжение
гражданских зданий расходуется в Российской Федерации около 30% всего
добываемого топлива в стране[1]. В большинстве городов РФ сложилась крайне
неблагоприятная обстановка с содержанием энергетического хозяйства, где
свыше 40% бюджета города расходуется на теплоснабжение. Около 50%
объектов и инженерных сетей требует замены, не менее 15% находится в
аварийном состоянии. На каждые 100 км тепловых сетей ежегодно
регистрируется в среднем 70 повреждений. Потери в тепловых сооружениях и
сетях достигают свыше 30%, а с утечками теплоносителя ежегодно теряется
более 250 млн. м
3
подогретой воды. Главные резервы экономии топливно-
энергетических ресурсов сосредоточены не только у потребителя, но и в
инженерных сетях, в том числе 25–60% по теплу[1]. Для нормализации
теплоснабжения страны сегодня предлагаются два варианта, каждый из которых
недостаточно проработан применительно к конкретным региональным условиям
централизованного и децентрализованного теплоснабжения. Суть этих
предложений в следующем.
Первый вариант предполагает в основном сохранение существующих
систем централизованного теплоснабжения общего пользования за счет их
частичного обновления и реконструкции. По имеющимся оценкам, для этого
потребуется около 72 млрд. долл. капиталовложений до 2020 года. Такие
затраты, при ожидаемом росте цен на газ и уголь в 2–3 раза, поднимут цену
тепла не менее чем в 3–4 раза, что экономически неприемлемо для социально
значимых потребителей.
Второй вариант предлагает массовый отказ от систем централизованного
теплоснабжения и повсеместный переход к децентрализованным системам
теплоснабжения (использованию индивидуальных источников тепла)[2].
Одним из самых экономичных источников тепла является тепловой насос
(ТН). Принцип действия ТН базируется на реализации обратного
термодинамического цикла. В ТН рабочий агент совершает обратный круговой
термодинамический цикл, в результате которого обеспечиваются вывод энергии
от холодного источника и передача её теплоносителю с более высокой
температурой за счёт подвода внешней энергии к компрессору [3].
Как свидетельствует мировой опыт, ТН довольно интенсивно вытесняют
традиционные схемы теплоснабжения, основанные на сжигании органического
топлива. ТН могут использоваться в качестве квартирных, домовых,
квартальных и районных источников теплоснабжения. Они не требуют больших
сроков строительства. ТН могут размещаться вблизи потребителей, что
позволяет минимизировать протяженность тепловых сетей, практически
исключив потери тепловой энергии при транспортировке.
По оценкам специалистов, в настоящее время в мире установлено около
100 миллионов тепловых насосов и ежегодно устанавливается еще порядка 20
миллионов. В Швеции 50% всего отопления обеспечивают геотермальные
тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления обеспечивается
геотермальными насосами с общей мощностью 320 МВт, источник тепла -
Балтийское море. Швейцария эксплуатирует свыше 60000 тепловых насосов, что
составляет примерно 30% от общего количества тепловых установок в жилых
домах. США ежегодно производится более 1 млн. геотермальных тепловых
насосов. Федеральное законодательство США, при строительстве новых
общественных зданий, требует использовать геотермальные тепловые насосы в
системах отопления. В Японии ежегодно производится 3 миллиона тепловых
насосов. В Германии предусмотрена дотация государства в размере 30 евро на 1
кВт установленной тепловой мощности тепловых насосов. Цена теплового
насоса , которая составляет порядка 13 тысяч евро, стала доступна большинству.
Поэтому доля тепловых насосов в общем количестве тепловых установок
составляет 2%, ежегодно устанавливается около 50 тысяч тепловых насосов. В
основном в новостройках. В Китае 20% климатического оборудования
составляют тепловые насосы [4].
В нашей стране вопросами применения тепловых насосов начали
заниматься с 1926 г. [5]. В промышленности с 1976 г. работали тепловые насосы
на чайной фабрике (г. Самтредия) [6], на Подольском химико-металлургическом
заводе (ПХМЗ) с 1987 г. [7], на Сагареджойском молочном комбинате, в
подмосковном молочно-животноводческом совхозе «Горки-2» с 1963 г. Кроме
промышленных предприятий тепловые насосы в тоже время применялись в
торговом центре (г. Сухуми) для теплохладоснабжения, в жилом доме (пос.
Букурия, Молдова), в пансионате «Дружба» (г. Ялта), климатологической
больнице (г. Гагра), курортном зале Пицунды.
Но Россия пока существенно отстает в этой сфере, т.к. после 1989г.
внедрение ТН прекратилось, хотя имеется огромный потенциал
низкотемпературных ресурсов, которые можно использовать для
теплоснабжения. Между тем с учетом более жестких климатических условий и
более продолжительного отопительного периода экономическая и
экологическая эффективность от применения ТН у нас будет намного выше, чем
в странах Европы, США и Канады
В России в настоящее время ТН изготавливаются только по
индивидуальным заказам различными фирмами в Нижнем Новгороде,
Новосибирске, Москве. Так, например, фирмой «Тритон» в Нижнем Новгороде
выпускаются ТН теплопроизводительностью от 10 до 2000 кВт с мощностью
компрессоров Nэл от 3 до 620 кВт [8].
В РФ разработано «Руководство по применению тепловых насосов с
использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных
возобновляемых источников энергии», которое утверждёно
«Москомархитектурой» в 2001 г, которая дает общие рекомендации по выбору
теплового насоса[9].
Основную сложность при подборе ТН представляет собой пересчет его
характеристик на реальные условия работы. Существующие методики пересчета
основаны на эмпирических формулах, не всегда объективных, или на опытных
данных изготовителей. Теоретических формул определения тепловой мощности
ТН с достаточной степенью точности в зависимости от условий работы, не
существует.
Работы зарубежных и отечественных ученых, таких как Кутателадзе С.С.,
Лукомского С.М.[10], в этой области привели к выведению частных
эмпирических формул позволяющих объективно определить коэффициент
теплопередачи со стороны кипящего хладагента только для определенного
вещества и ограниченных условий работы ТН.
Тепловая мощность ТН зависти от количества тепла переданного
хладагенту источником теплоты, количество тепла определяется по формуле:
Q=kF
m
(1)
где Q-количество тепла переданное хладагенту,Вт, k- коэффициент
теплопередачи, Вт/м
2
*
0
С, F- площадь теплообменника,м
2
,
m
- разность
температур между источником тепла и кипением хладагента,
0
С. Коэффициент
теплопередачи [11] находится по формуле:
k=1(1/
a
+1/)*x (2)
где - коэффициент теплопередачи со стороны источника тепла, Вт/м
2
*
0
С, х-
коэффициент учитывающий количество труб в теплообменнике,
a
-
коэффициент теплопередачи со стороны кипящего хладагента, Вт/м
2
*
0
С,
который и представляет наибольшую трудность в определении. Для
a
не
существует общей теоретической формулы для всех хладагентов и условий их
работы.
Теоретическое определение
a
позволит повысить эффективность ТН за
счет уменьшения площади испарителя и повышения теплоотдачи. Для этого
необходимо проведение комплекса теоретических и экспериментальных
исследований работы ТН в децентрализованной системе теплоснабжения ЖКХ.
В Белгороде имеется некоторый опыт по внедрению тепловых насосов: на
недавно открытом комплексе «Сити-Мол» применяются ТН для отопления в
зимний период с отбором теплоты от уходящего воздуха систем вентиляции, а
также в жилом микрорайоне «Восточный» сдан в эксплуатацию
энергоэффективный дом, где для отопления и горячего водоснабжения
применены ТН.
В современных условиях факторами, способствующими повышению роли
теплонасосной техники и стимулирующие ее развитие, являются: рост
стоимости топлива, ужесточение экологических требований, повышающих
конкурентоспособность ТН; необходимость усовершенствования и снижения
топливо- и капиталоемкости теплоснабжения. Наибольший потенциал
использования имеют загрязненные и очищенные хозбытовые стоки,
техническая вода тепловых и атомных электростанций, тепловые сбросы
промышленных предприятий для использования которых в условиях рыночной
экономики становится актуальным проведение научно-исследовательских работ
и разработка эффективных теплообменников, работающих в загрязненных и
агрессивных средах и соответствующих технологий с применением тепловых
насосов.
В настоящее время широкое внедрение ТН по утилизации
низкопотенциальной теплоты сдерживается из-за перекоса цен на тепловую и
электрическую энергию, отсутствия необходимых нормативно-законодательной
базы и инвестиционного климата, а самое главное — недостаточного внимания
и поддержки государственных и региональных органов власти к данной
проблеме.
Список литературы
1. http://www.energo-resurs.ru Д. Г. Закиров, А. В. Полежаев. Проблемы и
перспективы снижения затрат на теплоснабжение объектов в сфере ЖКХ за
счет применения теплонасосных технологий.
2. А. С. Некрасов, С. А. Воронина. Доклада на международном семинаре
«Проблемы теплофикации в странах с переходной экономикой».Москва 23
марта 2004 года.
3.Рей Д. Тепловые насосы/ Д.Рей, Д. Макмайл, пер.с англ.-
М.:Энергоиздат,1982-224с.
4.http://www.hvacref.ru/articles/HT_Heat%20pumps.pdf С.А.
Коваль. Особенности применения тепловых насосов для отопления дома
5. Михельсон В. А. О динамическом отоплении. Прикладная физика. Т.III,
вып. З-4, 1926.
6. Везиришвили О.Ш., Меладзе Н. В. Энергосберегающие теплонасосные
системы тепло- и хладоснабжения. - М.: Издательство МЭИ, 1994.
7. Мартынов А. В., Яворовский Ю. В. Использование ВЭР на предприятиях
химической промышленности на базе ТНУ. Химическая промышленность № 4,
2000.
8. Мартынов А.В. Децентрализованные системы теплоснабжения. Журнал
«Новости теплоснабжения» №7, 2006 г.
9. «Руководство по применению тепловых насосов с использованием
вторичных энергетических ресурсов нетрадиционных возобновляемых
источников энергии». Утверждено и введено в действие указанием
Москомархитектуры от 31.01.2001 г. № 8.
10. Кутателадзе С.С. Теплопередача при конденсации и кипении-
Л.:Машгиз,1953-236с.
11. Розенфельд Л.М. Холодильные машины и аппараты/Л.М.Розенфельд,
А.Г.Ткачев.-М.:Госторгиздат,1955г.-651с.