Строй-справка.ру

Навигация:
Главная → Все категории → Энергосбережение в строительстве

Две особенности тепловых насосов делают их весьма выгодными для использования в будущем в шведских энергетических системах. Во-первых, тепловые насосы способны извлекать или рекуперировать тепло из низкотемпературных источников, которые обычно не могут быть использованы для

о отопления. Низкотемпературное тепло в большом количестве содержащееся в воздухе, земле, озерной воде, подземных водах и других естественных источниках, может быть использовано с помощью тепловых насосов для отопления помещений и нагрева воды для бытовых целей. Во-вторых, тепловые насосы имеют существенно более высокую эффективность использования энергии по сравнению с любым традиционным методом обогрева. Котел, работающий на жидком топливе, позволяет использовать около 75-80% энергии, содержащейся в топливе. Прямой электрический обогрев дает практически 100% в месте использования, но тепловой насос обычно позволяет получить в 3 раза больше энергии по сравнению с затраченной в месте использования.

В тепловых насосах используется быстро испаряющаяся жидкость с точки зрения существенно ниже 0 °С, циркулирующая в замкнутом испарительном контуре при температуре, обычной для озерной воды или почвы. При этой температуре рабочая жидкость кипит и поглощает значительное количество скрытой теплоты при низкой температуре. Полученные пары сжимаются с помощью компрессора, что приводит к повышению их температуры. Сжатые горячие пары направляются в конденсатор, где тепло, получаемое при конденсации пара, выделяется в систему распределения и происходит образование жидкости.

Таким образом, затраты на топливо определяются той энергией, которая необходима для привода компрессора. Энергия, затрачиваемая на привод компрессора, обычно составляет около 1/3 полной энергии, получаемой с помощью теплового насоса, что обеспечивает малые эксплуатационные затраты и высокий коэффициент преобразования тепла.

Коэффициент преобразования тепла теплового насоса (КПТ) определяется как отношение энергии, получаемой с помощью теплового насоса, к энергии, необходимой для привода компрессора. Поскольку рабочие условия меняются в течение года, что вызывает изменение KELT теплового насоса, в расчетах обычно используется среднегодовая величина, называемая сезонным КПТ. Чем выше сезонный КПТ, тем эффективнее процесс.

Термодинамика процесса работы теплового насоса была хорошо известна уже в начале прошлого столетия. Этот принцип был использован в холодильных установках, но так как тепловые насосы (подобно солнечным коллекторам) требуют значительно больших капитальных затрат, чем обычные топливные устройства, их применение в Скандинавии стало коммерчески привлекательным только после нефтяного кризиса 70-х годов. Но уже в 1984 г. почти 70 000 тепловых насосов было установлено в Швеции для отопительных целей, из них около 50% по вырабатываемой тепловой энергии были установлены за последний год. Почти 50% этих тепловых насосов используют тепло наружного или выбрасываемого вентиляционного воздуха.

Тепловые насосы широко применяются в групповых котельных, обеспечивающих теплом здания, расположенные на относительно малой территории или принадлежащих одному владельцу. В Швеции имеется около 6 ООО таких котельных коллективного пользования, которые обеспечивают теплом жилые помещения, и 4 ООО таких котельных используются в промышленности, потребляя почти половину нефти, используемой в стране. Такие котельные можно весьма легко перевести на тепловые насосы, что даст возможность получить значительную экономию потребления нефти в промышленности и коммунальном хозяйстве.

Конкурентоспособными могут быть и мощные тепловые насосы. За короткое время они прошли путь от опытных установок до коммерческого применения. В 1984 г. 30 теплонасосных установок мощностью 10 МВт и более работали или сооружались в шведских городах. Все эти установки (за исключением одной) обеспечивали районное теплоснабжение.

В тепловых насосах обычно используются компрессоры с электрическим приводом, хотя возможен дизельный и газовый привод. Существуют тепловые насосы, работающие по другому, немеханическому принципу. Такие установки известны как абсорбционные тепловые насосы. В этом случае для извлечения энергии вместо механической работы используется химическая реакция. Используются два химических компонента — рабочее тело и растворитель, циркулирующие в замкнутом цикле, в котором поддерживаются различные температуры и давления. Механическая энергия или электроэнергия, за исключением привода циркуляционного насоса, не требуется, но источник тепла должен обладать температурой в диапазоне 120-200 °С. Это обеспечивает значительную свободу в выборе источников энергии. Тепло высвобождается в нескольких фазах процесса. Абсорбционный тепловой насос потребляет только 1/100 электроэнергии по сравнению с потреблением энергии соответствующим тепловым насосом с компрессором. Но, с другой стороны, абсорбционный тепловой насос требует источника тепла с более высокой температурой. В Швеции подобные тепловые насосы еще находятся в стадии разработки. Совет ознакомился с результатами исследований и разработок в других странах. Международное сотрудничество свидетельствует, что большие абсорбционные тепловые насосы станут экономически эффективными в ближайшем будущем.

Тепловые насосы, использующие тепло, запасенное во внешнем воздухе (рис. 1). Воздух является источником тепла, на который не оказывают влияния какие-либо местные условия (за исключением холодного периода года). Таким образом, тепловые насосе;, использующие тепло внешнего воздуха, имеют существенно большие потенциальные возможности для применения в жилом секторе по сравненению с другими типами тепловых насосов, хотя из воздуха удается извлечь несколько меньшее количество тепла, чем из большинства других источников.





Уменьшение температуры воздуха с 10 до 0 °С приводит к увеличению потребности в обогреве жилых помещений в индивидуальных домах почти на 100%. К сожалению, при этом возможности получения тепла с помощью теплового насоса уменьшаются почти на 40%. Поскольку воздух имеет небольшую плотность тепловой энергии и низкую теплоемкость, требуется прокачивать его в большом количестве через теплопоглощающий коллектор. Для обеспечения теплом дома средних размеров требуется около 3000 м3/ч. в будущем использующиеся сегодня вентиляторы возможно будут заменены ветряными преобразователями, которые не потребуют каких-либо движущихся элементов. Такие преобразователи в настоящее время испытываются на экспериментальных установках.

Технически вполне возможно извлекать тепло из внешнего воздуха при температуре до -20 °С, но при этом требуются значительные затраты энергии для привода компрессора, поэтому экономические показатели всего процесса оказываются весьма низкими. Обычно тепловые насосы, использующие тепло внешнего воздуха, отключаются, когда температура опускается ниже — 10 °С, и включается резервная отопительная система, предназначенная для покрытия пиковых нагрузок. Однако разрабатываются новые методы. Недостатком тепловых насосов, использующих тепло внешнего воздуха, является образование льда на испарителе, когда температура поверхности испарителя опускается ниже 0 °С, что происходит при температуре воздуха ниже +5 °С. Этот лед приводит к снижению эффективности испарителя. Для размораживания льда с испарителя должны приниматься специальные меры. Несмотря на это, простота установки теплового насоса, использующего тепло наружного воздуха и экономическая конкурентоспособность определили его наиболее широкое применение среди 70 000 тепловых насосов, установленных в шведских индивидуальных домах (рис. 2).

Группа тепловых насосов Совета считает, что около половины существующих по состоянию на 1985 г. в Швеции индивидуальных домов (более 800 ООО домов) представлялось целесообразным оборудовать тепловыми насосами, использующими тепло внешнего воздуха. Такие тепловые насосы конкурентоспособны по сравнению с отопительными системами, использующими жидкое топливо, и электрическими отоплением для жилых многоквартирных домов, а также с групповыми котельными установками (рис. 3). Тепловые насосы с использованием наружного воздуха мощностью до 3 МВт проходят испытания в ряде экспериментальных строительных проектов при поддержке Совета. При этом хорошо подтверждаются сравнительные характеристики и экономичность действующих проектов в различных зданиях и условиях. Специальная программа направлена на преодоление проблемы, связанной с шумом вентиляторов.









Использование озерной воды в качестве источника тепла позволяет использовать эффект естественного сезонного накопления летнего тепла в озерах и водопротоках. Летом температуры верхних слоев воды в озере может часто превышать +20 °С. В зимний период, после формирования льда, который обычно образуется в центральной Швеции в конце декабря, наивысшей температурой обладает вода близ дна. Донные отложения также обладают большим количеством низкотемпературного тепла при температурах от 4-6 до +9 °С. Морская вода в Балтийском море редко превышает летом +17...+18 °С. Но, с другой стороны, в зимний период на глубине 60--70 м температура сохраняется на уровне +4...+5 °С. Поскольку температура озерной воды относительно стабильна и медленно понижается к точке замерзания, в холодную часть года можно создать тепловой насос с хорошими экономическими показателями и с оптимальным размещением элементов системы с точки зрения извлечения воды для отопления из слоя с оптимальной температурой в течение всего года.

Обычно используются два типа коллекторов. Тепло может извлекаться с помощью замкнутой трубопроводной системы, размещенной на дне озера либо погруженной в осадочные слои. Тепло дна и воды близ дна поглощается раствором гликоля либо солевым раствором, циркулирующим в трубопроводной системе и отдающим тепло в испарители теплонасос-ных установок. Коллектор также может быть размещен как открытая система с закачкой озерной воды непосредственно в испаритель насоса. После охлаждения вода сбрасывается в озеро достаточно далеко от места забора теплой воды во избежание рециркуляции.

В 1985 г. в Швеции было установлено около 2 ООО тепловых насосов, использующих замкнутую трубопроводную систему. Следует отметить, что обычно такие тепловые насосы обладают относительно низкими показателями. Тепловые насосы с коллектором открытого цикла обладают, как правило, лучшими показателями, но пока их установлено в Швеции несколько меньше, чем тепловых насосов с замкнутым рециркуляционные циклом.

Вполне возможно отбирать тепло из озерной воды в количестве около 10-15 кВт ч/м2 поверхности озера в год без риска экологических последствий для окружающей среды. Это значит, что каждый квадратный километр поверхности озера может обеспечить теплом 1000 индивидуальных долов среднего размера.

С технической точки зрения возможности использования поверхностных вод в качестве источника тепла ограничены в первую очередь расстоянием между источником воды и местом ее использования. Как правило, крупная установка выходной мощностью около 10 МВт может быть размещена на расстоянии до 10 км от озера или другого крупного источника воды (рис. 9.4), тогда как при мощности до 1 МВт целесообразное расстояние уменьшается до 1 км. Исследованиями установлено, что общее количество тепла, имеющегося у этого источника энергии, около 10 ТВт ч/год.

Тепловые насосы на озерной воде варьируются от небольших для индивидуальных домов, обеспечивающих мощность около 10 ТВт ч/год, до групповых отопительных установок общей мощностью около 7 МВт. В установках этого типа тепловой насос дает 2,1 МВт, а остальная мощность в период пиковых нагрузок обеспечивается бойлерами на жидком топливе. В новых индивидуальных домах тепловой насос может покрывать всю Потребность в тепле, включая и пиковые нагрузки; в существующих домах обычно обеспечивается до 75% потребности в тепле. Пиковые нагрузки покрываются уже существующими традиционными отопителями. Для многоквартирных жилых домов потребности в тепле за счет теплового насоса обеспечиваются на 70-80%, тогда как в групповых отопительных установках — лишь примерно на 60- 80% годовой потребности в тепле.





Тепловые насосы, использующие тепло сточных вод. Сточные воды, подобно внешнему воздуху, являются низкотемпературным источником тепла, который особенно удобен для использования тепловыми насосами. Сточные воды при температуре около +20 °С летом и редко менее +8 °С зимой имеются, как правило, во всех городских застройках. В очищенном виде либо необработанными они могут использоваться как источник тепла. Неочищенные сточные воды обычно имеют большую температуру, и можно сократить расстояние между тепловым насосом и местом их использования, но их применение часто приводит к засорению трубопроводов и блокированию теплообменных поверхностей.

Тепловые насосы, предназначенные для извлечения тепла, целесообразно размещать вблизи городских очистных сооружений либо в больших зданиях, например больницах, где имеется большое количество относительно чистых сточных вод. Подобные относительно крупные отопительные системы используются в ряде городов Швеции для систем центрального отопления. В Упсале, например, существует система с тремя тепловыми насосами, каждый установленной мощностью 13 МВт для обеспечения теплом городской системы теплоснабжения.

Сезонный коэффициент преобразования тепла таких установок весьма высок (2,5-3,5), и соответственно экономические показатели хорошие. Пока трудно оценить общие возможности таких установок, но их создание возможно почти на всех 1400 станциях по обработке сточных вод. Теоретически количество рекуперированного тепла может быть сопоставлено с полным энергопотреблением на производство горячей воды и оценивается как примерно 15-20 ТВт ч/год. Если извлекать около 1/4 тепла, затрачиваемого на обеспечение горячего водоснабжения, то это составит экономию около 700- 800 тыс.м3 нефти в год.

Тепловые насосы, использующие тепло вентиляционного воздуха. Как уже было сказано, тепловые насосы для рекуперации тепла из выбрасываемого вентиляционными системами воздуха (т.е. из зданий с механической системой вентиляции) могут быть установлены в многоквартирных и индивидуальных зданиях. Температура воздуха, выбрасываемого через вентиляционные системы с механическим приводом, составляет около +20 °С и мало изменяется в течение года, что позволяет получить более высокий коэффициент преобразования тепла по сравнению с другими источниками низкопотен-циального тепла. С другой стороны, вентиляционный воздух является сравнительно ограниченным источником тепла и экономически невыгодно увеличивать вентиляционный воздушный поток, так как в результате это приведет к увеличению потребности в отоплении. В данном случае, как и для тепловых насосов, использующих наружный воздух, стоимость источника тепла ниже, чем для большинства других типов тепловых насосов. Конфигурация системы зависит от места расположения теплового насоса в здании. Извлеченное тепло транспортируется в накопитель тепла, который может быть размещен, например, в подвале здания. Тепловой насос может быть установлен либо в чердачном помещении, рядом с каналом выброса вентиляционного воздуха, либо рядом с водяным накопителем тепла в подвале. В этом случае конденсатор устанавливается в канале выброса вентиляционного воздуха и соединяется с испарителем теплового насоса через замкнутую систему (рис. 9.5).

Первоначально тепловые насосы, использующие тепло вентиляционного воздуха, проектировались для обеспечения горячего водоснабжения. Последующие работы показали, что эти системы не экономичны, поскольку тепловой насос используется по времени только на 50%. Большая часть затрат





в таких системах связана с прокладкой трубопроводов, а также строительными работами в здании, что делает более целесообразным выбор тепловых насосов, которые могут рекуперировать больше тепла из выбрасываемого воздуха и использовать это тепло для отопления.

В Швеции около 30 тыс. многоквартирных зданий с 950 тыс. квартир имеют механическую вытяжную систему вентиляции.

В 1981 г. в Швеции применялись 40 систем с тепловыми насосами, использующими тепло вентиляционного воздуха в жилых зданиях, в которых, по крайней мере, 1300 квартир. В то же время, по крайней мере, для 5000 квартир выполняют работу по проектированию и сооружению таких систем. В настоящее время такие системы выпускаются и для вновь строящихся индивидуальных домов. С 1979 г. ведутся сравнительные испытания в четырех экспериментальных зданиях. Сезонный коэффициент преобразования тепла составляет от 3 до 4, что подтверждает целесообразность применения тепловых насосов, использующих тепло вентиляционного воздуха как для горячего водоснабжения, так и для отопления.

Тепловые насосы, использующие тепло поверхностных слоев земли. Тепло верхних слоев земли может быть использовано в качестве источника тепла для индивидуальных и многоквартирных домов, а также групповых котельных мощностью до 1 МВт. Механизм накапливания тепла в земле аналогичен механизму накапливания тепла в озерах, где слои земли являются стабильными аккумуляторами солнечного тепла, накопленного в летний период, и представляют собой большой источник низкотемпературного тепла, которое

может быть использовано зимой. В летний период солнечное тепло проникает в землю на глубину около 3 м. В южной части Швеции температура грунта может достигать +10 °С, температура грунта достигает максимума в конце лета и обычно превышает температуру воздуха в период с сентября по март.

Пригодность для теплоснабжения зависит от типа грунта и содержания в нем воды. Стандартные системы, имеющиеся в настоящее время в продаже, способны обеспечивать около 30-40 кВт ч/(м2 год). Коллектор тепла представляет собой пластиковый трубопровод в форме решетки, размещенной в земле на глубине 0,6--1,5 м (рис. 6). Установка для индивидуального дома мощностью около 10 кВт требует 300--400 м трубопровода, заглубленного на площади 300--400 м2. Постоянная и относительная высокая температура земли позволяет подобрать тепловой насос, способный обеспечить все энергетические потребности хорошо изолированного индивидуального дома. Если исходить из занимаемой площади, то в Швеции, вероятно, больше тепловых насосов, использующих тепло земли, чем в любой другой стране мира. Уже работают около 13 000 систем такого типа и 3000 тепловых насосов вводятся в строй ежегодно. Несмотря на относительную дороговизну таких систем, они успешно применяются в секторе индивидуальных домов и, по-видимому, смогут использоваться для больших зданий, обладающих достаточной площадью земли, например для школ. В 400 тыс. существующих индивидуальных зданиях можно использовать тепло поверхности земли. Если в будущем сократить требующуюся для теплового насоса площадь земли на 50%, то потенциальное применение таких установок удвоится. Исследования Совета показали, что это будет возможно без снижения температуры земли, приводящего к отрицательным экологическим явлениям.





Тепловые насосы, использующие тепло подземных вод и скальных пород. Подземные воды, так же как и поверхностные слои земли, могут быть использованы в качестве источника тепла для индивидуальных домов, многоквартирных зданий и групповых котельных мощностью до 1 МВт. Температура подземных вод обычно является постоянной на глубине 15--20 м, хотя существует значительная разница в температурах в северной и южной частях страны: в южной Швеции температура подземных вод около +8 °С, а в более северных районах только +2 °С.

Для извлечения тепла из подземных вод используются обычные методы бурения скважин диаметром 10--20 см, глубиной 50--150 м. Как и при использовании озерной воды, применяются два существенно различных принципа сбора тепла. В одном случае замкнутая трубопроводная система опускается в скважину. В таком коллекторе циркулирует теплоноситель, который извлекает тепло из подземной воды и переносит его в испаритель теплового насоса. Охлажденный раствор-теплоноситель затем закачивается обратно через систему скважин. Для небольшого теплового насоса мощностью около 10 кВт, который может использоваться для индивидуальных домов, требуется около 12 м3/ч подземной воды (в зависимости от температуры).

В другом варианте подземная вода закачивается непосредственно в испаритель и после охлаждения сбрасывается в специальную скважину, достаточно далеко от места забора, чтобы исключить охлаждение источника подземной воды. Более 3000 таких систем, множество различных производителей обеспечивают тепловыми насосами системы с использованием подземных вод (для индивидуальных домов).

Эксплуатируется также несколько меньшее количество относительно более мощных систем, использующих подземные воды. Теоретически такие тепловые насосы имеют большие потенциальные возможности по сравнению с системами, использующими тепло поверхностных слоев земли, поскольку применение последних ограничено наличием подходящих

участков земли с необходимыми характеристиками, тогда как использование подземной воды в качестве источника тепла определяется не только наличием таких вод, но и риском нарушения экологического баланса подземной воды и ее недостаточным объемом.

Возможности использования тепловых насосов на подземных водах ограничено территориями, где температура подземной воды на глубине 10 м меньше +4,5 °С.

Оценки показывают, что для условий Швеции количество тепла, которое может быть извлечено из подземных вод без ущерба для водоснабжения, достаточно, чтобы обеспечить годовую потребность в отоплении 184 тыс. жилых единиц, или около 9% жилого фонда многоквартирных домов. Группа тепловых насосов Совета считает, что системы отопления от грунтовых вод могут быть установлены с тем же охватом шведских индивидуальных зданий, что и системы с использованием тепла грунта. Если к 1990 г. удастся установить 50 000 систем, использующих тепло подземных вод для отопления индивидуальных домов, то это позволит сэкономить около 0,8 ТВт ч энергии.

Геотермальные воды. Общий рыночный потенциал систем отопления от подземных вод определяется в объеме 5 ТВт-ч/год. В подготовительной стадии находится использование геотермальной энергии со значительных глубин. Этот1 метод использования тепла основан на том, что температура земли возрастает с глубиной. Пробное бурение в южной части Швеции показало наличие больших количеств геотермальных вод с температурой до +90 °С с песчаниках на глубине 700-3000 м. Бурение на острове Готланд показало, что геотермальные воды с температурой 35 °С могут быть в осадочных породах на глубине 500 м. Эти и подобные методы извлечения тепла со значительных глубин могут обеспечить в будущем часть потребностей отопления шведского коммунального хозяйства. Группа по использованию тепла в скальных породах Совета считает, что рыночный потенциал этого источника тепла в Швеции составляет около 2 ТВт-ч/год. Этот тип источников сосредоточен в основном на юго-западе Швеции. Используемые методы сходны с применением подземных вод, так как тепловые насосы должны быть использованы, когда скважины пробурены достаточно глубоко, чтобы достичь температуры геотермальных вод ниже 70 °С.

С учетом технических и экономических показателей установки по извлечению тепла из глубоко залегающих скальных пород могут быть соединены с системами извлечения тепла из подземных вод. Такие установки используют отдельные скважины, пробуренные в скальных породах на глубину 100--200 м, в качестве источника тепла для тепловых насосов. Для извлечения тепла с помощью теплового насоса

может использоваться система открытого или замкнутого цикла. Теоретически система открытого цикла может обеспечить извлечение тепла около 10 Вт/м; в замкнутой системе возможно получение 20-30 Вт/м (глубины скважины). Относительно крупные системы, например для групповых котельных, могут использовать большое число скважин на единицу площади. До сих пор в Швеции создано более 2000 установок, главным образом, для индивидуальных домов. Расчеты показали, что при имеющемся уровне технологии можно получить около 2 ТВт-ч/год энергии, но эта величина может быть значительно выше, если будет разработана новая технология. Проводятся испытания простых солнечных коллекторов для восстановления потерь тепла скальными породами; такие устройства окупаются в 3--5 лет. Созданы шесть экспериментальных проектов домов с отопительными установками мощностью от 100 кВт до 10 МВт. Тепловые насосы меньшей мощности подсоединены на групповые котельные; две крупные установки мощностью 3 и 10 МВт подключены к системе районного теплоснабжения. Измерение эффективности и оценка показателей проводятся для Совета также на двух больших коммерческих установках в Стокгольме и Уп-сале мощностью 5 и 38 МВт соответственно.

Использование других источников тепла. Тепловые насосы, использующие сбросовое тепло технологических процессов, в отдельных случаях исключительно эффективны и окупаются через 1--3 года. Совет провел более 10 исследований совместно со шведской комиссией по замене нефти, используя ссуды и займы на некоторые проекты. Все исследования касались обеспечения систем районного теплоснабжения теплом отходов с использованием тепловых насосов. Однако в ряде случаев оказалось невозможно достичь согласия между местными органами власти и промышленностью на такое использование отходов.

Использование тепла конденсации от крупных холодильных систем и катков с искусственным льдом позволяет решать с помощью тепловых насосов проблемы отопления в этих зданиях и примыкающих сооружениях. В настоящее время испытываются два экспериментальных проекта, в которых используется тепло от конденсаторов крупных морозильных и холодильных камер в магазинах и два проекта с использованием тепла конденсации от установок приготовления искусственного льда. В двух других проектах в зимнее время используется тепло конденсаторов холодильных установок открытых катков с искусственным льдом. В летнее время трубопроводы катка, по которым циркулирует подсоленная вода, используются как коллектор солнечного тепла.

Проводятся два исследования возможности использования скрытого тепла воды, выделяющегося в процессе замораживания. Это направление представляется перспективным и оно уже используется практически в новых административных зданиях.

Похожие статьи:
Опыт жилищных организаций

Навигация:
Главная → Все категории → Энергосбережение в строительстве

Статьи по теме:

• Опыт жилищных организаций
• Опыт участия местных властей
• Опыт правительственных мероприятий
• Стратегии по энергосбережению, руководству и внедрению новой технологии
• Предварительное финансирование

Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум