Повышение энергоэффективности тепловых насосов при их использовании в системе утилизации теплоты удаляемого воздуха

УДК 621.65+628.83

Д.Г. Титков

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ ПРИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИИ В СИСТЕМЕ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ УДАЛЯЕМОГО ВОЗДУХА

Представлена двухступенчатая система тепловых насосов с комбинированным источником теплоты, способная повысить производительность системы при сравнительно одинаковых затратах электроэнергии.

Ключевые слова: система тепловых насосов, энергоэффективность, коэффициент преобразования, грунтовый теплообменник, цикл теплового насоса, загрязнение окружающей среды, возобновляемые источники теплоты, утилизация теплоты вытяжного воздуха.

D.G. Titkov

IMPROVEMENT OF THE ENERGY EFFICIENCY OF HEAT PUMP SYSTEMS INTEGRATED INTO SYSTEMS OF RECOVERY OF HEAT FROM THE EXHAUST AIR

The author presents a two-stage heat pump system that has a combined heat source capable of improving the system performance at approximately the same cost of consumed electricity. The author argues that the system is capable of replacing a conventional system of heat supply by thermal power plants or decentralized boiler stations. The system can operate in the monovalent mode to cover the heating needs of the whole building. The system generates no hazardous waste; therefore, it does not pollute the environment. It also reduces the cost of heating, ventilation and hot water supply.

Key words: heat pump systems, energy efficiency, conversion efficiency, ground heat exchanger, heat pump cycle, environmental pollution, alternative sources of heat, heat recovery from the exhaust air.

В настоящее время все большее значение уделяется экологической проблеме загрязнения окружающей среды продуктами сгорания топлива и тепловыми выбросами от промышленных предприятий. Преобладающим видом топлива на территории России является природный газ, при сжигании которого образуются продукты сгорания, загрязняющие окружающую среду. Установка очистных сооружений влечет значительные капитальные и эксплуатационные затраты.

Запасы традиционных видов топлива, таких как природный газ, нефть, уголь, используемые для целей теплоснабжения, с каждым годом снижаются и в ближайшем будущем иссякнут. Альтернативой традиционным видам топлива являются возобновляемые источники теплоты, такие как поверхностные грунтовые воды, солнечная энергия, поверхностные слои земли, наружный воздух и др. Для целей передачи теплоты возобновляемых источников потребителю применяются системы тепловых насосов, которые не сжигают топливо и не загрязняют окружающую среду, тем самым решая экологическую проблему. Принцип действия тепловых насосов основан на обратном цикле холодильной машины, представленном на рис. 1. Теплота на низкотемпературном уровне поглощается от источника теплоты (поверхностные слои земли, солнечная энергия, грунтовые воды, воздух и т.д.) специальным теплообменником, забирая от 3 до 8 °С, и передается в систему теплового насоса, где происходит передача теплоты от теплообменника источника теплоты контуру теплового насоса. За счет фазового превращения хладогента, циркулирующего в контуре теплового насоса, происходит выделение теплоты, передающейся контуру потребителя.

Первый контур системы тепловых насосов состоит из специального теплообменника (плоского грунтового коллектора, системы грунтовых колодцев, солнечного коллектора, системы скважин, теплообменника «вода/воздух» и т.д., представленных на рис. 2), по которому циркулирует ан-

© Титков Д.Г., 2012

тифриз (смесь воды и гликоля). Второй контур — это непосредственно контур теплового насоса. Третий контур — это контур системы теп-

ло/холодоснабжения здания, контур потребителей.

Рис. 1. Принцип действия системы теплового насоса

Рис. 2. Специальный теплообменник: а — плоский грунтовый коллектор; б — грунтовые колодцы; в — система скважин; г — воздушный тепловой насос

Использование систем тепловых насосов значительно снижает расход энергии на отопление и вентиляцию за отопительный период. В данной статье рассмотрена схема теплового насоса с двумя источниками теплоты, соединенными параллельно, и применением двухступенчатой системы, повышающей температуру теплоносителя, поступающего потребителю. Схема данной установки приведена на рис. 3.

б

а

в

г

Рис. 3. Схема системы теплового насоса с несколькими источниками теплоты: 1 —

система грунтового теплообменника; 2 — система утилизации вытяжного воздуха; 3 — система тепловых насосов; 4 — накопительная

Одно из эффективных направлений энергосбережения в зданиях — утилизация вентиляционных выбросов с помощью тепловых насосов. Возможно как более глубокое охлаждение вытяжного воздуха, так и использование его теплоты для отопления здания и приготовления горячей воды. Температура воздуха, выбрасываемого через вентиляционную систему промышленного здания, как правило, составляет 30 °С и мало изменяется в течение года. Этот факт позволяет получить более высокий коэффициент преобразования теплоты по сравнению с другими источниками. Но вентиляционный воздух является сравнительно ограниченным источником теплоты и экономически не выгодно увеличивать воздушный вентиляционный поток, так как это приведет к увеличению расхода на отопление и вентиляцию. В связи с данным фактом применяется комбинированная система с использованием теплоты вытяжного воздуха и теплоты грунта. Это позволяет значительно расширить возможности тепловых насосов, работающих на теплоте вытяжного воздуха. Коэффициент преобразования таких систем достаточно высок (3,5...4,5) и теоретически количество рекуперированной теплоты может быть полностью сопоставлено с полным энергопотреблением на приготовление горячей воды.

Принцип работы данной схемы основан в последовательном повышении температуры антифриза первичного контура. Основным источником низкопотенциальной теплоты служит вытяжной воздух, который охлаждается в воздуховодяном теплообменнике до температуры 10.15 °С. Антифриз, циркулирующий в земляном теплообменнике, смешивается с антифризом системы утилизации вентиляционного воздуха, тем самым повышая темпе-

ратуру антифриза, поступающего в теплонасосную установку. При сравнительно одинаковых затратах электроэнергии возрастает коэффициент преобразования теплового насоса, что прямо влияет на повышение энергоэффективности установки. Применение двухступенчатой схемы тепловых насосов позволяет добиться температуры подачи теплоносителя потребителю в 80.90 °С, что ведет к снижению стоимости системы теплоснабжения. Столь высокие показатели температуры достигаются при последовательном прохождении среды через контуры теплового насоса, повышающие температуру, причем, температура нагретого теплоносителя на выходе из первой ступени должна быть равна температуре нагреваемого теплоносителя во второй ступени [1—3].

Вывод. Система тепловых насосов, использующая комбинированные источники теплоты совместно с двухступенчатой схемой, способна заменить привычную нам систему теплоснабжения от ТЭЦ или от децентрализованной котельной. Система способна работать в моновалентном режиме, покрывая всю нагрузку на потребление теплоты здания. Она экологически безотходна, тем самым решается проблема загрязнения окружающей среды. Снижаются энергозатраты на отопление, вентиляцию и ГВС за счет утилизации вытяжного воздуха. Использование комбинированной схемы тепловых насосов совместно с двухступенчатой схемой значительно расширяет возможности их применения и повышает коэффициент преобразования.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли : монография. М. : Граница, 2006. 176 с.

2. Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление. М. : Изд-во АСВ, 2002. 576 с.

3. СНиП 41-01—2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование. М. : ГУП ЦПП, 2004.

REFERENCES

1. Vasil'ev G.P. Teplokhladosnabzhenie zdaniy i sooruzheniy s ispol'zovaniem niz-kopotentsial'noy teplovoy energii poverkhnostnykh sloev Zemli [Heat and Cold Supply to Buildings Using Low-potential Thermal Energy of Surface Layers of the Earth]. Moscow, Granitsa Publ., 2006, 176 p.

2. Skanavi A.N., Makhov L.M. Otoplenie [Heating]. Moscow, ASV Publ., 2002, 576 p.

3. SNiP 41-01—2003. Otoplenie, ventilyatsiya i konditsionirovanie [Construction Norms and Rules 41-01—2003. Heating, Ventilation and Air Conditioning]. Moscow, GUP TsPP Publ., 2004.

Поступила в редакцию в ноябре 2012 г.

Об авторах: Титков Дмитрий Геннадьевич, аспирант, ассистент кафедры отопления и вентиляции,

ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.

26, titkov1000@gmail.com.

Для цитирования:

Титков Д.Г. Повышение энергоэффективности тепловых насосов при их использовании в системе утилизации теплоты удаляемого воздуха [электронный ресурс] // Строительство: наука и образование. 2012. Вып. 4. Ст. 4. Режим доступа: http://www.nso -journal.ru.

For citation:

Titkov D.G. Povyshenie energoeffektivnosti teplovykh nasosov pri ikh ispol"zovanii v sisteme utili-zatsii teploty udalyaemogo vozdukha [Improvement of the Energy Efficiency of Heat Pump Systems Integrated into Systems of Recovery of Heat from the Exhaust Air] // Stroitel'stvo: nauka i obrazovanie [Construction: Science and Education], 2012, no. 4, paper 4. Available at: http://www.nso-journal.ru.

About the authors: Titkov Dmitriy Gennad'evich,

postgraduate student, assistant lecturer, Department of Heating and Ventilation, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; titkov1000@gmail.com.