COMBINED HEATING SYSTEM WITH THE USE OF HEAT PUMPS FOR A BUILDING IN THE COUNTRYSIDE

Крылов Э. Г.¹, Саидова З. С.²

¹Кандидат технических наук,

²Бакалавр,

Ижевский государственный технический университет им. М.Т.Калашникова

КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОТОПЛЕНИИ ЗДАНИЯ В СЕЛЬСКОЙ МЕСТНОСТИ С  ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Аннотация

В статье рассмотрены особенности внедрение теплонасосных систем автономного отопления в российских условиях, отмечены проблемы, возникающие при проектировании и устройстве вертикальных энергетических колодцев. На основании теплотехнического расчета предложена комбинированная система отопления на основе тепловых насосов для сельской школы в Удмуртской Республике.

Ключевые слова: тепловой насос, энергетический колодец, рекуперация.

Krylov E. G.¹, Saidova Z. S.²

¹ Candidate of Technical Sciences,

²Bachelor student,

Kalashnikov Izhevsk State Technical University

COMBINED HEATING SYSTEM WITH THE USE OF HEAT PUMPS FOR A BUILDING IN THE COUNTRYSIDE

Abstract

The article describes the features of the implementation of heat pump system for autonomous heating in Russia. Problems associated with designing and drilling vertical energy wells are discussed in the article. Based on the calculation of a heat demand it is suggested a combined heating system based on heat pumps, for a village school at located in the Udmurt Republic.

Keywords: heat pump, energy well, recuperation.

Задача разработки и использования эффективных систем энергообеспечения является в настоящее время одной из ключевых для успешного развития экономики и реального сектора нашей страны. Об актуальности этой задачи свидетельствует принятие в 2009 году Президентской программы по энергосбережению, а также принятие Госдумой ФС РФ 11 ноября 2009 г. закона об энергосбережении. В этих документах государственным и муниципальным образованиям было предложено разработать мероприятия по ежегодному снижению потребления электрической и тепловой энергии. Отдельно   отмечено, что необходимо увеличивать долю использования возобновляемых источников тепловой энергии.

Одним из наиболее эффективных способов энергосбережения за счет использования возобновляемой энергии является применение технологии теплового насоса. Эта технология позволяет извлекать тепло из грунта (использование солнечной энергии), глубинных слоев земли (использование геотермальной энергии), получать тепло за счет рекуперации. Одновременно применение теплового насоса (ТН) позволяет существенно – до 3-4 раз экономить потребление электроэнергии на отопление и производство горячей воды для бытовых нужд [1].

Парокомпрессионные тепловые насосы, то есть установки, преобразующие низкопотенциальное тепло внешнего природного или техногенного источника в тепло среднего потенциала с использованием компрессора, по вырабатываемой тепловой мощности можно разделить на несколько классов. К ТНУ средней и большой мощности относятся установки промышленного назначения с тепловой мощностью от 100 кВт до нескольких МВт. Они находят применение в местах, где имеется мощный источник низкопотенциального тепла, например, геотермальные воды на Камчатке, сбросные воды в системе очистных сооружений, а также морская или речная вода. Ко ТНУ малой мощности можно отнести тепловые насосы, вырабатывающие тепловую мощность до 100 кВт. Для их функционирования не требуется источник низкопотенциального тепла значительной мощности. Следовательно, тепловые насосы этого класса могут использоваться для автономного отопления практически повсеместно.

Важным является то, что тепловые насосы, как правило, нагревают теплоноситель в системе отопления до сравнительно невысоких температур: 50 - 60ºС (за исключением промышленных тепловых насосов, использующих диоксид углерода). Транспортировка такого теплоносителя на значительное расстояние исключена. То есть, выработка тепла в этом случае должна быть максимально приближена к месту его потребления. Система отопления становится автономной. Эта особенность актуализирует необходимость разработки эффективных парокомпрессионных тепловых  насосов сравнительно малой мощности, способных преобразовывать тепловую энергию на месте.

Критически важным вопросом для технологии геотермальных тепловых насосов является способ извлечения низкопотенциального тепла из окружающей среды. При использовании геотермальных зондов возникают четыре проблемы.

1.Расчетная: доступное тепло земных недр варьируется от региона к региону. Поэтому расчет глубины геотермального зонда должен проводиться на основании геофизических данных конкретного региона.

2.Экономическая: установка геотермальных зондов связана с большим объемом дорогостоящих земельных работ.

3.Техническая: при внедрении зондов в глубинные слои земли должно быть исключено загрязнение подземных вод поверхностными стоками и технологическими жидкостями, а также не должен быть нарушен подземный водный режим.

4.Правовая: вопрос о праве использования тепла недр до сих пор не решен в законодательстве. Существующее законодательство предусматривает отсутствие разрешений на бурение скважин глубиной до 30 м. На бурение более глубоких скважин требуется разрешение и проект. Энергетические колодцы, в которые закладываются геотермальные зонды, отличаются от обычных скважин под воду или нефтяных скважин тем, что после закладки зондов они заполняются бентонитовой глиной и представляют, по сути, конгломерат с окружающей породой. На глубинах до 30 метров геотермальные эффекты отсутствуют. А поскольку энергетические колодцы представляют собой стандартные сооружения, требовать дорогостоящий проект на каждый такой колодец представляется неразумным.

Проблема учета климатических условий при расчете параметров грунтовых теплообменников обостряется тем, что до 90% рынка тепловых насосов малой и средней мощности в РФ представлено импортной техникой (ЕС, США, Китай), оптимальные режимы которой настроены на геофизические и климатические  условия регионов с более мягким, чем в нашей стране климатом. При формальном следовании рекомендациям производителей возможны две опасности. Во-первых, теплонаносная установка не получит низкопотенциальное тепло в необходимом объеме и не достигнет требуемой тепловой мощности. Во-вторых при многолетней эксплуатации неправильно рассчитанных грунтовых коллекторов возможно их захолаживание и выход из строя всей дорогостоящей установки. На сегодня отсутствуют нормативные документы, регламентирующие проектирование и установку грунтовых теплообменников для теплонаносных установок в РФ.

Известно, что наибольшая экономическая эффективность  использования тепловых насосов достигается при возможности реверсирования: то есть зимой тепловой насос работает на отопление, а летом – на кондиционирование. Существуют такие тепловые насосы, для которых подобное реверсирование возможно и используется на практике. К ним относятся кондиционеры, работающие на выработку тепла и холода. Такие кондиционеры - воздушные тепловые насосы используют тепло воздуха вне здания. Возможность реверсирования является их преимуществом. Однако у них есть и ряд недостатков. К главным из них относится уменьшение коэффициента трансформации при понижении температуры наружного воздуха, которое может достигать 50 - 100% при переходе от плюсовых температур к температурам ниже минус 20 градусов.

В то же время использование рекуперации тепловой энергии вытяжной вентиляции позволило бы в зимний период увеличить коэффициент трансформации теплового насоса или уменьшить размеры геотермального зонда (или горизонтального коллектора). В летний период блок рекуперации мог бы обеспечить понижение температуры в здании без использования кондиционера, и одновременную передачу тепловой энергии во внешний коллектор. Таким образом, внешний коллектор в летний период получил бы подпитку тепловой энергией, которую он будет забирать зимой.

Перспективным является также работа теплового насоса совместно с солнечным коллектором, который также повышает коэффициент трансформации теплового насоса. Использование солнечных коллекторов  в климатических условиях нашей страны требует исследования.

Сравнительные расчеты экономической эффективности индивидуального отопления зданий сравнительно небольших объемов показывают, что период окупаемости теплового насоса по сравнению с электрокотлом составляет 4 года, по сравнению с котлом на жидком топливе – 6 лет [2]. По истечении этого периода начинается существенная экономия денежных средств (около двух миллионов рублей за 15 лет по сравнению с электрокотлом). Таким образом, эта технология проигрывает только отоплению сетевым газом и углем. В регионах Российской Федерации имеется достаточно большое количество негазифицированных населенных пунктов, в которых функционируют общественные здания различного назначения, эксплуатация угольных котельных в которых нецелесообразна. Некоторые из них имеют большую тепловую нагрузку и при этом отапливаются электорокотлами. В условиях удорожания энергоносителей такой способ отопления следует признать крайне неэффективным, таким образом, задача определения оптимального состава энергосберегающего теплового пункта для зданий с большой тепловой нагрузкой становится актуальной.

Рассмотрим в качестве примера тепловую нагрузку муниципального образовательного учреждения "Средняя общеобразовательная школа на 132 учащихся с интернатом на 20 человек и детским садом на 20 мест в с. Кекоран Якшур-Бодьинского района Удмуртской Республики" и рассмотрим возможные варианты устройства теплового пункта для отопления здания школы.

Результаты расчета теплопотерь на отопление и вентиляцию, выполненные согласно методике определения количеств тепловой энергии и теплоносителя в водяных системах коммунального теплоснабжения МДС 41-4.2000. Объем здания по наружному обмеру составляет 19103 м³.

Расчётная часовая тепловая нагрузка отопления отдельного здания определялась по формуле:

Q_o.p = α Vq_o (t_в – t_н.р.о)(1 + К_н.р) 10^-6,

 

где α - поправочный коэффициент, учитывающий отличие расчётной температуры наружного воздуха для проектирования отопления t_н.р.о в местности, где расположено рассматриваемое здание, от t_н.р.о = - 30^оС, при которой определено соответствующее значение q₀, для г. Ижевска α=0,95;

V - объём здания по наружному обмеру, м³;

q_o - удельная отопительная характеристика здания при t_н.р = - 30^оС, ккал/м³*час*^оС;

К_н.р  - расчётный коэффициент инфильтрации, обусловленной тепловым и ветровым напором.

С учетом этажности здания и климатических условий Удмуртской республики, расчётный коэффициент инфильтрации равен К_н.р. = 0,0528.

Таким образом, расчётная часовая тепловая нагрузка отопления составляет  Q_o.p = 0,3573 Гкал/час.

С учетом тепловой мощности, затрачиваемой в системе вентиляции, расчётная тепловая мощность теплового пункта (котельной) должна составлять около 550 кВт. Эту мощность целесообразно разделить между тепловыми насосами (примерно 65% от общей мощности) и догревателем любого типа, например электрокотлом (остальные 35 %) [1]. При этом потребуется 7 тепловых насосов тепловой мощностью 50 кВт каждый. Как отмечалось выше, в климатических условиях средней полосы России, наиболее надежным является использование геотермального теплового насоса. Однако, с учетом стоимости согласований, бурения и монтажа, общая стоимость проекта может превышать стоимость самого теплового насоса в 3-4 раза.

Для оптимального решения задачи по определению состава теплового пункта следует учесть особенности проекта, например, наличие свободного мета для укладки горизонтального коллектора, в частности, под стадионом. Теплосъем горизонтального коллектора ниже, чем для вертикального энергетического колодца (10 – 14 Вт/м вместо 40 – 50 Вт/м), это надо закладывать в расчеты длины горизонтального коллектора.

Еще одной особенностью здания является большой объем и наличие тепловыделяющих устройств (печи в столовой). Целесообразно использовать энтальпию воздуха, который покидает помещения через систему вентиляции для нагревания приточного воздуха в теплообменниках, запитываемых с помощью рекуперационного ТН воздух-вода.

Предлагаемый состав оборудования для обеспечения отопления и вентиляции здания школы приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Состав оборудования для отопления и вентиляции

На рисунке 1 показана принципиальная схема рекуперационной теплонасосной установки, работающей на отработанном воздухе. В состав установки входит накопительный водонагреватель, что делает возможным использовать ее не только для нужд вентиляции, но также для производства горячей воды для бытовых нужд. Поэтому часть теплонасосных установок такого типа целесообразно установить в столовой и других помещениях, в которых есть потребность в бытовой горячей воде.

Рис. 1 - Принципиальная схема рекуперационной теплонасосной установки, работающей на отработанном воздухе

Произведенные расчеты потребляемой электрической мощности показывают, что максимальная экономия электрической мощности предлагаемого теплового пункта составляют 245 кВт, что не только позволит получить значительную экономию, но и снизит нагрузку на электрические сети.

В заключение следует отметить, что экономически оправданными альтернативами тепловых насосов для отопления и вентиляции рассматриваемого здания   являются газовая и угольная котельные.

Литература

1. Крылов, Э. Г. Парокомпрессионные тепловые насосы // Интеллектуальные системы в производстве. Научно-практический журнал. 2006, № 1(7) – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2006. – С. 173 – 180.
2. Крылов, Э. Г. Об экономической эффективности использования теплового насоса для автономного отопления // Вестник ИжГТУ. Вып. 3(39) – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2008. – С. 22-25.

References

1. Krylov, E. G. Parokompressionnye teplovye nasosy // Intellektual'nye sistemy v proizvodstve. Nauchno-prakticheskij zhurnal. 2006, № 1(7) – Izhevsk: Izd-vo IzhGTU, 2006. – S. 173 – 180.
2. Krylov, Je. G. Ob jekonomicheskoj jeffektivnosti ispol'zovanija teplovogo nasosa dlja avtonomnogo otoplenija // Vestnik IzhGTU. Vyp. 3(39) – Izhevsk: Izd-vo IzhGTU, 2008. – S. 22-25.