Расчет тепловых насосов

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный экономический университет

Институт сервиса автотранспорта, коммунальной и бытовой техники

Кафедра «Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения»

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: Расчет тепловых насосов

по дисциплине: «Бытовые машины и приборы»

Работу выполнил: Мельник А.О.

Работу проверил: Лепеш Г.В.

Санкт-Петербург - 2014 г.

Оглавление

1. Источники тепла. Геотермальные тепловые насосы

2. Принцип действия теплового насоса

3. Пять преимуществ тепловых насосов перед традиционными видами отопления

4. Эффективность применения теплового насоса

5. Сравнение текущих расходов на отопление для населения по состоянию на август 2008

6. Капитальные затраты

7. Некоторые справочные данные

8. Примеры для расчета

Выводы

1. Источники тепла. Геотермальные тепловые насосы

Как известно, геотермальные тепловые насосы используют бесплатные и возобновляемые источники энергии: низкопотенциальное тепло воздуха, грунта, подземных, сточных и сбросовых вод технологических процессов, открытых незамерзающих водоемов. На это затрачивается электроэнергия, но отношение количества получаемой тепловой энергии к количеству расходуемой электрической составляет порядка 3-7.

Говоря более точно, источниками низкопотенциального тепла могут быть наружный воздух температурой от -15 до +15 °С, отводимый из помещения воздух (15-25 °С), подпочвенные (4-10 °С) и грунтовые (более 10 °C) воды, озерная и речная вода (0-10 °С), поверхностный (0-10 °С) и глубинный (более 20 м) грунт (10 °С).

Если в качестве источника тепла выбран атмосферный или вентиляционный воздух, применяются тепловые насосы, работающие по схеме «воздух-вода». Насос может быть расположен внутри или снаружи помещения. Воздух подается в его теплообменник с помощью вентилятора.

При использовании в качестве источника тепла грунтовой воды она подается из скважины с помощью насоса в теплообменник насоса, работающего по схеме «вода-вода», и либо закачивается в другую скважину, либо сбрасывается в водоем.

2. Принцип действия теплового насоса

Тепловой насос, принцип работы которого построен на цикле Карно по сути - тепловой двигатель, который, в отличие от традиционного процесса горения, позволяет обеспечивать теплоснабжение объекта за счет тепла окружающей среды или возвратного (сбросное) тепла технологических процессов. Важным фактором является чрезвычайно низкое потребление тепловым насосом энергии для своей работы - затрачивая 1 кВт электричества, тепловой насос способен генерировать 4кВт тепла. Для некоторых типов тепловых насосов этот показатель может быть и выше. Говоря иначе, принцип действия теплового насоса основан на переносе тепловой энергии от низкопотенциального источника (вода, воздух, земля) к потребителю (теплоносителю) за счет затраты энергии на преобразование рабочего тела. Схематично тепловой насос можно представить из четырех основных элементов: испарителя, компрессора, конденсатора и сбросного клапана. С рабочим контуром самого теплового насоса связаны еще два контура: первичный (внешний), в котором циркулирует рабочая среда (вода, антифриз или воздух), отбирающая тепло окружающей среды (земля, воздух, вода), и вторичный - вода в системах отопления и горячего водоснабжения.

Принцип работы тепловых насосов базируется на способности рабочего тела, которым является жидкость, способная закипать и испаряться даже при минусовой температуре (например, фреон). Температура низкопотенциального источника энергии, воспринимаемая испарителем, выше температуры кипения фреона при соответствующем давлении. Вследствие теплоотдачи фреон вскипает и переходит в газообразное состояние. Пары фреона поступают в компрессор, в котором сжимаются. При этом его давление и температура увеличивается. Затем горячий и сжатый фреон направляется в конденсатор, охлаждаемый теплоносителем. На охлажденных поверхностях конденсатора пары фреона конденсируются, переходя в жидкое состояние, а его теплота передается теплоносителю, который в дальнейшем используется в системах отопления и горячего водоснабжения. Жидкий фреон направляется в сбросной клапан, проходя через который он снижает давление и температуру и снова возвращается в испаритель. Цикл при этом завершается и будет автоматически повторяться, пока работает компрессор.

3. Пять преимуществ тепловых насосов перед традиционными видами отопления

Экономичность - высокий коэффициент мощности - на производство 4-х кВт тепловой энергии идет 1 кВт электроэнергии, т.е. три из полученных киловатта потребителю обойдутся бесплатно - это тепло, отобранное насосом из окружающей среды. На практике это означает ежегодную экономию затрат на эксплуатацию.

Универсальность - с помощью теплового насоса можно решить не только задачу топления, но и охлаждения.

Независимость от наличия источника тепла.

Исключительная долговечность - единственный элемент, который подвергается механическому износу - это компрессор

Пожарная и экологическая безопасность - получение тепла не сопровождается процессом горения.

Источники тепла для тепловых насосов

В системах теплоснабжения объектов любого функционального назначения в качестве источников низкопотенциальной тепловой энергии могут быть использованы естественные, непрерывно возобновляемые ресурсы Земли:

Атмосферный воздух

Поверхностные водоемы и грунтовые воды

Грунт ниже глубины промерзания.

В качестве искусственных, техногенных источников низкопотенциального тепла могут выступать:

Удаляемый вентиляционный воздух

Сточные воды системы канализации

Промышленные сбросы технологических вод

Разновидности тепловых насосов

Тип теплового насоса определяется типом того источника тепла, который он использует как первичный. Напомним, что первичный источник тепла может быть как естественного, природного происхождения (грунт, вода, воздух), так и промышленного (удаляемый вентиляцией воздух, технологические и очищенные сточные воды).

Тепловые насосы типа «воздух-вода»

Окружающий атмосферный воздух особенно привлекателен для использования в качестве источника тепла, он имеется повсеместно и неограниченно. Воздушные тепловые насосы не требуют ни горизонтальных коллекторов, ни вертикальных зондов. Компактный наружный блок эффективно отбирает тепло воздуха и органично вписывается в любой интерьер. Тепловые насосы «воздух-вода» способны работать круглый год, как зимой, так и летом. Однако при температурах ниже -15С система отопления должна быть дополнена вторым отопительным прибором, например, газовым или твердотопливным котлом. Преимущество - снижение инвестиционных затрат по сравнению с другими типами тепловых насосов за счет отсутствия вспомогательных земляных работ, простота конструкции для использования в целях и отопления, и охлаждения. Недостаток - температурный лимит первичного источника тепла. Коэффициент мощности - 1,5-2.

Тепловые насосы типa «вода-вода»

Грунтовые воды - хороший аккумулятор солнечной тепловой энергии. Даже в зимний период дни они сохраняют постоянную положительную температуру (например, для Северо-Западного региона этот показатель находится на уровне +5+7°С). Однако, на наш взгляд, наилучшие перспективы применения имеют тепловые насосы, работающие на тепле сточных и технологических вод. Непрерывный водный поток, его высокий температурный уровень гарантируют постоянно высокий коэффициент мощности. Для промышленных предприятий инвестиции в теплонаносную установку сразу же, с момента запуска, обеспечат экономию средств на отопление и сократят зависимость от централизованных сетей теплообеспечения. В этом случае сбрасываемое в стоки тепло, по сути - источник дополнительного дохода, который без использования теплового насоса был бы невозможен. Преимущество - стабильность работы. Недостаток - для стабильной работы необходим постоянный поток вод удовлетворительного качества. Коэффициент мощности - 4-6.

Тепловые насосы типа «грунт-вода»

Тепловая энергия Солнца воспринимается грунтом либо непосредственно в форме радиации, либо косвенно в форме тепла, получаемого с дождем или от воздуха. Аккумулированное грунтом тепло отбирается либо вертикальным грунтовыми зондами, либо горизонтально проложенными грунтовыми коллекторами. Насосы этого типа также называют геотермальными тепловыми насосами. Преимущество - стабильность работы и самый высокий теплосъем среди всех типов тепловых насосов. Недостаток - относительно высокая стоимость буровых работ в случае геотермального теплового насоса и большая площадь для размещения горизонтальных грунтовых коллекторов (при потребности в тепле около 10 кВт и сухом глинистом грунте площадь коллектора должна быть не менее 450 м кв). Коэффициент мощности 3-5.

геотермальный тепловой насос отопление

4. Эффективность применения теплового насоса

5. Сравнение текущих расходов на отопление для населения по состоянию на август 2008

Молдова

Тарифы: 1000 м. куб. газа -- 300 долл. США

1 квт.ч. электроэнергии -- 0,1 долл. США

Для обычного чугунного напольного котла с кпд = 0,82 из 1000 м. куб. газа получим:

1000 * 9,1 квт.ч. м. куб. * 0,82 = 7462 квт.ч. тепла

Для суперсовременного конденсационного котла с кпд = 1,05 -- 9555 квт.ч. тепла.

Для получения такого же количества тепла с помощью среднеэффективного универсального ТН нужно в первом случае:

7462 / 4,5 = 1658 квт.ч. электроэнергии стоимостью 166 долл.

во втором:

9555 / 4,5 = 2123 квт.ч., стоимостью 212 долл.

Уменьшение затрат по сравнению со стоимостью газа (300 долл.) соответственно:

(300 - 166) / 300 -- 45%

(300 - 212) / 300 -- 29%

США (Вермонт)

1000 м. куб. -- 350 долл.

1 квт.ч. электроэнергии -- 0,12 долл.

Экономия 27--43%.

Беларусь

1000 м. куб. -- 141 600 руб. = 66 долл.

1 квт.ч. электроэнергии -- 74,7 руб. = 0,0349 долл.

Это если использовать утвержденные 2007 г. во многих странах дифференцированные по времени тарифы, т.е. отключать ТН в периоды максимальных нагрузок энергосистемы с 8.00 по 11.00 и с 19.00 по 22.00, что реально с использованием аккумуляторов тепла. Экономия по сравнению с обычным газовым котлом - всего до 12%. Но это сегодня. Ситуация когда газ продается по 200-230$ не может продолжаться долго. Вероятно что-то подобное будет введено и в Молдове.

6. Капитальные затраты

Стоимость самого теплового насоса значительно выше стоимости газового котла, что впрочем не сильно изменит общую смету при новом строительстве приличного коттеджа. Цены практически сравниваются при необходимости строительства 200--300 м. газопровода. Если строится не временный фанерный домик, а капитальное строение для детей и внуков, будет некрасиво оставить им в наследство зависимость от давления в газовой трубе. Уж что-что, а электричество в стране будет всегда. А вот с газом могут возникнуть проблемы уже в ближайшем будущем. Знаменитый монополист Газпром, имеющий десятки миллиардов долларов долгов, не от хорошей жизни стремительно повышает цены на газ не только для ближайших союзников, но и для внутрироссийских потребителей. Просто не на что производить разведку и освоение новых месторождений, латать построенные еще при СССР трубопроводы. Особенно когда его основные доходы от экспорта газа в Европу через Украину тихо уплывают в неизвестном направлении через швейцарских учредителей фирмы-экспортера «УкрГазэнерго» и никого в Молдове это не волнует. Других же поставщиков у нас нет и не предвидится.

7. Некоторые справочные данные

Справочные данные.

1. Прогноз цен на природный газ:

2. Ориентировочная зависимость необходимой теплопроизводительности ТН от площади дома с хорошими теплоизоляционными свойствами:

В каждом конкретном случае производится индивидуальный расчет по теплопотерям здания. Для уменьшения капитальных затрат часто ТН используют в бивалентном режиме. Параллельно ему устанавливается, или при реконструкции оставляется дополнительный пиковый нагреватель на любом виде топлива, который включается в работу в самые холодные дни, каких у нас не так уж много. По данным Гидрометеоцентра усредненная температура по Молодовы для января - 4,8°С, для периода декабрь - февраль - 4,0°С. В самый холодный год за всю историю наблюдений (2006) она составила - 8,6 ... - 5,7°С в те же периоды.

При таком подключении ТН может либо отключаться, если он становится неэффективным (например «воздух--вода» при больших отрицательных температурах наружного воздуха), либо работать

Если источник - водоем, на его дно укладывается петля из металлопластиковой или пластиковой трубы. По трубопроводу циркулирует раствор гликоля (антифриз), который через теплообменник теплового насоса передает тепло фреону.

Возможны два варианта получения низкопотенциального тепла из грунта: укладка металлопластиковых труб в траншеи глубиной 1,2-1,5 м либо в вертикальные скважины глубиной 20-100 м. Иногда трубы укладывают в виде спиралей в траншеи глубиной 2-4 м. Это значительно уменьшает общую длину траншей. Максимальная теплоотдача поверхностного грунта составляет 50-70 кВт·ч/м2 в год. По данным зарубежных компаний, срок службы траншей и скважин составляет более 100 лет.

Расчет горизонтального коллектора теплового насоса

Съем тепла с каждого метра трубы зависит от многих параметров: глубины укладки, наличия грунтовых вод, качества грунта и т.д. Ориентировочно можно считать, что для горизонтальных коллекторов он составляет 20 Вт/м. Более точно: сухой песок - 10, сухаяглина - 20, влажная глина - 25, глина с большим содержанием воды - 35 Вт/м. Разницу температуры теплоносителя в прямой и обратной линии петли при расчетах принимают обычно равной 3 °С. На участке над коллектором не следует возводить строений, чтобы тепло земли пополнялось за счет солнечной радиации.

Минимальное расстояние между проложенными трубами должно быть 0,7-0,8 м. Длина одной траншеи составляет обычно от 30 до 120 м. В качестве теплоносителя первичного контура рекомендуется использовать 25-процентный раствор гликоля. В расчетах следует учесть, что его теплоемкость при температуре 0 °С составляет 3,7 кДж/(кг·К), плотность - 1,05 г/см3. При использовании антифриза потери давления в трубах в 1,5 раза больше, чем при циркуляции воды. Для расчета параметров первичного контура теплонасосной установки потребуется определить расход антифриза:

Vs = Qo·3600 / (1,05·3,7·.t),

где .t - разность температур между подающей и возвратной линиями, которую часто принимают равной 3 К, а Qo - тепловая мощность, получаемая от низкопотенциального источника (грунт). Последняя величина рассчитывается как разница полной мощности теплового насоса Qwp и электрической мощности, затрачиваемой на нагрев фреона P:

Qo = Qwp - P, кВт.

Суммарная длина труб коллектора L и общая площадь участка под него A рассчитываются по формулам:

L = Qo/q,

A = L·da.

Здесь q - удельный (с 1 м трубы) теплосъем; da - расстояние между трубами (шаг укладки).

Пример расчета теплового насоса

Исходные условия: теплопотребность коттеджа площадью 120-240 м2 (в зависимости от теплоизоля- ции) - 12 кВт; температура воды в системе отопления должна быть 35 °С; минимальная температура теплоносителя - 0 °С. Для обогрева здания выбран тепловой насос мощностью 14,5 кВт (ближайший больший типоразмер), затрачивающий на нагрев фреона 3,22 кВт. Теплосъем с поверхностного слоя грунта (сухая глина) q равняется 20 Вт/м. В соответствии с показанными выше формулами рассчитываем:

1) требуемую тепловую мощность коллектора Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 кВт;

2) суммарную длину труб L = Qo/q = 11,28/0,020 = 564 м. Для организации такого коллектора потребуется 6 контуров длиной по 100 м;

3) при шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка А = 600 Ч 0,75 = 450 м2;

4) общий расход гликолевого раствора Vs = 11,28·3600/ (1,05·3,7·3) = 3,51 м3/ч, расход на один контур равен 0,58 м3/ч.

Для устройства коллектора выбираем трубу из полиетилена высокой плотности (HDPE) типоразмера 32. Потери давления в ней составят 45 Па/м; сопротивление одного контура - примерно 7 кПа; скорость потока теплоносителя - 0,3 м/с.

Расчет зонда

При использовании вертикальных скважин глубиной от 20 до 100 м в них погружаются U-образные металлопластиковые или пластиковые (при диаметрах выше 32 мм) трубы. Как правило, в одну скважину вставляется две петли, после чего она заливается цементным раствором. В среднем удельный теплосъем такого зонда можно принять равным 50 Вт/м. Можно также ориентироваться на следующие данные по теплосъему:

сухие осадочные породы - 20 Вт/м;

каменистая почва и насыщенные водой осадочные породы - 50 Вт/м;

каменные породы с высокой теплопроводностью - 70 Вт/м;

подземные воды - 80 Вт/м.

Температура грунта на глубине более 15 м постоянна и составляет примерно +10 °С. Расстояние между скважинами должно быть больше 5 м. При наличии подземных течений, скважины должны располагаться на линии, перпендикулярной потоку.

Подбор диаметров труб проводится исходя из потерь давления для требуемого расхода теплоносителя. Расчет расхода жидкости может проводиться для .t = 5 °С.

Пример расчета. Исходные данные - те же, что в приведенном выше расчете горизонтальногоколлектора. При удельном теплосъеме зонда 50 Вт/м и требуемой мощности 11,28 кВт длина зонда L должна составить 225 м.

Для устройства коллектора необходимо пробурить три скважины глубиной по 75 м. В каждой из них размещаем по две петли из металлопластиковой трубы типоразмера 26Ч3; всего - 6 контуров по 150 м.

Общий расход теплоносителя при t = 5 °С составит 2,1 м3/ч; расход через один контур - 0,35 м3/ч. Контуры будут иметь следующие гидравлические характеристики: потери давления в трубе - 96 Па/м (теплоноситель - 25-процентный раствора гликоля); сопротивление контура - 14,4 кПа; скорость потока - 0,3 м/с.

Выбор оборудования

Поскольку температура антифриза может изменяться (от -5 до +20 °С) в первичном контуре тепло насосной установки необходим расширительный бак.

Рекомендуется также установить на возвратной линии накопительный бак: компрессор теплового насоса работает в режиме «включено-выключено». Слишком частые пуски могут привести к ускоренному износу его деталей. Бак полезен и как аккумулятор энергии - на случай отключения электроэнергии. Его минимальный объем принимается из расчета 10-20 л на 1 кВт мощности теплового насоса.

При использовании второго источника энергии (электрического, газового, жидко- или твердотопливного котла) он подключается к схеме через смесительный клапан, привод которого управляется тепловым насосом или общей системой автоматики.

В случае возможных отключений электроэнергии нужно увеличить мощность устанавливаемого теплового насоса на коэффициент, рассчитываемый по формуле: f = 24/(24 - tоткл), где tоткл - продолжительность перерыва в электроснабжении.

В случае возможного отключения электроэнергии на 4 ч этот коэффициент будет равен 1,2.

Мощность теплового насоса можно подбирать исходя из моновалентного или бивалентного режима его работы. В первом случае предполагается, что тепловой насос используется как единственный генератор тепловой энергии.

Следует принимать во внимание: даже в нашей стране продолжительность периодов с низкой температурой воздуха составляет небольшую часть отопительного сезона. Например, для центрального региона Молдовы время, когда температура опускаетсяниже -10 °С, составляет всего 900 ч (38 сут), в то время, как продолжительность самого сезона - 5112 ч, а средняя температура января составляет примерно -10 °С. Поэтому наиболее целесообразной является работа теплового насоса в бивалентном режиме, предусматривающая включение дополнительного теплогенератора в периоды, когда температура воздуха опускается ниже определенной: -5 °С - в южных регионах Молдовы, -10 °С - в центральных. Это позволяет снизить стоимость теплового насоса и, особенно, работ по монтажу первичного контура (прокладка траншей, бурение скважин и т.п.), которая сильно увеличивается при возрастании мощности установки.

В условиях Молдовы для примерной оценки при подборе теплового насоса, работающего в бивалентном режиме, можно ориентироваться на соотношение 70/30: 70 % потребности в тепле покрываются тепловым насосом, а оставшиеся 30 - электрическим котлом или другим теплогенератором. В южных регионах можно руководствоваться соотношением мощности теплового насоса и дополнительного генератора тепла, часто используемым в Западной Европе: 50 на 50.

Для коттеджа площадью 200 м2 на 4 человек при тепловых потерях 70 Вт/м2 (при расчете на -28 °С наружной температуры воздуха) потребность в тепле будет 14 кВт. К этой величине следует добавить 700 Вт на приготовление санитарной горячей воды. В результате необходимая мощность теплового насоса составит 14,7 кВт.

При возможности временного отключения электричества нужно увеличить это число на соответствующий коэффициент. Допустим, время ежедневного отключения - 4 ч, тогда мощность теплового насоса должна быть 17,6 кВт (повышающий коэффициент - 1,2). В случае моновалентного режима можно выбрать тепловой насос типа «грунт-вода» ALTAL GWHP19 мощностью 19 кВт, потребляющий 5,3 кВт электроэнергии или более новый, с более высоким коэфициентом преобразрвания, тепловой насос с многокомпрессорной системой, GWHP16С (компрессоры Copeland, контроллер Carel, улучшенные теплообменники нового поколения, система резервирования, мягкий пуск и пр).

В случае использрвания бивалентной системы с дополнительным электрическим нагревателем и температурой уставки -10 °С с учетом необходимости получения горячей воды и коэффициента запаса, мощность теплового насоса должна быть 11,4 Вт, а электрического котла - 6,2 кВт (в сумме - 17,6). Потребляемая системой пиковая электрическая мощность составит 9,7 кВт.

Отметим, что при установке тепловых насосов в первую очередь следует позаботиться об утеплении здания и установке стеклопакетов с низкой теплопроводностью.

8. Примеры для расчета