Статьи

 

 

Альтернативні методи рішення

 

Існує три основних альтернативних варіанти автономного теплопостачання: газові котли, електричні бойлери, теплові насоси.

1. Газові котли. Позитивним моментом у використанні газового котла для забезпечення теплопостачання адміністративних будівель в порівнянні з ТЕЦ, є його економічність і плавне регулювання температури поданого теплоносія.

Основні недоліки газового опалення:

- як правило адміністративні будинки знаходяться в центрі міста і провести газову магістраль туди практично неможливо, крім того, це може порушити архітектурний ансамбль будинку і вулиці міста;

- можливі витоки як самого газу, так і продуктів його згоряння, котрі можуть призвести до масових отруєнь людей, що знаходяться в будинку;

- газове устаткування пожежо- і вибухонебезпечне, тому до нього висуваються більш жорсткі вимоги при експлуатації;

- при роботі газових котлів виділяється велика кількість вуглекислого газу (CO2), тому їхнє застосування погіршує екологічну обстановку (парниковий ефект).

2. Електричні бойлери. На сьогоднішній день на ринку України представлена величезна кількість електричних бойлерів різної опалювальної потужності і різних фірм-виробників. Це дозволяє підібрати оптимальний по співвідношенню "вартість/продуктивність" варіант установки для теплопостачання. Але основним недоліком електричних бойлерів є велика кількість споживаної електроенергії. Тарифи на електроенергію великі, і в майбутньому можливе їхнє збільшення, тому застосування такого устаткування при відносно низьких капітальних витратах призведе до підвищених експлуатаційних витрат.

3. Теплові насоси. Технічна можливість і енергетична ефективність застосування теплових насосів як джерела теплопостачання вже доведена майже півтора століття назад. Однак практичне використання ці розробки в Україні одержали тільки в останні роки.

Ведучим виробником теплонасосной техніки в нашій країні є ВАТ "РЕФМА" (Мелітопольський завод холодильного машинобудування). Заводом розроблено ряд (див. табл. 1) парокомпресорних теплових насосів теплопродуктивністю від 8 до 60 кВт [1].

Тепловий насос здійснює зворотній термодинамічний цикл на низькокиплячій робочій речовині (хладоні), використовуючи поновлювану низькопотенційну теплову енергію з навколишнього середовища (рис. 1).

Варто підкреслити, що в тепловому насосі електроенергія витрачається не на безпосереднє вироблення теплоти, як в електрообігрівачі, а тільки на переміщення хладона по системі. Основна ж частина теплоти передається споживачу від низькопотенційного джерела теплоти. Цим і пояснюється низька собівартість теплоти від теплового насоса.

Перше ж застосування теплонасосних установок для опалення показало, що жодна котельня просто не в змозі економічно конкурувати з тепловим насосом. Тому, вони знайшли широке застосування за кордоном. Якщо ще в 1980 р. у США працювало близько 3 млн. теплонасосних установок, у Японії - 0,5 млн., Західній Європі - 0,15 млн., то в 1993 р. загальна кількість працюючих
Рисунок 1. Принципова схема роботи теплового насоса

 

 

Таблиця 1. Технічні характеристики теплових насосів, що випускаються ВАТ "РЕФМА"

 

Показник,

одиниця виміру

Установка

ТХУ-6-4-0

"вода-вода"

ТХУ-14

"вода-вода"

ТХУ-24-4-0

"вода-вода"

НКТ10-4-9

"вода-вода"

НКВ-60-2-8

"повітря-вода"

Марка компресора

5ПБ10-4-0

5ПБ10-2-024

5ПБ50-4-0

Хладон

R142

R22

R142

R142

R22

Теплопропродуктив-ність, кВт

 

8,0

 

17,6

 

29,5

 

40,0

 

60,0

Споживана потужність, кВт

 

6,5

 

7,6

 

10,8

 

8,3

 

24,0

Режим опалення*, ОС

tв=+2;

tк=+25

tв=+2;

tк=+20

tв=+2;

tк=+25

tв=+40;

tк=+60

tп=+2;

tк=+45

Витрати теплоносія через конденсатор, м3/година

 

1,0

 

0,8

 

4,0

 

5,0

 

10,0

Кількість циркулюючого холодоносія, м3/година

 

3

 

2

 

12

 

14

 

20

Діапазон роботи з температурою холодоносія на виході з випарника, ОС

 

від +1

до 25

 

від +1

до 25

 

від +1

до 25

 

 

 

 

Діапазон роботи з температурою води на вході в конденсатор, ОС

 

від +8 до 60

 

від +8

до 20

 

від +8

до 60

 

 

 

 

Маса (нетто), кг

350

470

840

670

1300

 

* tв- температура води на виході з випарника;

tп- температура повітря на вході в повітроохолоджувач;

tк- температура води на вході в конденсатор

теплонасосних установок у розвинутих країнах перевищило 12 млн., з них більше половини – у житлово-комунальному секторі, а щорічний випуск складав більше 1 млн. [2].

Причини такого масового використання теплових насосів наступні:

- економічність (щоб передати в систему опалення 1 кВт теплової енергії тепловому насосу потрібно лише 0,20...0,35 кВт електроенергії);

- екологічна чистота - тепловий насос не спалює паливо і не робить шкідливих викидів в атмосферу;

- легка адаптація до наявної системи опалення;

- швидкий строк окупності (у зв'язку з низькою собівартістю зробленої теплоти тепловий насос окупається в середньому за 3...5 років) [3].

Теплонасосні установки доцільно використовувати при переході до децентралізованих систем теплопостачання (без протяжних теплових мереж, що мають досить велику вартість), що істотно зменшує експлуатаційні витрати і збільшує надійність роботи.

За принципом дії найбільш розповсюдженими є парокомпресорні (рис. 1) чи абсорбційні схеми теплових насосів. Як джерело теплоти низького потенціалу можна використовувати ґрунтові води (t=8...15 ОС), ґрунт (t=5...10 ОС), водопровідну воду (t=9...20 ОС), каналізаційні стоки (t=10...17 ОС) [4, 5].

 

Досвід застосування теплового насоса для опалення офісного будинку

У грудні 1999 р. введено в експлуатацію чотириповерховий офісний будинок, побудований в одному з районів Києва. До будинку не підведені ні теплотраса, ні газопровід. Проектом, розробленим Центром енергозбереження “КиевЗНИИЄП”, передбачено, що джерелом теплоти служить тепловий насос «повітря-вода», установлений на верхньому технічному поверсі [6].

Принципова схема системи, що забезпечує опалення, вентиляцію і кондиціонування повітря будинку, представлена на рис. 2.

 

 

 

Рисунок 2. Принципова схема системи опалення, вентиляції і кондиціонування повітря

1 - тепловий насос «повітря-вода»; 2 - зовнішнє повітря - основне джерело низькопотенційної теплоти; 3 - витяжне повітря - допоміжне джерело теплоти; 4 - змішане повітря; 5 - викид відпрацьованого повітря; 6 - витяжний вентилятор; 7 - проточна установка; 8 - неавтономний кондиціонер касетного типу; 9 - неавтономний кондиціонер - стельовий; 10 – трубопроводи тепло- і холодопостачання.

Тепловий насос 1 виробляє теплову енергію в процесі перетворення низькотемпературної теплоти атмосферного повітря 2. Мінімально припустиму температуру зовнішнього повітря різні фірми вказують по-різному, від –5 ОС до –15 ОС. У проекті застосований тепловий насос фірми CIAT (Франція), що здатна працювати при –15 ОС.

Для того, щоб тепловий насос міг працювати практично при будь-якому морозі, проектом визначене місце його установки не на покрівлі, як це звичайно прийнято, а в спеціальному технічному приміщенні під покрівлею будинку. Щоб підняти температуру повітря, поданого на випарник агрегату, в об’єм технічного приміщення виходить тепле повітря 3 з витяжної системи 6. У результаті навіть при
20-ти градусному морозі температура змішаного повітря, що надходить на випарник, 4 не опускається нижче –15 ОС, і тепловий насос цілком задовольняє потреби будинку в опаленні.

Поетажні приточні установки 7 засмоктують свіже повітря з повітрозабірної шахти, очищують його, підігрівають і подають у робочі приміщення будинку.

У літню пору тепловий насос працює як холодильна машина з повітряним охолодженням конденсатора, а неавтономні кондиціонери забезпечують усі приміщення кондиційованим повітрям.

Тепловий насос зв'язаний з неавтономними кондиціонерами і притяжними установками трубопроводами тепло- і холодопостачання.

Поточне регулювання теплової (холодильної) потужності неавтономних кондиціонерів здійснюється автоматично впливом  на вентилятор, що має три швидкості обертання.

Техніко-економічна оцінка, зроблена розроблювачами проекту [6], дає підстави стверджувати, що в будинках з кондиціонуванням повітря застосування теплонасосного опалення безумовно доцільно, тому що воно дешевше теплопостачання від місцевої котельні і від теплової мережі по капітальних витратах і вимагає менше палива.

Економічні й екологічні аспекти використання теплових насосів в якості опалювальних установок

Зниження собівартості теплоти, виробленої за допомогою теплового насоса, у порівнянні з традиційним теплопостачанням складає від 1,5 до 2,5 рази в залежності від температури низькопотенційного джерела теплоти.

При однаковій теплопродуктивності, наприклад 1 Гкал (1,16 МВт×ч), економія палива при використанні теплового насоса складає в порівнянні: з электроопалюванням 0,277…0,335 т у.п.; з котельною на кам'яному вуглі (ККД=65 %) - 0,113…0,121т у.п.; з котельні на природному газі (ККД=80 %) - 0,072…0,130т у.п., де перше значення відноситься до використання в тепловому насосі низькопотенційного джерела теплоти з температурою 5 0С, друге – з температурою 40 0С [7].

Приймаючи питому витрату умовного палива на вироблення 1 кВт год електроенергії рівним 300 грам, можна зробити порівняльну оцінку шкідливих викидів за опалювальний сезон (4320 годин) від різних джерел тепловою потужністю 1,16 МВт (див. табл. 2).

Таблиця 2. Порівняльна оцінка шкідливих викидів за опалювальний сезон від різних джерел теплоти, т/рік

Вид шкідливого викиду

 

Котельня на вуглі

Електрообігрі­вання

Тепловий насос

1. SOx

21,77

38,02

10,56

2. NOx

7,62

13,31

3,70

3. Тверді частки

5,80

8,89

2,46

4. Фтористі частки

0,18

0,31

0,09

Усього:

35,37

60,53

16,81

 

Шкідливі викиди при використанні теплового насоса – це викиди в місці виробництва електроенергії (за джерело електроенергії прийнята теплова електростанція); безпосередньо ж на місці установки теплового насоса шкідливих викидів немає.

Недоліки

Однак, незважаючи на очевидні переваги теплових насосів, вони не одержали широкого поширення на Україні і ще не витиснули  традиційні системи обігріву. Основна причина – за досягнення високої термодинамічної ефективності доводиться розплачуватися складністю, а відповідно, високою ціною устаткування теплонасосної системи. Споживача ж, як правило, цікавить, у першу чергу, мінімальні первісні фінансові витрати.

Важливим фактором, що гальмує впровадження теплових насосів як установки теплопостачання, є відсутність добре навченого персоналу для установки і ремонту устаткування. Споживачі, після придбання устаткування в неспеціалізованих фірмах, залишаються без підтримки під час експлуатації складної техніки, що веде до поганої репутації теплових насосів.

На перспективи ринку теплових насосів також впливає конкуренція з боку виробників традиційних нагрівальних систем, що прагнуть до поліпшення характеристик своєї продукції, забезпечують їй широку рекламу.

 

Автономна теплонасосна установка теплопостачання навчально-адміністративної будівлі Херсонської філії НУК

З огляду на незаперечні переваги теплонасосного автономного теплопостачання, була розглянута можливість реалізація цієї технології для опалення навчально-адміністративної будівлі Херсонської філії НУК.

Тепловий насос (рис. 3) містить три основних агрегати (випарник, конденсатор, компресор) і три основних контури (хладоновий, водяний джерела і споживача теплоти). Як низькопотенційне джерело теплоти використовується зворотня вода центральної системи опалення. Низькопотенційна теплота цієї води (+20 ОС) за допомогою теплового насоса транспортується на температурний рівень +60 ОС опалювальної води. Устаткування теплонасосної станції дозволяє регулювати як температуру води на опалення, так і кількість переданої їй теплоти.

 

 

Рисунок 3. Принципова схема теплового насоса

1 – випарник; 2 - конденсатор; 3 - компресор; 4 - дросель; 5 - електродвигун; 6 - хладоновий контур; 7 - водяний контур споживача; 8 - водяний контур джерела теплоти

 

Шляхом регулювання дросельним клапаном виставляється такий тиск хладона у випарнику, щоб температура його кипіння склала +10 ОС. При тепловому контакті з «гарячими» трубками, частина хладона випаровується, відбираючи теплоту від води. Охолоджена на 2...4 ОС вода повертається на ТЕЦ. Газоподібний хладон усмоктується компресором, стискується ним і, нагрітий, виштовхується в конденсатор.

Конденсатор за принципом – такий же теплообмінний апарат, як і випарник. Потрапляючи в міжтрубний простір з температурою +70 ОС і вступаючи в тепловий контакт з водою із системи автономного опалення з температурою +60 ОС, хладон конденсується на «холодних» трубках конденсатора, передаючи свою теплоту воді із системи опалення. Потім рідкий хладон стікає на дно конденсатора, відкіля за рахунок перепаду тиску через дросельний клапан повертається у випарник. Далі цикл повторюється.

Основні техніко-економічні показники роботи теплового насоса наведені в табл. 3.

 

Таблиця 3. Основні техніко-економічні показники роботи теплового насоса

Показник

Одиниця виміру

Кількість

1. Теплопродуктивність

кВт

36

2. Споживана електрична потужність

кВт

13,3

3. Витрата води на конденсатор (контур опалення)

м3/годину

6,12

4. Витрата води на випарник

м3/годину

4,87

5. Опалювальна площа приміщень будинку

м2

700

Висновки

Упровадження теплових насосів дозволяє знизити витрати палива на одиницю виробленої теплоти в порівнянні з котельнями від 20 до 50 % або забезпечити 3...4–кратну економію електроенергії в порівнянні з прямим електрообігріванням. Джерела енергії для теплонасосної установки знаходяться «безпосередньо» у споживачів, що скорочує витрати на експлуатацію наявних і будівництво теплотрас.

Реалізація теплонасосної технології автономного теплопостачання дозволяє істотно поліпшити екологічний стан, що забезпечується:

- заощадженням непоновлюваних енергоресурсів;

- зменшенням викидів СО2 (парникові гази) в атмосферу;

- застосуванням у теплонасосній установці тільки озонобезпечних робочих агентів.

Аналіз технічних характеристик теплонасосного автономного теплопостачання ряду адміністративних будинків, зокрема навчально-адміністративного корпуса Херсонської філії НУК, показав перспективність упровадження цієї технології.

 

ЛІТЕРАТУРА:

1. http//www.refma.im.net.ua/rus/machin/heatpumps.htm

2. Тепловые насосы. Технологии и системы использования низкотемпературных и возобновляемых источников теплоты // Новости теплоснабжения. – 2001. - №11. – С.24-32.

3. Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 128 с.

4. Кеплин П. Бум навколо теплових помп // М+Т. – 2000. - №7. – С.26-29.

5. Денисова А.Е., Мазуренко А.С. Оценка эффективности работы теплонасосной гелио-грунтовой системы теплоснабжения // Новости теплоснабжения. – 2001. - №11. – С.14-15.

6. Гершкович В. Ф. Опыт применения в Киеве теплового насоса «воздух-вода» для отопления офисного здания // Новости теплоснабжения. – 2001. - №11. – С.38-41.

7. Мазур В. А. Тепловые насосы – перспективная стратегия энергосбережения // Энергосберегающие технологии и автоматика. – 2001. - №1-2 (13-14). – С.60-63.