ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЧАСТНОГО СЕКТОРА

GEOTHERMAL SYSTEM FOR THE HEAT SUPPLY OF THE PRIVATE SECTOR

Irina Ivanova

3rd year student, Faculty of Construction, Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering,

Russia, Tomsk

Vitaly Rekunov

Scientific Supervisor, Candidate of Technical Sciences, Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering,

Russia, Tomsk

АННОТАЦИЯ

Проведён тест ведущих применяемых систем теплонасосных установок для способности использования в частном секторе. Обнаружены выдающиеся качества и дефекты невесомых термических насосов в критериях морозного климата. Выявлена энергоэффективность применения системы геотермальных насосов по сопоставлению с электроотопительными и газовыми отопительными системами.

ABSTRACT

The test of the leading used systems of heat pump installations was carried out for the ability to use in the private sector. Outstanding qualities and defects of weightless thermal pumps a frosty climate have been discovered. The energy efficiency of using system of geothermal pumps in comparison with electric and gas heating systems has been revealed.

Ключевые слова: геотермальный тепловой насос, энергоэффективность.

Keywords: geothermal heat pumps, energy efficiency.

В современном мире вопрос сбережения энергии считается животрепещущим. Для обеспечения экономических характеристик теплоснабжения возможно применение теплового насоса ­– устройство для перенесения тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с невысокой температурой) к потребителю с более высокой температурой. Термодинамически тепловой насос имеет сходство с морозильной камерой. У нее ведущей целью считается создание мороза путем отбора тепла из какого-нибудь объема испарителем, а конденсатор выполняет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе наоборот.

В зависимости от источника отбора тепла тепловые насосы распределяются на три группы:

1) Геотермальные (использование тепла земли);

2) Воздушные (источник тепла воздух);

3) Вторичное тепло (тепло трубопровода центрального отопления).

Последний вариант относиться к промышленным объектам, на которых есть источники паразитного тепла подлежащие утилизации [1].

Тепловой насос – устройство для производства тепла с использованием обратного термодинамического цикла [2]

Рассмотрим геотермальные тепловые насосы (ГТН), с рядом преимуществ.

1. Экономичность

Сравнительно невысокое энергопотребление достигается за счет высочайшего коэффициента преобразования теплоты геотермальной тепловой насосной системы (от 300 до 700 процентов) и позволяет получить на 1 кВт потраченной энергии 3-7 к Вт тепловой энергии или же 15-25 кВт мощности по остыванию на выходе. Для сопоставления воздушный тепловой насос имеет коэффициент приблизительно два и находиться в зависимости от запасной электрической или иной энергии для покрытия пиковых нагревов и остываний.

Система имеет продолжительный срок службы от 25 до 50 лет. Она греет прохладной зимой, освежает теплым летом и круглый год будет предоставлять горячую воду. Вопрос климата станет решен всецело, так как отсутствует надобность обслуживания и трудности с запуском, как у толов и кондиционеров.

2. Комфорт

Система с ГТН функционирует без нареканий и колебания температуры в помещении малы. Из-за отсутствия внутреннего и внешнего блока, не возникает шум. Используется многозонный климатический контроль.

3. Экологичность

Экологически чистый метод отопления и кондиционирования, так как не производиться выпуск углекислого газа, азота и иных выбросов, ведущих к ухудшению экологии земли.

4. Безопасность

Не выделяются аллергенные вещества, которые опасны для человека, в помещение, из-за отсутствия сжигаемого топлива и опасных хладагентов.

На рис. 1 изображена схема работы геотермального насоса в стадии нагрева.

Рисунок 1. Функциональная схема ГТН

Рассмотрим принцип работы ГТН. Тепло поступает от земли через замкнутый контур труб, размещённых в зависимости от местности горизонтально (от 1 до 3 м глубиной) или вертикально (от 50 до 100 м глубиной). Раствор водяного антифриза, находящийся в земле, циркулирует по пластиковым трубам, чтобы забрать тепло земли зимой или отвести тепло в землю летом. Система с разомкнутым контуром использует грунтовую или озерную воду прямо в теплообменнике и затем сливает её в другую скважину, поток, озеро или в землю [3].

Скорость остывания и для каждого здания своя и зависит от теплоемкости строительных конструкций, сопротивления наружных ограждений, температуры окружающей среды, скорости ветра. Для жилых и общественных зданий, возведенных по нормативам теплозащиты 1960 – 1980 годов, остывание происходит по экспоненте в соответствии с зависимостями на рис. 2 [4].

Рисунок 2. Скорость остывания воздуха

При нулевой температуре на улице воздух помещения охладится от начальной температуры +18° C до +10° C примерно за десять часов, и столько же времени потребуется для охлаждения внутреннего воздуха до отрицательной температуры при 20-градусном морозе.

Коэффициент преобразования теплоты тем выше, чем ниже температура конденсации и чем выше температура кипения хладагента. Следовательно, системы отопления, получающие тепло от тепловых насосов, должны быть низкотемпературными, а источник рассеянного тепла должен иметь максимально возможную температуру [5].

Примерные значения коэффициентов преобразования теплоты КТН, передающих теплоту от жидкого теплоносителя в испарителе к жидкому теплоносителю в конденсаторе, приведены в таблице 2.

Например, для низкотемпературной системы отопления жилого дома для одной семьи тепловой мощностью 12 кВт с температурами теплоносителя 40-35°С предполагается использовать тепловой насос, забирающий теплоту грунта посредством охлаждения до температуры минус 6° С водного раствора этиленгликоля или другого антифриза. По табл. 1 определяем, что коэффициент преобразования теплового насоса при температуре воды на выходе из конденсатора 40° С не должен быть ниже значения 3,2.

При расчете максимальной электрической мощности в соответствии с [6] получим:

где – необходимая тепловая мощность, кВт COP – коэффициент преобразования теплоты.

Таблица 1.

Зависимость коэффициента преобразования теплоты от температуры на выходе конденсатора

Коэффициент преобразования теплоты является определяющим критерием эффективности теплового насоса. Условной границей энергетической эффективности считается значение, равное трем. При меньших значениях коэффициента преобразования суммарный расход первичной энергии превысит значения, которые характерны для традиционных генераторов тепла.

В стремлении поднять значение коэффициента преобразования теплоты теплового насоса временами прибегают к способам искусственного происхождения, используя, например, теплоту воды из обратного трубопровода (сточные воды и т. д.) системы теплоснабжения. Необходимо учитывать, что тепловой насос только тогда энергетически эффективен, когда он использует тепловую энергию, имеющуюся в природе, или же тепло техногенного происхождения, выбрасываемое в окружающую среду. Рациональное соответствие тепла, вырабатываемого пиковым источником, в общем годовом балансе системы теплоснабжения ГТН с вертикальной системой теплосбора варьируется, в зависимости от региона Российской Федерации, от 5 % до 40 %. Невзирая на высокие капитальные затраты, годовые затраты на энергоносители ниже, чем у традиционной установки теплоснабжения и электроотопления. Образцовый показатель теплонасосной установки теплоснабжения по сравнению с газо- и электроотопительными системами является значительная экономия топлива. При одинаковой небольшой выработке теплоты расход топлива в 1,7 раза ниже, чем для системы традиционного теплоснабжения с использованием газа, и в 4,5 раза меньше, чем для электроотопительной установки.

Список литературы:

1. А.В. Мартынов, Установки для трансформации тепла и охлаждения. Энергоатомиздат, Москва, 1989. 200 с.
2. ГОСТ 26691-85. Теплоэнергетика. Термины и определения.
3. А. Аль Алавин, В. М. Боровков, Тепловой насос с двухступенчатым конденсатором, Промышленная энергетика. 8, 41 – 43 (2008).
4. Г. Н. Кравченко, Оценка эффективности работы водных систем отопления, Теплоэнергетика. 4, 72 – 75 (2004).
5. А. Ю. Бакшеев, Ю. Е. Николаев, Определение эффективности тепловых насосов, использующих теплоту обратной сетевой воды ТЭЦ, Промышленная энергетика. 9, 14 – 17 (2007).
6. С.Л. Елистратов, В. Е. Накоряков, Энергетическая эффективность комбинированных отопительных установок на базе тепловых насосов с электроприводом, Промышленная энергетика. 3, 28 – 33 (2008).