Геотермальная система для теплоснабжения частного сектора

УДК 621.577.22

И. М. Валеев, Г. Ю. Симонов ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЧАСТНОГО СЕКТОРА

Ключевые слова: геотермальный тепловой насос, энергоэффективность.

Проведён анализ основных использующихся систем теплонасосных установок для возможности применения в частном секторе. Выявлены преимущества и недостатки воздушных тепловых насосов в условиях холодного климата. Выявлена энергоэффективность использования системы геотермальных насосов по сравнению с электроотопительными и газовыми отопительными системами.

Keywords: geothermal heat pumps, energy efficiency.

The analysis is mainly used for heat pump installations systems applications in the private sector. The advantages and disadvantages of air-source heat pump in cold climates. Revealed the energy efficiency of geothermal pump system compared to the electro and gas heating systems.

Введение

В настоящее время вопрос энергосбережения является весьма актуальным. Для обеспечения хороших экономических показателей теплоснабжения можно использовать тепловой насос - устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора тепла из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе наоборот.

В зависимости от источника отбора тепла тепловые насосы подразделяются следующим образом:

1) геотермальные (используют тепло земли, наземных либо подземных грунтовых вод);

2) воздушные (источником отбора тепла является воздух);

3) использующие производное (вторичное) тепло (например, тепло трубопровода центрального отопления).

Третий вариант является наиболее целесообразным для промышленных объектов, где достаточно часто имеются источники паразитного тепла, которое требует утилизации [1].

Тепловые насосы - оборудование, позволяющее минимизировать расходы на отопление и горячее водоснабжение.

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

1. Экономичность

Низкое энергопотребление достигается за счет высокого коэффициента преобразования теплоты (англ. COP - сокр. от coefficient of performance) ГТН системы (от 300 % до 700 %) и позволяет получить на 1 кВт затраченной энергии 3 - 7 кВт тепловой энергии или 15 - 25 кВт мощности по охлаждению на выходе. Для сравнения воздушный тепловой насос имеет коэффициент примерно равный двум и зависит от резервной электрической или другой энергии для покрытия пиковых нагревов и охлаждений.

Система исключительно долговечна и прослужит от 25 до 50 лет без особого внимания к себе. Она

греет холодной зимои, охлаждает жарким летом и круглый год будет снабжать горячей водой. Вопрос климата будет решен полностью, т.к. отпадает необходимость обслуживания и сложности с запуском, которые присущи котлам и кондиционерам.

2. Комфорт

Система с ГТН работает стабильно и колебания температуры в помещении минимальны. Отсутствует шум, так как отсутствуют внутренний и внешний блок. Применяется многозонный климатический контроль.

3. Экологичность

Экологически чистый метод отопления и кондиционирования, т.к. не производится эмиссия С02, N0), и других выбросов, приводящих к нарушению озонового слоя и кислотным дождям.

4. Безопасность

Отсутствуют аллергено-опасные выбросы в помещение, т.к. нет сжигаемого топлива и не используются запрещенные хладагенты.

На рис. 1 представлена функциональная схема работы геотермального насоса в стадии нагрева.

В теплообменник/ на теплообменника в землю

Рис. 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 либо забрать тепло земли зимой либо

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, если это допускает местное законодательство [2].

В табл. 1 приведены данные по продолжительности стояния различных температур для ряда российских городов-миллионников в наиболее холодный период года. Для рассмотрения взята область температур ниже -15°С.

Таблица 1

Температура воздуха, °С Средняя температура наиболее холодного периода года, ч

Ростов-на-Дону Санкт-Петербург Москва Казань Пермь

-42...-38,1 - - - - 18

-38...-34,1 - - - 18 27

-34.-30,1 - - - 61 53

-30.-26,1 - 9 27 114 114

-26.-22,1 - 70 61 193 184

-22.-18,1 26 114 158 298 180

-18.-14,1 88 202 245 446 421

Из табл. 1 видно, что для города Казань среднее время, в которое температура окружающей среды ниже -15° С составляет достаточно длительный период. Поэтому становится очевидной невыгодность установки воздушных тепловых насосов, поскольку большинство из них рассчитано на работу до -15° С. При более низкой температуре наблюдается резкое уменьшение эффективности обогрева воздушных тепловых насосов, что допускает использование их только в сочетании с дополнительным источником тепла, способным покрыть пиковые морозы. Зависимость тепловой мощности воздушного теплового насоса от температуры наружного воздуха представлена на рис. 2.

-1->

-90 4$ 40 -ГС 0

Рис. 2 - Зависимость тепловой мощности теплового насоса от температуры наружного воздуха

Системы с ГТН лишены такого недостатка нет. Скорость остывания индивидуальна для каждого здания и зависит от теплоемкости строительных конструкций, термического сопротивления наруж-

ных ограждений, температуры наружного воздуха, скорости ветра. Для жилых и общественных зданий массового строительства, построенных по нормативам теплозащиты 1960 - 1980 годов, остывание происходит по экспоненте в соответствии с зависимостями на рис. 3 [3].

.Тн = 10"С

"-»»¿ш'С

_51--

о г 4 6 8 10 12

Время, ^

Рис. 3 - Скорость остывания воздуха в помещении

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

В компрессионных тепловых насосах, так же как и в холодильных машинах, используется обратный круговой процесс со сжатием холодильного агента (хладагента) в компрессоре, его конденсацией в конденсаторе и кипением в испарителе. Величина коэффициента преобразования теплоты зависит от разности температур конденсации и кипения хладагента.

Коэффициент преобразования теплоты тем выше, чем ниже температура конденсации и чем выше температура кипения хладагента. Поэтому системы отопления, получающие тепло от тепловых насосов, должны быть низкотемпературными, а источник рассеянного тепла должен иметь максимально возможную температуру [4].

Ориентировочные значения коэффициентов преобразования теплоты компрессионных тепловых насосов, передающих теплоту от жидкого теплоносителя в испарителе к жидкому теплоносителю в конденсаторе, приведены в табл. 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. 2 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 [5] получим:

Р 12 Р = — = 3,75 кВт,

СОР 3,2

где Рт - необходимая тепловая мощность, кВт; СОР - коэффициент преобразования теплоты.

Таблица 2

Температура воды на выходе из конденсатора Коэффициент преобразования теплоты при температуре охлажденной в испарителе жидкости, о.е.

- 6 °С +7 °С

30°С 4-4,4 5,8-6,2

35°С 3,6-4,0 4,2-5,6

40°С 3,2-3,6 4,6-5,0

45°С 2,8-3,2 4,1-4,6

50°С - 3,6-4,0

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.

Чтобы оценить экономическую эффективность теплового насоса нужно рассчитать величины единовременных и эксплуатационных затрат для двух сопоставимых вариантов теплоснабжения.

В стремлении поднять величину коэффициента преобразования теплоты теплового насоса иногда прибегают к искусственным приемам, используя, например, теплоту воды из обратного трубопровода (сточные воды и т. д.) системы теплоснабжения. Нужно иметь ввиду, что тепловой насос только тогда энергетически эффективен, когда он использует

тепловую энергию, имеющуюся в природе, или тепло техногенного происхождения, выбрасываемое в окружающую среду.

Рациональное соотношение тепла, вырабатываемого пиковым источником, в общем годовом балансе системы теплоснабжения ГТН с вертикальной системой теплосбора варьируется, в зависимости от региона России, от 5 % до 40 %.

Несмотря на высокие капитальные затраты, годовые затраты на энергоносители ниже, чем у традиционной установки теплоснабжения и чем у электроотопления. Главным показателем преимущества 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.

Литература

1. А. В. Мартынов, Установки для трансформации тепла и охлаждения. Энергоатомиздат, Москва, 1989. 200 с.

2. А. А. Аль Алавин, В. М. Боровков, Тепловой насос с двухступенчатым конденсатором, Промышленная энергетика. 8, 41 - 43 (2008).

3. Г. Н. Кравченко, Оценка эффективности работы водных систем отопления, Теплоэнергетика. 4, 72 - 75 (2004).

4. А. Ю. Бакшеев, Ю. Е. Николаев, Определение эффективности тепловых насосов, использующих теплоту обратной сетевой воды ТЭЦ, Промышленная энергетика. 9, 14 - 17 (2007).

5. С. Л. Елистратов, В. Е. Накоряков, Энергетическая эффективность комбинированных отопительных установок на базе тепловых насосов с электроприводом, Промышленная энергетика. 3, 28 - 33 (2008).

© И. М. Валеев - доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электротехники КНИТУ, ilgizvaleev@yandex.ru; Г. Ю. Симонов - магистр той же кафедры, simonov941@gmail.com.

© I. M. Valeev - Doctor of Technical Sciences, Professor, Kazan National Research Technological University, Electric drive and Elec-trotechnics ilgizvaleev@yandex.ru; G. Yu. Simonov - Master student of Electric drive and Electrotechnics Department KNRTU, simonov941 @gmail. com.