Альтернативные источники энергии. Тепловой насос

Московский Государственный Гуманитарный Университет

им.  М.А. Шолохова









Реферат

На тему: «Альтернативные источники энергии. Тепловой насос»

Дисциплина: «Социальная экология»













Выполнил студент

3 курса з/о отделения

факультета журналистики:

Бибаев Олег



Преподаватель:

Мерщиев А.В.









Москва 2010

Содержание:

Введение………………………………………………….…….. 3

Работа теплового насоса ……………………………….............3

Область применения тепловых насосов ………………............ 6

Преимущества тепловых насосов ………………………. …….7

Системы на базе тепловых насосов ……………………………9

Техническое обслуживание ……………………………... …….13

Вывод …………………………………………………………….. 14



























ВВЕДЕНИЕ.

Одним из вариантов замены газа при отоплении домов является использование тепла, которое имеется на нашей планете. Солнце - самый мощный источник энергии на Земле. Оно нагревает воздух, воду, земную поверхность и глубины. И до 60% отопительной энергии можно получить бесплатно от природы. Учеными был создан тепловой насос, который и извлекает эту накопленную солнечную энергию. Используя тепло, рассеянное в окружающей среде (в земле, воде, воздухе), тепловой насос обладает поразительной эффективностью: затратив 1 кВт электроэнергии в приводе насоса, можно получить 3-4, а часто и до 5-6 кВт тепловой энергии, срок службы до капремонта теплонасоса - 15-20 лет.

Что же такое теплонасосы? Тепловые насосы- это экологически чистые компактные соле/водяные установки, позволяющие получать тепло для отопления и горячего водоснабжения за счет использования тепла низкопотенциального источника (тепло грунтовых, артезианских вод, озер, морей, грунтовое тепло, тепло земных недр) путем переноса его к теплоносителю с более высокой температурой. 

Теплонасосы оснащены циркуляционными насосами - как для контура рабочей жидкости, так и для водяного контура системы отопления. Для обоспечения оптимальной выработки тепла теплонасосы укомплектованы автоматизированной системой управления - при помощи датчиков температура в отопительной системе подстраивается под изменения наружной температуры. 

РАБОТА ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Рассмотрим как же работает тепловой насос: 

1. Теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному, например, в землю нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса. 

2. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ. Это происходит при низком давлении и низкой температуре. 

3. Из испарителя газообразный хладагент попадает, в компрессор, где он сжимается, его температура повышается. 

4. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник (конденсатор). В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам. 

5. При прохождении хладагента через редукционный клапан - давление понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова. 

Тепловые насосы используются в холодное время года для отопления помещения, а в теплое время года их используют для охлаждения воздуха в доме. Принцип работы такого насоса при охлаждении помещения такой же, как и при отоплении. Только тепло в этом случае забирается из воздуха в помещении и отдается земле или водоему. 

В данном случае принцип работы теплового насоса практически полностью совпадает с принципом работы холодильника. 

Вообщем тепловой насос - это просто другое название холодильника, который представляет собой машину Карно, работающую в обратном направлении. Холодильник перекачивает тепло из охлаждаемого объема в окружающий воздух. Если поместить холодильник на улице, то, извлекая тепло из наружного воздуха и передавая его во внутрь дома, то можно таким нехитрым способом обогревать помещение. 

  

Тепловой насос совместим с практически любой циркуляционной теплопроводной отопительной системой. Для отапливания помещения, размером 100 кв.м., необходимо приобрести оборудование на сумму, примерно, 4-5 тыс. евро. Установка такого котла рассчитывается индивидуально, в зависимости от источника получения тепла.
Из чего могут получать тепло тепловые насосы? Вариантов несколько: 

 1. Земные недра 

Земные недра являются бесплатным теплоисточником, поддерживающим одинаковую температуру круглый год. Использование тепла земных недр является экологически чистой, надежной и безопасной технологией. 

Буровые работы проходят в течении одного дня. В зависимости от различных факторов скважина должна быть где-то в пределах 60-200 м. в глубину. Ее ширина 10-15 см. 

Установка может быть внедрена на участке земли малой площади. Объем восстановительных работ после бурения незначителен, влияние скважины- минимально. Установка не оказывает влияния на уровень грунтовых вод, так как грунтовые воды не задействованы в процессе. 

Блгодаря теплу, которое содержится в земле, эффективность такого насоса получается довольно высокой. Примерные цифры таковы, что затрачивая 1кВт электрической энергии на перемещение жидкости в грунт и обратно, Вы получаете 4-6 кВт энергии на отопление. 

Уровень капиталовложений достаточно высок в установку на базе тепла земных недр, но взамен Вы получаете безопасную в эксплуатации, с максимально длительным сроком службы систему с достаточно высоким коэффициентом преобразования тепла. 

2. Тепло грунта 

Грунтовый источник - близрасположенное тепло. В поверхностном слое земли накапливается тепло в течение лета, эту энергию также имеет смысл использовать для отопления. Сохраненное в почве тепло согреет Вас даже в холодную погоду. 

Тепло из почвы поставляется посредством пластикового шланга, который укладывается по периметру участка на глубине 1 м. Желательно, чтобы почва была влажной. Но и сухой грунт не доставит больших проблем, прийдется увеличить длину контура. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами должно быть около 1 м. Экологически чистая, морозоустойчивая жидкость, циркулирующая в системе, переносит тепло к теплонасосу. 

Для получение 10кВт на отопление прийдется уложить 350-450 погонных метра трубопровода. Это примерно займет участок 20х20 метров. 

Длина коллектора/высота водного столба (для теплонасоса с источником тепла "земные недра") зависит от многих факторов: среднегодовой региональной темературы, степени покрытия теплонасосом общих энергорасходов, глубины залегания грунтовых вод и величины водного потока. 

3. Водные источники тепла 

Использование тепла воды для обогрева помещений является идеальным вариантом. 

Шланг для передачи тепла укладывается на дне или в донном грунте, где температура еще немного выше, чем температура воды. Важно, чтобы шланг снабжался отягощающим грузом для предотвращения всплытия на поверхность. Для этого на 1 погонный метр трубопровода укладывается около 5 кг груза. Вторым вариантом может быть укладка шланга в грунт на дне водоема. 

Для получение 10кВт на отопление прийдется уложить по дну 300 погонных метра трубопровода. 

Солнце нагревает воду в морях, озерах и других водных источниках. Солнечная энергия накапливается в воде и донных слоях. Температура редко снижается ниже +4 °C. 

Чем ближе у поверхности, тем больше годовые колебания температуры, но на глубине температура более стабильна. 



Эффективность работы ТН определяется соотношением полученной потребителем тепловой энергии к затраченной электрической и носит название коэффициент преобразования (КОП). Основными параметрами, определяющими величину КОП, являются температуры низкопотенциального источника (НИТ) и системы отопления или горячего водоснабжения (ГВС). Так, при tнит = +8С и tотоп= +65С КОП = 3, т. е. на один киловатт затраченной электроэнергии потребитель получит 3 кВт тепла, т. е. две единицы тепла получены от НИТ. Необходимо помнить, что при охлаждении воды на 1С выделяется 1.163 кВт тепла. В качестве НИТ могут использоваться: грунтовые воды, речная, морская вода, вода очистных сооружений, технологические воды промышленности, а также непосредственно воздух и тепло земли.

При повышении температуры НИТ возрастает КОП, который при tнит = +40С равен 7,8.



 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Системы на базе тепловых насосов (ТН) главным образом применяются для систем отопления и воздушного кондиционирования, но также могут использоваться для любого охлаждения.

Решение о применении ТН основано на принципе экономии. Большинство систем обогрева и кондиционирования могут быть спроектированы с использованием ТН.

Системы с тепловыми насосами могут устанавливаться: в коттеджах, административных и промышленных зданиях и т.п.

Данные системы работают в любых климатических зонах, включая даже вечную мерзлоту.

Ниже обозначены лучшие условия применения ТН.

1) Систему с ТН наиболее экономично устанавливать в новом здании. Т.к. технологию относительно легко внедрять, также можно экономично заменить существующую систему при ее износе.

2) В климатах с холодными зимами или жаркими сезонами ТН на водном источнике может работать намного эффективнее, чем воздушные тепловые насосы или другие системы воздушного кондиционирования. ТН также значительно эффективнее других электрических тепловых систем, и в зависимости от стоимости топлива, могут быть экономичнее других систем обогрева.

3) В климатах с высокими перепадами дневных температур, ТН показывает превосходную эффективность.

4) На территориях, где натуральный газ недоступен или где его стоимость или другого топлива приближается к стоимости электричества, ТН экономически выгодны. Они функционируют с коэффициентом выработки от 3 до 4,5 по сравнению с традиционными - 80 - 90%. Поэтому, когда стоимость электричества (за кВт) менее, чем в 3,5 раза превосходит стоимость традиционного теплового топлива (за кВт), то система с ТН имеет более низкую энергетическую стоимость.

5) В зданиях с многочисленными контролируемыми температурными зонами или при выгодности индивидуальной регулируемой нагрузки, ТН предлагают значительные возможности для индивидуального температурного контроля, т.к. они удачно спроектированы для использования многочисленных унитарных систем.

6) На территориях с невысокими расходами на бурение могут быть особенно привлекательными геотермальные системы с вертикальным грунтовым теплообменником.

7) В местах с высокой влажностью почвы и высоким уровнем грунтовых вод, размер подземной соединенной системы уменьшен, что приводит к общей экономии.



ПРЕИМУЩЕСТВА ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ 

Около 100,000 ГТН функционируют в частном и общественном секторах в США, большинство из этих систем установлены для индивидуальных потребителей. 

Опыт применения доказал следующие преимущества систем ГТН по сравнению с традиционными системами отопления и кондиционирования. 

1.  Экономичность. Ежегодные расходы на отопление в 4 - 6 раз меньше по сравнению с традиционными котлами и печами. Так, при подводе к тепловому насосу, например, 1 кВт электроэнергии, в зависимости от режима работы и условий эксплуатации, производит до 3 - 4 кВт тепловой энергии. Также они экономичны летом, т.к. сбрасывают тепло в относительно холодную среду (обычно землю). Срок окупаемости оборудования в среднем 2-3 года. Сравнительные экономические расчеты и опыт эксплуатации подтверждают выгодность применения этой технологии 

2.   Высокий уровень комфорта. В течение всего года создаются желаемые условия в помещении. Управлять и поддерживать работу ГТН также просто, как при воздушном кондиционере. Достаточно включить установку в сеть и установить нужную температуру на термостате. Оборудование компактно, тихо работает; Установка не нарушает целостность интерьера и концепцию фасада здания, т.к. нет внутреннего и внешнего блока и занимает минимум пространства и о ней станет известно Вашим гостям только, если Вы этого захотите. 

3.  Минимальное обслуживание и высокая степень автономности. Работают полностью в автоматическом режиме. Требования по техническому обслуживанию ясны и не требуется новых навыков по техническому обслуживанию. ГТН действительно требуют меньшего технического обслуживания (ТО), чем обычные воздушные кондиционеры. 

4.  Надежность. ГТН - технология зрелая и надежная. Тепловые насосы много лет применяются в развитых странах и доказали свою надежность и долговечность на практике. Имеют срок службы до капитального ремонта 10-15 лет. 

5.  Безопасность. Данные установки даже высокой мощности имеют высокую степень безопасности, т.к. не связаны с горючими/ взрывоопасными материалами, процессами горения, высокими температурами. 

6.  Экологическая чистота. Тепловые насосы работают с возобновляемыми ресурсами, не выделяют вредных веществ в окружающую среду. 

Ограничения технологии. 

Применение системы ГТН затрудняют относительно высокие первоначальные расходы на систему ГТН - одни из основных барьеров для ее инсталляции. Системы ГТН не относятся к дешевому оборудованию. Начальные затраты на установку этих систем несколько выше стоимости обычных систем отопления и кондиционирования. Цена системы геотермального теплового насоса рассчитывается из условия 300..400 USD за 1кВт тепловой мощности. Стоимость установки подземного теплообменника достаточна высока (особенно с вертикальной петлей, где требуется бурение) и, составляет примерно половину общей стоимости системы ГТН. Однако, если рассматривать эксплуатационные расходы, то первоначальные вложения в геотермальный обогрев, охлаждение и горячее водоснабжение быстро окупаются за счет энергосбережения. Кроме того, необходимо учитывать, что при работе ГТН не требуется никаких дополнительных коммуникаций, кроме бытовой электрической сети. 

Тем не менее, эти затруднения вполне решаемы. Для перехода на новую технологию существуют гибкие финансовые схемы: кредитные линии Экспортно-Импортного Банка США, ипотечное кредитование, лизинг оборудования. Кроме того, целый ряд отечественных банков выразили готовность принять участие в программах финансирования геотермальных технологий. Так что при желании стать владельцем геотермальной тепловой машины может практически любой заказчик.



СИСТЕМЫ НА БАЗЕ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Источники энергии для тепловых насосов.

Источниками энергии для тепловых насосов являются: 

1. Земля - является самым большим аккумулятором энергии из всех доступных человечеству. На глубине от 10 метров температура земли положительна и постоянна в течение года (от +5 0С для г Хабаровск)). Забор тепла земли осуществляется через теплообменники, представляющие собой коллекторы пластиковых труб с циркулирующим раствором воды или антифриза. Гарантийный срок службы такого теплообменника составляет 50 лет! Системы с тепловыми насосами и подземными теплообменниками называются геотермальным тепловым насосом. 

2. Вода 

  -  Грунтовая: имеет постоянную температуру (обычно +7-8 С). Если имеются близлежащие источники достаточного объема - инсталляция экономичнее земляных теплообменников. Обычно применяются один или два колодца. 

  -  Стоки: промышленные, канализационные и т.п. Стоки имеют относительно высокую температуру, поэтому тепловые насосы работают с высокой эффективностью. 

  -  Вода из водоемов, рек. Петли труб также могут погружаться на дно. Такая инсталляция одна из самых экономичных. 

3. Воздух. Классическими тепловыми насосами, работающими с двумя воздушными средами являются кондиционеры (воздух-воздух). Тепловые насосы (вода-воздух) переносят избыточное тепло из помещения в водяную среду. Таким образом они охлаждают помещения летом или переносят избыточное тепло из одного помещения в другое, осуществляя его обогрев. (Например из цеха пекарни в офисные помещения). 

 Геотермальный тепловой насос. 

Никогда еще сырье для выработки энергии не было таким дефицитным ресурсом, как в XXI веке. Одна из технологий, позволяющих снизить остроту энергетического кризиса - технология геотермальных тепловых насосов (ГТН). Основана она на использовании энергии Земли, самого большого из доступных человечеству естественных аккумуляторов. 

В недрах температура всегда стабильна и составляет около 5-10╟С. Таким образом, в Земле сосредоточено колоссальное количество низкопотенциального тепла. 

Геотермальный насос при обогреве примерно на 66 - 75% использует возобновляемую солнечную энергию, аккумулированную в земле и на 25-34% - электрическую энергию. Таким образом, он в 3 - 4 раза эффективнее оборудования на электрическом сопротивлении. ГТН также экономичны при работе в режиме охлаждения, т.к. сбрасывают избыточное тепло в землю (относительно холодную среду). 

Геотермальный тепловой насос (ГТН) - это система, включающая тепловой насос, грунтовый теплообменник (обычно регистр из пластиковых труб с циркулирующей незамерзающей жидкостью) и контур распределения внутри здания. Такие системы могут иметь дополнительно водонагреватели, увлажнители и другие устройства, обеспечивающие климатические потребности всего помещения. 

Системы ГТН обеспечивают полное кондиционирование - обогревают, охлаждают и регулируют влажность. Они также могут снабжать горячей водой. Одна такая установка успешно заменяет печь, водонагревательный котел и кондиционер. ГТН имеют существенные преимущества по сравнению с традиционными системами микроклимата. Область применения ГТН практически не ограничена. Существуют установки, работающие даже в вечной мерзлоте! 

На рынке России ГТН - новинка, однако в развитых странах эти устройства производятся и успешно эксплуатируются уже более 30 лет. Правительства этих стран активно поощряют организации и частных пользователей. 



   Грунтовые теплообменники.

Вы можете использовать энергию, накопленную в земле для отопления и охлаждения. 

Для этого применяются различные варианты грунтовых теплообменников. Они используют естественную способность земли накапливать и возобновлять энергию. Температура под землей довольно постоянна в течение года (на глубине от 5 м изменяется в пределах нескольких градусов), поэтому тепловой насос с грунтовым теплообменником практически не зависит от колебаний температуры окружающего воздуха в отличие от воздушных кондиционеров. 

Конкретная конфигурация теплообменника выбирается в зависимости от местного климата, типа почвы, требуемых нагрузок на кондиционирование и отопление. 

Рассмотрим основные типы грунтовых теплообменников. 

Теплообменники закрытой петли. 

Петли состоят из замкнутого контура пластмассовых высокопрочных труб, устроенных горизонтально или вертикально. Жидкость, циркулирующая в петлях, обычно содержит антифриз для предотвращения замораживания. Требуется достаточная длина трубопровода, чтобы гарантировать нужную передачу тепловой энергии из земли. 

     Вертикальный теплообменник (закрытая петля)

При данной системе вода/антифриз циркулирует в пластиковых трубах, вставленных в скважины, глубиной 50, 100 м (от 10 до 30 м на кВт мощности). Обычно требуется несколько скважин, расположенных в интервале 3 м с установленными трубами для достижения суммарных требований теплового обмена. Вертикальные системы наиболее подходят при ограниченном пространстве земли, при глубоком уровне подземных вод и при каменистой или скалистой почве. Гарантийный срок службы теплообменника 50 лет. 

Преимущества: Требуют меньшую общую длину труб, чем большинство проектов закрытых петель; требует наименьшую энергию насоса из всех систем закрытой петли; требует наименьшей площади поверхности земли; подземная температура обычно не зависит от сезонных колебаний. 

Недостатки: требуется оборудование для бурения; расходы на бурение часто выше расходов на горизонтальную траншею 

Горизонтальный теплообменник (закрытая петля).

Как и в вертикальном теплообменнике вода/антифриз циркулирует по пластиковым трубам, проложенным в земле. В горизонтальной системе трубы находятся в траншеях, глубиной до 3-х метров и длиной от 7,5 до 40 м в зависимости от типа почвы. В траншею может устанавливаться до шести труб, с адекватным интервалом между ними. Трубы могут также быть спиральными, что позволяет сохранить производительность с меньшей траншей. Гарантийный срок службы теплообменника 50 лет. 

Преимущества: Установка горизонтальных тепловых обменников стоит меньше, чем вертикальных, т.к. расходы на раскопку траншей обычно ниже, чем на бурение; гибкие варианты установки. 

Недостатки: Требуется большая площадь земли и длина труб; несколько менее эффективна по сравнению с вертикальной и открытой системой; температура под землей на небольшой глубине зависит от сезонных колебаний 

  Система с водоемом (закрытая петля)

Система с водоемом может быть наиболее экономичной при инсталляции и работе. Как и при вертикальной и горизонтальной системах, состоит из закрепленных на дне пластиковых труб с циркулирующей водой/ антифризом. Система использует высокие теплопроводные свойства воды. При этом не требуются скважины или траншеи, что значительно уменьшает расходы на инсталляцию. Также система с водоемом практически не зависит от колебаний температуры окружающего воздуха в отличие от воздушных кондиционеров. 

Преимущества: Может потребоваться наименьшая общая длина труб по сравнению с другими проектами закрытой петли; может быть наиболее дешевым проектом, если достаточно воды. 

Недостатки: Требуется большой объем воды. 



Система с колодцем (открытая петля).

Эта система забирает воду из водоносного слоя в одном колодце, пропускает через тепловой насос, где отбирается или сбрасывается тепло, затем возвращает обратно в водоносный слой (вода сливается во второй колодец). Температура грунтовой воды постоянна (изменяется обычно в пределах одного градуса) в течение года, независимо от колебаний температуры воздуха. Поэтому тепловой насос будет работать с высокой эффективностью при любых погодных условиях. Эта система идеально подходит в случаях, когда имеются/возможны колодцы. 

Преимущества: Простой проект, обычно имеет самую низкую стоимость; меньший объем бурения по сравнению с системами закрытой петли; имеют лучшие термодинамические характеристики, чем системы закрытой петли, т.к. используют доставляемую подземную воду земли с температурой лучше, чем в закрытом теплообменнике; может быть совмещена с питьевым колодцем; более низкие операционные расходы, если вода уже накачивается для других целей, например, для ирригации. 

Недостатки: требуется большой поток воды; наличие воды может быть ограничено или не всегда возможно.; оборудование напрямую контактирует с грунтовыми водами на него влияет содержание жидкости (коррозийных веществ, твердых частиц и содержания бактерий); обычно требуется наибольшее количество энергии для накачки воды; могут потребоваться разрешения на скважины или возможны ограничения на использование подземных вод; сброс воды также может быть ограничен; высокие расходы на установку, если требуется другая скважина для возвращения воды.



ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ 

Система имеет стандартное гарантийное обслуживание от 1 до 5 лет. Устройства ГТН автономны, и требования по техническому обслуживанию ясны и не требуется новых навыков ТО. 

Т.к. ГТН обычно не имеет наружных элементов, подвергающиеся различным атмосферным и иным воздействиям (исключения системы с открытой петлей), то ГТН действительно требуют меньшего ТО, чем обычные воздушные кондиционеры. 

Стандартное ТО для водо-воздушных ТН - это замена воздушного фильтра, выполняемая по мере надобности. Не требует особых навыков и сложных манипуляций. 

 В системах с закрытой петлей, подземная петля фактически не требует ТО. Циркуляционный насос требует стандартного ТО, как с любым насосом или системой с мотором, и петля с водой (закрытой системы) должна по режиму проверяться на температуру, давление, течение и концентрацию антифриза. Если нет течей, не требуется никаких дополнительных действий. 

В системах открытой петли, требуемое ТО колодца идентично любому другому водному колодцу. Система должна контролироваться по графику на температуру, давление и течение. Т.к. ТН снабжается подземной водой, теплообменники должны обследоваться на возможные засорения и образования окалины. Главным образом широко известно, что требования к общему ТО, более низкие по сравнению с альтернативными технологиями. 



Вывод

Из всего этого вывод последует таков: Тепловые насосы переносят, а не вырабатывают энергию. Этим и обусловлена их существенные преимущества по сравнению с традиционными источниками тепла. Тепловые насосы представляют собой устройство для перевода низкотемпературной энергии в высокотемпературную энергию и обратно.

Передача тепла производится рабочим телом -хладагентом (фреоном) также, как в обычном холодильнике. Электроэнергия, потребляемая тепловым насосом, тратится лишь на перемещение хладагента по системе с помощью компрессора.

Тепловые насосы (ТН) работают, перемещая тепловую энергию, в отличие от печи в которой происходит преобразование химической энергии в процессе горения. Принцип работы теплового насоса основывается на термодинамическом цикле Карно. По такому же принципу работают холодильники и кондиционеры (воздушные тепловые насосы). Охлаждение и обогрев в тепловом насосе обеспечивается компрессионным циклом, т.е. непрерывной циркуляцией, кипением и конденсацией хладагента в замкнутой системе. Кипение хладагента происходит при низком давлении и низкой температуре, а конденсация - при высоком давлении и температуре. В испарителе происходит отбор низкопотенциальной энергии у источника с относительно низкой температурой, а в конденсаторе - выделение концентрированной энергии в систему распределения тепла здания.






1