Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Теоретическая часть

1.1 Тепловой насос- эффективный путь энергосбережения

1.2 Геотермальный тепловой насос

1.3 Пример применения тепловых насосов

1.4 Теплофизические свойства грунтов

1.5 Область применения тепловых насосов

1.6 Этапы проектирования тепловых насосов в системе теплоснабжения

1.7 Перспектива внедрения тепловых насосов в различных секторах экономики

1.8 Экологические и экономические аспекты внедрения тепловых насосов

1.9 Надёжность и эксплуатационные характеристики систем на базе тепловых насосов

1.10 Экологические аспекты внедрения тепловых насосов

2. Теплотехническая часть

2.1 Технические условия объекта

2.2 Общие положения

2.3 Выбор теплоносителя системы теплоснабжения

2.4 Определение расхода тепла и расхода сетевой воды

2.4.1 Определение расхода тепла

2.4.2 Определение расхода сетевой воды

2.5 Определение расходов воды

2.6 Гидравлический расчёт подающих трубопроводов системы ГВС

2.7 Расчёт и выбор теплового насоса

2.8 Расчёт теплообменника

2.9 Тепловой расчёт изоляции кожуха теплообменника

2.10 Гиравлический расчёт теплообменника

3. Безопасность жизнедеятельности

4. Гражданская защита

5. Технология строительного производства

6. Автоматизация

7. Экономика

Заключение

Список использованной литературы

1. Теоретическая часть

1.1 Тепловые насосы - эффективный путь энергосбережения

В настоящее время перед Россией, как и перед всем миром, остро стоят три взаимосвязанные проблемы:

- экономия топливно-энергетических ресурсов;

- энергетическая независимость;

- уменьшение загрязнения окружающей среды.

Одним из эффективных путей экономии топливно-энергетических ресурсов является использование экологически чистых нетрадиционных возобновляемых источников энергии, и в первую очередь, солнечной энергии, аккумулированной в грунте, водоемах, воздухе. Однако периодичность действия и низкий температурный потенциал этих источников не позволяют использовать их энергию для отопления зданий непосредственно, без преобразования. В качестве преобразователей тепловой энергии от энергоносителя с низкой температурой к энергоносителю с более высокой температурой используются тепловые насосы.

Тепловой насос представляет собой обращённую холодильную машину и позволяет вырабатывать тепловую энергию, используя низкопотенциальное тепло вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Применение тепловых насосов позволяет экономить до 70% традиционных энергетических ресурсов.

В настоящее время отопление и горячее водоснабжение городских объектов осуществляется, как правило, от централизованных систем теплоснабжения. Источником тепловой энергии в таких системах являются городские ТЭЦ, на которых осуществляется комбинированная выработка электроэнергии и тепла, или районные котельные. Преимущества централизованного теплоснабжения широко признаны. С термодинамической точки зрения комбинированное производство электроэнергии и тепла на ТЭЦ является гораздо более эффективным, чем раздельное производство электроэнергии на конденсационных тепловых электростанциях и тепла котельными. Россия является признанным лидером по масштабам использования централизованных систем электро и теплоснабжения. Во многих странах строительство ТЭЦ по примеру России рассматривается как эффективное средство энергосбережения и уменьшения отрицательного воздействия энергетических объектов на окружающую среду. тепловой насос теплоснабжение вода

Вместе с тем применение централизованных систем теплоснабжения имеет свои недостатки и ограничения. Строительство протяженных теплотрасс к удаленным объектам, а также к объектам в районах с малой плотностью застройки, сопряжено со значительными капитальными вложениями и большими тепловыми потерями на трассе. Их эксплуатация впоследствии также требует больших затрат. Серьезные проблемы возникают и при реконструкции существующих объектов и строительстве новых в обжитых городских районах с плотной застройкой. В этих случаях увеличение тепловых нагрузок создает для застройщика часто непреодолимые трудности, в том числе финансовые, при получении и реализации технических условий на подключение к районной тепловой сети.

Действующие в настоящее время тарифы на тепловую энергию, в сочетании с затратами на подключение к городским тепловым сетям, заставляют все чаще задумываться над альтернативными способами теплоснабжения. Теплонасосные системы теплоснабжения представляются одним из наиболее эффективных альтернативных средств решения проблемы. С термодинамической точки зрения схемы теплоснабжения на базе тепловых насосов в большинстве случаев являются даже более эффективными, чем от ТЭЦ и индивидуальных котельных. Тепловые насосы нашли широкое применение для теплоснабжения жилых и административных зданий в США, Швеции, Канаде и других странах со сходными с Россией климатическими условиями. По прогнозу Мирового энергетического комитета к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75%. Расширяется опыт применения тепловых насосов и в России. Тепло-хладоснабжение с помощью тепловых насосов относится к области энергосберегающих экологически чистых технологий. Эта технология по заключению целого ряда авторитетных международных организаций, наряду с другими энергосберегающими технологиями, относится к технологиям 21-го века.

Принципиальная схема компрессионного теплового насоса изображена на рис. 1. Суть его работы состоит в следующем. В испарителе теплового насоса тепло невысокого температурного потенциала отбирается от некоего источника низкопотенциального тепла и передается низкокипящему рабочему телу теплового насоса (фреону). Полученный пар сжимается компрессором. При этом температура пара повышается, и тепло на нужном температурном уровне в конденсаторе передается в систему отопления и горячего водоснабжения. Для того чтобы замкнуть цикл, совершаемый рабочим телом, после конденсатора оно дросселируется до начального давления, охлаждаясь до температуры ниже источника низкопотенциального тепла, и снова подается в испаритель. Таким образом, тепловой насос осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкого температурного уровня на более высокий уровень, необходимый потребителю. При этом на привод компрессора затрачивается механическая (электрическая) энергия.

При наличии источника низкопотенциального тепла с более или менее высокой температурой количество тепла, поставляемого потребителю, в несколько раз превышает затраты энергии на привод компрессора. Отношение полезного тепла к работе, затрачиваемой на привод компрессора, называют коэффициентом преобразования теплового насоса, и в наиболее распространенных теплонасосных системах он достигает 3 и более. Типичные зависимости идеального и реального коэффициентов преобразования теплового насоса от температуры конденсатора и испарителя приведены на рис. 2. Видно, что, например, при температуре испарителя на уровне 0оС и температуре конденсатора на уровне 60оС коэффициент преобразования реальной установки достигает 3. С увеличением температуры источника низкопотенциального тепла или с уменьшением температуры, необходимой потребителю, коэффициент преобразования возрастает и может достигать 4, 5 и больших значений.

Очевидно, что применение тепловых насосов особенно эффективно в случае использования воздушных систем или напольных систем водяного отопления, для которых температура теплоносителя не превышает 35-40оС. Все более широкое применение в последнее время находят системы отопления с применением современных теплообменников с высокими коэффициентами теплопередачи и соответственно допускающих использование теплоносителя с пониженными температурами.

Ключевым вопросом, от которого в значительной степени зависит эффективность применения тепловых насосов, является вопрос об источнике низкопотенциального тепла. В качестве низкопотенциальных источников теплоты могут использоваться:

а) вторичные энергетические ресурсы

- теплота вентиляционных выбросов;

- теплота серых канализационных стоков;

- сбросная теплота технологических процессов.

б) нетрадиционные возобновляемые источники энергии:

- теплота окружающего воздуха;

- теплота грунтовых вод;

- теплота водоемов и природных водных потоков;

- теплота солнечной энергии;

- теплота поверхностных слоев грунта.

Идеальный вариант для тепловых насосов - наличие вблизи от потребителя источника сбросного тепла промышленного или коммунального предприятия. В наших условиях хозяйствования такие случаи нередки. Тем не менее, эти случаи следует рассматривать как частные.

В качестве довольного универсального источника низкопотенциального тепла можно использовать теплоту грунта. Известно, что на глубине 4-5 м и более температура грунта в течение года практически постоянна и соответствует среднегодовой температуре атмосферного воздуха. В климатических условиях средней полосы России эта температура составляет + 5-8оС., что весьма неплохо для использования в тепловых насосах. Поверхностные слои грунта (до 50 - 60 м), являются достаточно универсальным и повсеместно доступным источником низкопотенциального тепла. Скважины-теплообменники могут сооружаться под фундаментом здания или в непосредственной близости от него. При этом такие системы не требуют заметного отчуждения земли.

Тепловые режимы работы грунтовых теплообменников могут быть существенно улучшены при использовании, наряду с теплом грунта, утилизируемого тепла вентиляционных выбросов, тепла жидких стоков, а в ряде случаев и солнечной энергии.

В конструкциях новых зданий выполнение требований по повышению теплоизоляции ограждающих конструкций (стены, окна) приводит к тому, что основным источником тепловых потерь оказываются вентиляционные выбросы, причем повышение герметичности зданий в связи с применением стеклопакетов, требует внедрения новых технических решений по организации контролируемого воздухообмена в помещениях. А это значит, что все более широкое применение находят системы приточно-вытяжной вентиляции. Следовательно, создаются технические возможности для организации утилизации тепловых выбросов и возврату тепла в здание. По сравнению с широко известными воздушными теплообменникам и утилизаторами теплонасосные установки позволяют обеспечить более глубокую и, что особенно важно, круглогодичную утилизацию тепла выходящего из здания воздуха, так как утилизация тепла в этом случае осуществляется теплоносителем с более низкой температурой.

Утилизируемое тепло вентиляционных выбросов, жидких стоков и тепло, получаемое в простейших солнечных коллекторах, целесообразно направлять в грунт для восполнения теплоты, интенсивно “выкачиваемой” из грунта в зимнее время, тем самым, восстанавливая или даже повышая его температурный потенциал.

Накопленный многолетний опыт проектирования, создания и практической эксплуатации теплонасосных систем теплоснабжения, технико-экономические и проектно-конструкторские обоснования их внедрения в реальные малые и крупные объекты строительства, расположенные как в условиях плотной городской застройки, так и в сельской местности, свидетельствуют о широких возможностях эффективного применения теплонасосных систем и обеспечения с их помощью заметного экономического, энергосберегающего и экологического эффектов. Дополнительный потенциал повышения эффективности использования тепловых насосов кроется также в возможности их внедрения не только для целей отопления и горячего водоснабжения, но и для кондиционирования воздуха, включая контроль и управление влажностью воздуха в помещениях и в ряде технологических процессов. Это осуществляется с помощью реверсивных тепловых насосов, в которых можно менять направление теплового потока.

1.2 Геотермальные тепловые насосы

На сегодняшний день геотермальный тепловой насос является наиболее эффективной энергосберегающей системой отопления и кондиционирования. Геотермальные тепловые насосы получили широкое распространение в США, Канаде и странах Европейского Сообщества. Геотермальные системы устанавливаются в общественных зданиях, частных домах и на промышленных объектах. Толчок к развитию эти системы получили после энергетических кризисов 1973 и 1978 годов. В начале своего развития они устанавливались в домах высокой ценовой категории, но за счет применения современных технологий геотермальные тепловые насосы стали доступны многим потребителям. Они устанавливаются в новых зданиях или заменяют устаревшее оборудование с сохранением или незначительной модификацией прежней отопительной системы.

К настоящему времени масштабы внедрения геотермальных тепловых насосов в мире ошеломляют:

· В США ежегодно производится около 1 млн. геотермальных тепловых насосов. При строительстве новых общественных зданий используются исключительно геотермальные тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.

· В Швеции 70% тепла обеспечивается тепловыми насосами. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается геотермальными тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник низкопотенциального тепла воды Балтийского моря с температурой + 8°С.

· В Германии предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности.

· Общий объём продаж выпускаемых за рубежом ТН составляет 125 млрд. долларов США, что превышает мировой объём продаж вооружений в 3 раза.

· В мире по прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 году доля геотермальных тепловых насосов в теплоснабжении составит 75%.

Преимущества геотермальных систем:

· Экономичность и эффективность.

Низкое энергопотребление достигается за счет высокого коэффициента преобразования системы (от 3 до 7) и позволяет получить на 1 кВт затраченной энергии 3-7 кВт тепловой энергии на выходе. Система исключительно долговечна и прослужит до 30 лет без особого внимания к себе. Срок окупаемости оборудования обычно не превышает 5 лет.

· Гибкость.

Одна установка может контролировать отопление, охлаждение и нагрев воды.

· Комфорт.

В течение всего года создается желаемый климат в помещении, система работает устойчиво, колебания температуры и влажности минимальны. Отсутствует шум. Применяется мультизональный климатический контроль.

· Дизайн.

Установка занимает минимум пространства и не нарушает целостность интерьера и концепцию фасада здания, так как нет внутреннего и внешнего блока.

· Экология.

Экологически чистый метод отопления и кондиционирования, так как используется возобновляемая тепловая энергия земли. В окружающую среду не выделяется вредных веществ.

· Надежность.

Надежное и долговечное оборудование, имеет срок службы до капитального ремонта более 15 лет. Работает полностью в автоматическом режиме. Обслуживание установок заключается в сезонном техническом осмотре и периодическом контроле режима работы.

· Безопасность.

Установки даже высокой мощности имеют высокую степень безопасности, так как не связанны с горючими или взрывоопасными материалами, процессами горения, высокими температурами.

Принцип работы

Геотермальная теплонасосная система работает как котел при отоплении и как кондиционер при охлаждении. Работа теплового насоса осуществляется в компрессионно-конденсаторном цикле. Теплоноситель (обычно вода) подается из земли или водоема в тепловой насос, где низко-потенциальное тепло Земли отбирается и передается по системе воздуховодов или трубопроводов к потребителю. В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии может быть использовано тепло как естественного происхождения (наружный воздух; тепло грунта, тепло грунтовых и геотермальных вод; воды рек, озер, морей и других незамерзающих природных водоемов), так и тепло техногенного происхождения (вентиляционные выбросы, промышленные сбросы, очистные сооружения, тепло силовых трансформаторов и любое другое бросовое тепло). Цикл осуществляется с помощью электрического двигателя. Электричество приводит в действие электродвигатель, от которого механический момент передается на компрессор. Инициируется термодинамический цикл и тепло, накопленное землей или водоемом, отбирается теплообменниками теплового насоса. Электрическая энергия затрачивается только на перекачивание жидкости, но ничего удивительного в получении дополнительной энергии нет, т.к. используется уже накопленное Землей тепло. Сегодня тепловые насосы выпускаются тепловой мощностью от 2 кВт до 200 МВт.

1.3 Примеры применения тепловых насосов

Экспериментальный энергоэффективный дом в Никулино-2 (Москва)

Тепловой узел горячего водоснабжения расчитан на каждую секцию жилого дома, содержащую 10 квартир и рассчитанную на 30 жителей. Тепловой узел горячего водоснабжения предназначен для подогрева водопроводной воды до температуры, предусмотренной СНиП 2.04.01-85*.

Нагрузка горячего водоснабжения:

Максимальный часовой расход горячей воды, м.куб.\час - 2.79, соответствующая тепловая нагрузка, кВт. - 54.

Средний за сутки часовой расход горячей воды, м.куб.\час - 0,93, соответствующая тепловая нагрузка, кВт. - 18.

Как видно по суточному графику разбора воды, максимальная нагрузка в трое превышает среднюю. Из соображений снижения капитальных затрат на наиболее дорогое оборудование (тепловые насосы), была принята схема с суточными аккумуляторами горячей воды. Расчетный срок окупаемости за счет экономии эксплуатационных затрат 4 года.

В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для испарителей тепловых насосов используется тепло грунта поверхностных слоев Земли, а также тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Такая система также допускает использование в качестве низкопотенциального источника тепловой энергии тепло сточных вод. Установка для подготовки горячего водоснабжения расположена в подвале здания. Она включает в себя следующие основные элементы:

- парокомпрессионные теплонасосные установки (ТНУ);

- баки-аккумуляторы горячей воды;

- системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха;

- циркуляционные насосы, контрольно-измерительную аппаратуру.

Основным теплообменным элементом системы сбора низкопотенциального тепла грунта являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального типа, расположенные снаружи по периметру здания. Эти теплообменники представляют собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 м каждая, устроенных вблизи дома.

Система сбора низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха предусматривает устройство в вытяжных вентиляционных камерах теплообменников-утилизаторов, гидравлически связанных с испарителями теплонасосных установок. В этом случае обеспечивается более глубокое охлаждение вытяжного воздуха и использование его тепла в тепловых насосах для получения горячей воды.

Система решена следующим образом. Из вентиляционных шахт удаляемый воздух собирается в коллектор и из него вытяжным вентилятором прогоняется через теплообменник-утилизатор, охлаждается и выбрасывается в атмосферу. Теплообменник-утилизатор связан с испарителем теплового насоса промежуточным контуром при помощи циркуляционного насоса. От конденсатора теплового насоса полезное тепло отводится в систему горячего водоснабжения.

Поскольку режим работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление горячей воды переменное, система горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами.

Тепловой насос , Система сбора низкопотенциального тепла удаляемого воздуха и грунта.



Система сбора низкопотенциального тепла удаляемого воздуха и грунта.

Обозначения:

1 - вентиляционные шахты;

2 - вытяжной вентилятор;

3 - теплообменник-утилизатор;

4 - циркуляционный насос;

5 - испаритель теплового насоса;

6 - регулирующий вентиль.

Сведения о некоторых источниках низкопотенциального тепла (ИНТ)

ИНТ	Среда промежуточного контура	Температура источника, °С
Грунтовые воды	вода	8..10
Грунт	рассол	2..10
Речная и озерная вода	рассол	3..15
Канализационные стоки	вода	10..20

1.4 Теплофизические свойства грунта

При эксплуатации систем тепло-хладоснабжения, использующих теплоаккумуляционные свойства грунта поверхностных слоев Земли, необходимо учитывать, что грунтовый массив, находящийся в пределах зоны теплового влияния системы теплосбора, вследствие сезонного изменения параметров наружного климата, а также под воздействием эксплуатационных нагрузок, как правило, подвергается многократному замораживанию и оттаиванию. При этом происходит изменение агрегатного состояния влаги, заключенной в порах грунта, которая, в общем случае, может находиться в жидкой, твердой и газообразной фазах одновременно. Грунтовый массив системы теплосбора, включая влагу, независимо от состояния, в котором он находится (в мерзлом или талом), представляет собой сложную трехфазную полидисперсную гетерогенную структуру, скелет которой образован огромным количеством твердых частиц разнообразной формы и величины и может быть как жестким, так и подвижным.

Моделирование процессов тепломассопереноса, участвующих в формировании теплового режима многокомпонентной системы, требует учета и математического описания разнообразных механизмов их осуществления: теплопроводности в отдельной частице, теплопередачи от одной частицы к другой при их контакте, молекулярной теплопроводности в среде, заполняющей промежутки между частицами, конвекции пара и влаги, содержащихся в поровом пространстве и многих других. При моделировании теплового режима систем необходимо также учитывать химико-минералогическую природу грунтового скелета, его механическую структуру, количественные соотношения между фазами среды, заполняющей промежутки между твердыми частицами скелета, и их взаимное расположение в поровом пространстве, а также многие другие физико-химические параметры грунтового массива.

Разработанный ОАО «ИНСОЛАР - ИНВЕСТ» метод математического моделирования основан на сопоставлении двух задач: о нестационарном тепловом режиме системы теплосбора при ее эксплуатации и о естественном тепловом режиме грунтового массива систему теплосбора.

Использование данного метода при построении математических моделей теплового режима систем сбора низкопотенциального тепла грунта позволяет не только обойти трудности, связанные с аппроксимацией внешних воздействий на систему, но и использовать в качестве решения базовой задачи достоверные, экспериментально полученные данные о естественном тепловом режиме грунта. Это является преимуществом данного метода в сравнении с традиционным подходом к моделированию тепловых процессов, поскольку позволяет частично учесть в модели весь комплекс факторов (таких как наличие грунтовых вод, их скоростной и тепловой режимы, структуру и расположение слоев грунта, "тепловой фон" Земли, атмосферные осадки, фазовые превращения влаги в поровом пространстве и многих других), влияющих на формирование теплового режима системы теплосбора.

На основе описанного метода разработан комплекс компьютерных программ, моделирующих пространственный нестационарный тепловой режим систем сбора низкопотенциального тепла грунта в процессе многолетней эксплуатации.

Проведенные с помощью этого комплекса численные эксперименты показали, что потребление тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает в близи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое в почвенно-климатических условиях большей части территории России не успевает компенсироваться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. В течение следующего отопительного сезона происходит дальнейшее снижение температуры грунта, так далее...

Однако, начиная с пятого года эксплуатации, многолетнее потребление тепловой энергии из грунтового массива системы теплосбора сопровождается периодическими изменениями его температуры.

В связи с этим, при проектировании систем теплохладоснабжения, использующих тепло грунта, представляется необходимым учет падения температур грунтового массива, вызванного многолетней эксплуатацией системы теплосбора, и использование в качестве расчетных параметров, температур грунтового массива, ожидаемых на 5-ый год эксплуатации.

Правильность геокриологического прогноза и оценки количественной интенсивности теплового и механического взаимодействия массивов пород с различного рода сооружениями во многом определяются качеством вводимой информации о теплофизических свойствах пород, о фазовом составе влаги в них, величине температуры замерзания (оттаивания).

Коэффициент теплопроводности л (Вт/(м °К) ) характеризует способность материала (породы) проводить тепло, а объемная Ср (Дж/(м °К)) или удельная (весовая) теплоемкость С (Дж/кг °К)) и коэффициент температуропроводности а (м2/с) - тепловую инерцию и инерцию изменения температурного поля соответственно.

В термодинамическом плане мерзлые породы есть многофазные и многокомпонентные системы. К основным компонентам пород относятся: органоминеральный скелет, поровый раствор и поровый газ. Вода может находиться в жидкой, твердой и газообразной фазах. Поскольку теплоемкость есть величина аддитивная, то теплоемкость породы складывается из теплоемкостей ее составляющих. Таким образом, теплоемкость грунта есть сумма теплоемкостей минералов, из которых сложен скелет грунта, органической составляющей, воды (для влажных грунтов) или водного раствора солей (для засоленных грунтов), льда (для мерзлых грунтов) и газовых включений грунта.

Теплопроводность грунтов, определяется соотношением твердой, жидкой и газообразной составляющих, их химико-минеральным составом, структурными и текстурными особенностями (дисперсностью, пористостью, слоистостью и др.), влажностью, агрегатным состоянием воды и температурой.

Многочисленные экспериментальные исследования, выполненные на дисперсных грунтах нарушенного и естественного сложения, показали уменьшение теплопроводности пород с увеличением их дисперсности в следующей последовательности: крупнообломочные; песчаные; супесчаные; лессовые; суглинистые; глинистые. Возрастание дисперсности сопровождается ростом гидрофильное и ультрапористости, определяющих фазовый состав мерзлых пород, причем процентное содержание незамерзшей воды увеличивается в последовательности, аналогичной приведенному ряду по дисперсности.

Минеральный состав дисперсных пород в целом оказывает влияние на их теплопроводность, хотя и проявляется это лишь через факторы строения породы.

Существенное влияние на теплопроводные свойства горных пород оказывает их плотность, а также любое нарушение сплошности. Коэффициент теплопроводности выше у более плотных, менее пористых пород, так как уплотнение породы сопровождается увеличением доли более теплопроводного скелета, а также улучшением качества контактов между частицами. Эта закономерность подтверждена экспериментальными данными для дисперсных пород различного состава, причем она справедлива в широком диапазоне температур, включая и область интенсивных фазовых переходов.

Теплопроводность резко возрастает по мере увеличения влажности грунта, поскольку теплопроводность воды значительно выше теплопроводности вытесняемого водой воздуха.

Большей части осадочных и метаморфических пород присуща анизотропия по теплопроводности.

Величина теплопроводности зависит от температуры. Особенно сильно зависит от температуры теплопроводность мерзлых грунтов. Для влажных дисперсных пород влияние температуры определяется не только температурными зависимостями теплопроводности отдельных компонентов, но их количественным соотношением, связанным с изменением фазового состава влаги в породах, а также условиями передачи тепла на контактах компонентов породы. Образование льдо-цементационных связей при фазовых переходах в значительной степени увеличивает величину коэффициента теплопроводности пород. Как правило, теплопроводность мерзлых пород выше, чем талых.

Для предварительного анализа возможно использование расчетных значений теплофизических характеристик, рекомендуемых СНиП 2.02.04-88.

В случаях, когда затруднительно найти аналоги используя имеющиеся в литературе данные по теплофизическим свойствам талых и мерзлых грунтов, следует проводить опытное определение свойств.

Для более точных расчетов необходимо проведение инженерно-геологических исследований, и на их основе определение физико-механических и теплофизических свойств грунта.

1.5 Область применения тепловых насосов

Тепловые насосы нашли широкое применение в различных отраслях промышленности, жилом и общественном секторах:

- в общественных зданиях с кондиционированием воздуха обычно применяют реверсивные тепловые насосы, обеспечивающие охлаждение воздуха в теплый период и нагревание в холодный период года;

- в жилищно-коммунальном секторе с помощью ТН может осуществляться автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий для отопления и горячего водоснабжения, а так же осуществляется кондиционирование в летний период года;

- на промышленных предприятиях различных отраслей тепловые насосы применяют для утилизации теплоты низкопотенциальных технологических выбросов, водооборотных систем и стоков, с целью использования такого тепла для теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения. При необходимости используется и вырабатываемый тепловыми насосами холод.

1.6 Этапы проектирования теплонасосных систем теплоснабжения общие положения

1.Решение об использовании энергосберегающих теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ) целесообразно принимать на стадии разработки и утверждения задания на проектирование.

Предпосылками для применения таких систем могут служить следующие обстоятельства:

- удалённость от систем централизованного теплоснабжения;

- ограничение в использовании электроэнергии для прямого нагрева при теплоснабжении;

- наличие вторичных энергетических ресурсов (вентиляционных выбросов, сбросной теплоты технологических процессов, серых канализационных стоков и т. п.);

- наличие холодильной нагрузки;

- относительно низкий температурный потенциал тепловых нагрузок (напольное отопление, вентиляция, подогрев воды в бассейнах и т.п.)

- большой объём требований технических условий на подключение к внешним источникам теплоснабжения.

Этапы проектирования обязательно должны содержать стадию ТЭО.

На этой стадии наряду с архитектурой должны быть проработаны инженерные разделы, согласованы различные инженерные системы между собой и с теплонасосной системой теплоснабжения в части использования вторичных энергетических ресурсов и покрытия различных тепловых нагрузок с учётом графиков их изменения во времени.

2. ТСТ, как правило, состоят из системы сбора низкопотенциального тепла, собственно тепловых насосов и традиционных источников тепловой энергии для покрытия пиковых нагрузок. Возможно применить аккумуляторы тепловой энергии. Такие схемы, как правило, применяются для систем горячего водоснабжения с целью выравнивания суточной неравномерности потребления горячей воды.

3. Системы сбора низкопотенциального тепла представляют собой различные теплообменные аппараты, утилизирующие вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) и нетрадиционные источники энергии (НИЭ) включённые в единый с испарителями тепловых насосов контур, по которому циркулирует теплоноситель. Если по режимным параметрам температура в этом контуре может быть ниже 0°С, то в качестве теплоносителя используются антифризы, например, на основе водных растворов этиленгликоля. Система должна постоянно обеспечивать испарители тепловых насосов низкопотенциальной тепловой энергией. В связи с этим в системе целесообразно комбинировать различные виды низкопотенциальных источников теплоты.

4. Тепловые насосы, как наиболее дорогое оборудование, подбираются по мощности на величину базовых нагрузок по графику их изменения. Это обеспечивает максимальное использование тепловых насосов и более стабильный режим их работы.

Для обеспечения надёжности работы системы в схеме предусматривается несколько агрегатов, за исключением случаев, когда надёжность агрегатов обеспечивается их внутренним устройством.

5. В качестве дополнительных традиционных источников тепловой энергии, предназначенных для покрытия пиковых нагрузок, целесообразно применять нагреватели, легко поддающиеся автоматизации работы, например, электрические или газовые. Нагреватели могут устанавливаться по отношению к тепловым насосам как параллельно (со смешиванием потоков теплоносителя), так и последовательно (догревание теплоносителя).

6. На стадии ТЭО необходимо рассмотреть комплекс традиционных мероприятий по энергосбережению:

* выполнить энергоаудит зданий и сооружений

* рациональные архитектурно-планировочные решения по конфигурации зданий и сооружений и расположению их на местности;

* применение энергосберегающих ограждающих конструкций;

* использование энергосберегающей системы вентиляции, в том числе с возможностью рекуперативного подогрева приточного воздуха вытяжным;

* создание рациональной системы отопления с применением автоматизированных узлов управления и учёта тепловой энергии;

* установка экономичных устройств водоразбора в системе горячего водоснабжения с применением регуляторов давления;

* применение энергоэкономичных светильников и других электроприборов, устройств частотного регулирования электрических машин и т.п.

Целесообразно рассмотреть 2 - 3 варианта схем ТСТ для выбора наиболее оптимального решения. Принципиальные схемы ТСТ выбираются на основе тепловых и технико-экономических расчётов.

7. Согласно действующим нормативным документам применение новых технологий теплоснабжения (в том числе с применением тепловых насосов), связанных, как правило, со значительными капитальными вложениями, требует предварительного технико-экономического обоснования.

8. На стадии разработки ТЭО для объектов с теплонасосными системами теплоснабжения должны быть проработаны следующие вопросы:

* определены основные архитектурно-планировочные решения;

* определены расчетные тепловые, холодильные и электрические нагрузки объекта с учётом всех внутренних бытовых и технологических тепловыделений;

* рассмотрены возможные мероприятия по снижению энергетических нагрузок традиционными способами;

* определена структура потребления энергии (тепловой и электрической);

* определены суточные и годовые графики потребления тепловой и электрической энергии;

* проработана схема традиционного (централизованного или автономного) теплоснабжения и определены затраты на её создание (с учётом выполнения требований выставленных технических условий);

* определен энергетический потенциал вторичных энергетических ресурсов объекта (мощность и график их поступления);

* определён энергетический потенциал доступных нетрадиционных возобновляемых источников энергии и потребная мощность для покрытия тепловых нагрузок здания;

* выбрана принципиальная схема системы энергоснабжения с помощью тепловых насосов и выполнена предварительная проектная проработка;

* рассчитаны капитальные затраты, связанные с созданием ТСТ, с учётом технических условий на подключение к внешним энергетическим источникам;

* рассчитаны годовые эксплуатационные затраты по традиционному варианту теплоснабжения и варианту с тепловыми насосами;

* рассчитан срок окупаемости ТСТ.

В случае если срок окупаемости приемлем и к реализации принят вариант ТСТ, следующие этапы проектирования выполняются в соответствии с существующими нормами с обязательным расчётным обоснованием выбора структуры и технических характеристик применяемого оборудования.

Проект системы отопления и системы горячего водоснабжения

с использованием теплонасосных систем теплоснабжения включает в себя:

* Теплотехнический расчет;

* Гидравлический расчет;

* Пояснительную записку;

* Проектирование систем сбора низкопотенциальной тепловой энергии;

* Подбор мощности и моделей отопительных котлов и тепловых насосов;

* Подбор радиаторов отопления, систем теплого пола, фанкойлов и т.д.;

* Подбор и расстановка коллекторных узлов;

* Трассировка стояков отопления и трубопроводов;

* Поэтажные планы с расстановкой и привязкой приборов отопления, коллекторных узлов, трубопроводов (с указанием марки оборудования и размеров);

* Аксонометрическая схема системы отопления;

* Схема подключения отопительных котлов и тепловых насосов;

* Схема подключения приборов отопления;

* Схема подключения коллекторного узла;

* Спецификация оборудования и материалов;

* Расстановка оборудования ГВС

Проект системы отопления с использованием ТСТ обычно выполняется совместно с проектом котельной, так как для подбора теплогенератора (котла), и оборудования котельной используются такие же расчетные данные.

Необходимые исходные данные для проектирования системы отопления и системы горячего водоснабжения:

* Обогреваемая/отапливаемая площадь;

* Поэтажные планы, разрезы здания;

* Ориентация здания по сторонам света;

* Материал/конструкция перекрытий/пола (на грунте, на лагах, толщина перекрытий с указанием слоев);

Материал/конструкция стен с указанием удельного веса, коэффициента теплопроводности, толщины слоев материала в сантиметрах;

* Конструкция наружных дверей с указанием удельного веса, коэффициента теплопроводности, толщины слоев материала в сантиметрах;

* Конструкция крыши, геометрия, высоты, с указанием удельного веса, коэффициента теплопроводности, толщины слоев материала в сантиметрах;

* Окна: остекление, геометрические размеры, тип остекления (стеклопакет, переплет, простое остекление);

* Высоты подоконника от чистого пола до подоконной доски, наличие ниши под радиаторы - размеры;

* Наличие теплого пола;

* Материал пола над трубами теплого пола с указанием удельного веса, коэффициента теплопроводности, толщины слоев материала в сантиметрах (разное покрытие имеет разное теплосопротивление);

* Материал трубопровода теплого пола, пожелания заказчика;

* Тип отопительных приборов;

* Материал трубопроводов для отопления;

* Исполнение разводки, скрытая, открытая.

1.7 Перспективы внедрения тепловых насосов в различных секторах экономики

Жилищно-коммунальный комплекс

В жилищно-коммунальном комплексе теплонасосные установки (ТНУ) находят наибольшее применение (и в мировой и в Российской практике) преимущественно для отопления и горячего водоснабжения (ГВС). Здесь можно выделить два направления:

1. Автономное теплоснабжение от тепловых насосов.

2. Использование ТНУ в рамках существующих систем централизованного теплоснабжения (СЦТ).

Для автономного теплоснабжения коттеджей, отдельных домов (в том числе школ, больниц и т.п.), городских районов, населенных пунктов используются преимущественно тепловые насосы с тепловой мощностью 10…30 кВт в единице оборудования (коттеджи, отдельные дома) и до 5,0 МВт (для районов и населенных пунктов). В качестве источников низкопотенциальной теплоты используют преимущественно грунтовые воды (Т_инт = 8-15 °С), грунт (Т_инт = 5-10 °С), воды рек и озер (Т_инт = 5-20 °С), теплоту вент-выбросов и канализационных стоков

(Т_инт = 10-30 °С). Децентрализованное теплоснабжение позволяет применить современные низкотемпературные системы отопления с температурой теплоносителя Т_ивт = 35…60°С, обеспечивающие достаточно высокие коэффициенты преобразования ТНУ µ= 3,5…5,0.

Применение децентрализованных систем теплоснабжения на базе тепловых насосов в районах, где тепловые сети отсутствуют, либо в новых жилых районах позволяет избежать многих технологических, экономических и экологических недостатков систем центрального теплоснабжения. Конкурентными им по экономическим параметрам могут быть только районные мини-котельные, работающие на газе (если пренебречь экологическими требованиями). В настоящее время действует значительное число таких установок. А в перспективе, в связи с принятием Киотских соглашений по ограничению вредных выбросов в атмосферу и постоянным ростом цен на энергоносители, количественная потребность в них будет постоянно возрастать.

Особенностью теплоснабжения в России (в отличие от большинства стран мира) является использование систем централизованного теплоснабжения (СЦТ) в крупных городах.

Одновременная выработка электрической и тепловой энергии на ТЭЦ имеет бесспорные преимущества с точки зрения использования топлива. Многолетнее развитее этого направления позволило достигнуть достаточно высокой эффективности, приобрести большой опыт в эксплуатации СЦТ. И хотя эти системы имеют ряд технологических и экологических недостатков, они реально существуют и подлежат совершенствованию. При совершенствовании СЦТ необходимо учитывать следующие отрицательные факторы:

1. Огромные выбросы низкопотенциальной теплоты, прежде всего системой охлаждения технической воды на ТЭЦ, увеличивающиеся в период снижения тепловой нагрузки в неотопительный период.

2. Резко увеличивающийся пережог топлива при выработке электроэнергии в условиях снижения тепловой нагрузки.

3. Большие затраты теплоты на нагрев сетевой воды, восполняющей ее потери в теплосетях;

4. Дефицит сетевой воды во многих районах города из-за ограниченной теплопропускной способности существующих сетей.

О масштабах этих факторов можно судить по статистическим данным выработки тепла для теплоснабжения городов. В последние годы отпуск теплоты на ТЭС РАО ЕЭС России составлял 600 - 650 млн Гкал, а на районных котельных около 50 млн Гкал в год. Выброс низкопотенциальной теплоты в системах охлаждения технической воды (СОТВ) составлял 140 - 150 млн Гкал, что эквивалентно 24 - 26 млн т.у.т. непроизводительного расхода топлива. В системе АО «Мосэнерго» выбросы СОТВ на ТЭЦ Москвы составляют 45 - 50 млн Гкал в год, что равносильно потере 7,2 - 8 млн т.у.т./год.

Применение ТН в системах централизованного теплоснабжения позволяет существенно повысить технико-экономические показатели систем городского энергохозяйства. Технически возможна утилизация до 50% низкопотенциального тепла (НТП). В системе РАО ЕЭС это эквивалентно замещению 10 млн. т.у.т.. При этом может быть достигнуто замещение органического топлива в больших объемах, чем при децентрализованном теплоснабжении.

Экономия (замещение) органического топлива с помощью тепловых насосов, в конечном счете, происходит за счет полезного вовлечения выбросов низкопотенциальной теплоты на ТЭЦ. Это сокращение достигается двумя способами:

1. Прямым использованием охлаждающей технической воды ТЭЦ в качестве источника низкопотенциальной теплоты для теплового насоса (в обход градирни).

2. Использованием в качестве источника низкопотенциальной теплоты для тепловых насосов обратной сетевой воды (ОСВ), возвращаемой на ТЭЦ, температура которой снижается.

Первый способ реализуется, когда тепловой насос размещен вблизи ТЭЦ, второй - когда используется вблизи потребителей теплоты. В обоих случаях температурный уровень источника низкопотенциальной теплоты достаточно высок, что создает предпосылки для работы ТНУ с высоким коэффициентом преобразования: 3 - 7.

Если механизм энергосбережения первого способа очевиден, то по второму необходимы пояснения. Поток ОСВ возвращается на ТЭЦ, пройдя через испаритель теплового насоса, захоложенный до температуры 20 - 25 °С (температура захоложенной ОСВ обосновывается с учетом особенностей СЦТ).

При не полностью загруженных теплофикационных отборах (при температуре наружного воздуха выше минус 15 °С) снижение температуры сетевой воды требует отбора пара из теплофикационных отборов на ее подогрев. Это автоматически увеличивает выработку электроэнергии при тепловом потреблении и загрузку теплофикационных отборов, что, в свою очередь, приводит к уменьшению расхода пара в конденсатор турбины и, тем самым к снижению тепловых выбросов на ТЭЦ и сокращению непроизводительного расхода топлива.

При существенной доле захоложенной обратной сетевой воды ее целесобразно направлять в конденсатор паровой турбины (в основной или в дополнительный встроенный теплообменный пункт). В этом случае конденсатор выполняет функции дополнительного подогревателя ОСВ и, таким образом, в нем происходит утилизация НПТ ТЭЦ.

Таким образом, использование схем теплоснабжения с применением тепловых насосов и с захолаживанием ОСВ дает следующие результаты:

1. Прирост электрической мощности (на 6…10 %) от установленной мощности теплофикационной турбины без затрат топлива на этот прирост.

2. Прирост тепловой мощности на величину утилизируемой теплоты, ранее выбрасываемой в систему охлаждения технической воды.

3. Снижение теплопотерь при транспортировке сетевой воды в магистральных трубопроводах.

4. Возрастание отопительной нагрузки (на 15…20 %) при том же расходе первичной сетевой воды и снижение дефицита в сетевой воде на ЦТП в удаленных от ТЭЦ микрорайонах.

5. Появление резервного источника для покрытия пиковых тепловых нагрузок.

Для работы в системе центрально теплоснабжения требуются крупные тепловые насосы большой мощности.

1.8 Экономические и экологические аспекты внедрения тепловых насосов

Экономия первичного топлива.

Одно из важных преимуществ использования тепловых насосов является использование для теплоснабжения потоков низкопотенциальных возобновляемых энергетических ресурсов (ВЭР) и природной теплоты. Это значительно расширяет ресурсную базу теплоснабжения, делает ее менее зависимой от поставок топливных ресурсов, что весьма важно в условиях дефицита и растущей стоимости органического топлива.

Одновременно утилизация низкопотенциальной теплоты в промышленности создает хорошие предпосылки для повышения эффективности использования энергии на предприятиях, снижения себестоимости выпускаемой продукции и роста рентабельности. Например, утилизация низкопотенциальной теплоты в системах оборотного водоснабжения предприятий позволяет существенно снизить расход подпиточной воды и объем отведения сточных вод, более экономно расходовать электроэнергию. Утилизация теплоты городских сточных вод повышает эффективность работы городских очистных сооружений и сокращает тепловое загрязнение водоемов.

Теплонасосные установки позволяют рационально использовать электроэнергию в системах теплоснабжения. До сих пор использование электроэнергии с преобразованием ее в теплоту воспринимается энергетической отраслью как нерациональное и ущербное. При этом, как правило, ссылаются на неэффективность двойной трансформации теплоты первичного топлива в электроэнергию и электроэнергии в теплоту, а также на более высокие затраты на производство электроэнергии по сравнению с тепловой энергией. Следует заметить, что такая позиция энергетической отрасли сложилась в условиях, когда электроэнергия использовалась для производства тепла напрямую, в различных электронагревателях и электрических котлах.

При использовании ТН электроэнергия потребляется для переноса теплоты от источника НПТ со сравнительно низкой температурой в теплоту сети теплоснабжения с повышенной температурой, то есть одновременно реализуется как тепловое, так и силовое качество электроэнергии, благодаря чему достигается экономия первичного энергоресурса. По существу, расходуемая в тепловом насосе электроэнергия замещает высококачественное топливо: уголь, природный газ и жидкое топливо.

Основной смысл экономического вопроса в применении ТН с электроприводом заключается в правильной и объективной оценке эффективности такого замещения как по расходу первичного энергоресурса, так и по уровню затрат. Расчеты показывают, что пропорции в названном размене складываются в пользу ТН.

На рисунке 2.1 представлена возможная схема интеграции тепловых насосов в системы энергоснабжения объектов городского хозяйства. Как видно из рисунка, предлагаемая схема обеспечивает экономию 58 % первичного топлива (при коэффициенте преобразования 3).

Применение тепловых насосов с электроприводом не сокращает централизацию теплоснабжения, а переводит ее на более качественный уровень, присущий электроснабжающим системам. При этом упрощается система регулирования подачи теплоты потребителям, от несовершенства которой в настоящее время теряется до 20% потребляемой теплоты.

Существенный дополнительный эффект может быть получен от тепловых насосов, работающих с аккумуляторами теплоты и потребляющих электроэнергию в период ночного провала суточного графика электрической нагрузки в энергосистеме. При этом достигается обоюдная экономическая выгода: для владельца теплонасосных установок - за счет пониженной платы за электроэнергию по ночному тарифу, а для энергосистемы - за счет снижения себестоимости производимой электроэнергии при уплотненном графике электрической нагрузки.

Достаточно эффективно тепловые насосы могут использоваться непосредственно в действующих теплофикационных системах с теплоэлектроцентралями. Здесь они могут применяться для снижения температуры обратной сетевой воды с обеспечением дополнительной выработки электроэнергии по экономичному теплофикационному циклу, а также в системах оборотного водоснабжения для улучшения работы градирен.

Для тепловых насосов характерна свобода выбора привода для его работы. Бесспорно, электропривод является самым распространенным устройством, связывающим тепловой насос с энергосистемой напрямую. Однако в конкретных условиях города в качестве привода могут применяться детандер-генераторные установки, использующие избыточное давление природного газа в газоснабжающей системе, небольшие гидроэнергетические установки, использующие избыточное давление воды в системе городского водоснабжения и водоотведения вследствие разницы геодезических отметок местности, ветроэнергетические установки, а также газотурбинные установки и двигатели внутреннего сгорания. Последние обладают определенным преимуществом перед другими видами привода, поскольку дают возможность догрева теплоносителя после ТН отходящими продуктами сгорания до температуры, существующей в местных системах теплоснабжения.

Преимущество тепловых насосов состоит также и в том, что они могут применяться в комбинации с другими нетрадиционными теплоисточниками, такими, как солнечные водонагреватели, биоэнергетические установки, установки по переработке и сжиганию твердых бытовых отходов.