Абрамов М.В.1, Мельников В.М.2
1Магистрант; 2доцент кафедры ТГВиГ
Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых
АНАЛИЗ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ ВО ВЛАДИМИРСКОЙ ОБЛАСТИ
Аннотация
Статья посвящена обзору низкотемпературных источников для тепловых насосов, характерных для территории Владимирской области. Приводятся достоинства и недостатки применения каждого источника, рассматриваются принципы работы каждого источника низкотемпературного тепла в совокупности с тепловым насосом.
Ключевые слова: тепловой насос, низкотемпературный источник теплоты, грунт, вода, воздух, энергия
Keywords: Heat pump, low temperature heat source, soil, water, air, energy
Тепловые, энергетические и экономические характеристики тепловых насосов напрямую зависят от низкотемпературных источников теплоты (НИТ), откуда ТН «черпают» тепло. Источник этого тепла должен иметь относительно высокую температуру в течение всего отопительного периода, быть возобновляемым и иметь большой объем (быть изобильным), не загрязнять окружающую среду, его теплофизические характеристики должны быть благоприятны для применения. Низкотемпературный источник является одним из ключевых факторов для определения эксплуатационных характеристик теплонасосной установки.
Низкотемпературными источниками для тепловых насосов являются энергия окружающей среды и отработанное тепло. К источникам энергии окружающей среды относят подземные и поверхностные воды, воздух, солнечную энергию и тепло грунта. Рассмотрим особенности данных источников, подходящих для использования в связке с тепловым насосом на территории нашей области.
Грунт. Поверхностный грунт глубиной до 400-500 метров является источником низкопотенциальной тепловой энергии для теплонасосных установок. Одно из главных преимуществ грунта – относительно стабильная круглогодичная температура (от 2-3 ˚С). Отбор тепла происходит при помощи труб (грунтовых теплообменников), расположенных в грунте горизонтально или вертикально.
В грунтовых теплообменниках горизонтального типа отбор тепла происходит при помощи уложенных в грунт систем полиэтиленовых труб. Трубы укладываются в грунт ниже глубины промерзания (для Владимирской области – минимум 1,5-2 метра) в зависимости от выбранного поперечного сечения на расстоянии 1-1,5 метров параллельно друг другу, так, чтобы на 1 м2 площади забора тепла длина уложенных в грунт труб составляла 1,5-2 метра. Длина каждого трубопровода не должна превышать 100-120 метров [1, 61]. Трубопроводы соединяются с гребенками подающей и обратной магистралей (они располагаются выше уровня заложения труб, так как зачастую выполняют роль воздухоотводчиков). Жидкость (рассол) циркулирует по трубопроводам при помощи циркуляционного насоса и забирает накопленное тепло грунта, и подается в испаритель теплового, в котором происходит передача этого тепла хладагенту. Далее это тепло дожимается до более высокого потенциала для отопления зданий и сооружений.
Тепло грунта – это аккумулированное тепло солнечных лучей, которое переходит в грунт благодаря их прямому обогреву, а также передаче тепла от воздуха или атмосферных осадков. Тепло, поступающее из глубоких слоев земли, является непосредственной энергией недр земли, и практически не зависит от сезонных изменений климата и температуры. Величина теплового потока из недр земли составляет от 0,04 до 0,13 Вт/м2. Теплофизические свойства грунта и инсоляция влияют на полезное количество тепла и площадь необходимой поверхности. Состав и состояние грунта в свою очередь влияют на термические свойства, такие как объемная теплоемкость и теплопроводность. На теплоаккумулирующие свойства и теплопроводность оказывает насыщенность грунта водой, высокая доля минеральных составляющих и малое содержание в нем пор с воздухом. Мощность по отбору тепла для грунта находится примерно между 10 и 35 Вт/м2.
В местах с малыми участками земли и высокой плотностью застройки применяются вертикальные грунтовые контуры (зонды). Они также изготавливаются из ПЭ труб. Преимущественно используют U-образные зонды, состоящие из двух или четырех труб (один зонд на скважину). Полости между грунтом и трубами заполняют теплопроводящим материалом (например, бетонитом). Также применяют коаксиальные зонды (труба в трубе) с внутренней трубой для подачи и внешней для обратной магистрали.
Грунтовые вертикальные коллекторы в зависимости от исполнения монтируются при помощи буровой установки. Глубина монтажа скважины порядка 50–200 м. Удельный тепловой поток сильно колеблется и находится между 20 и 100 Вт на метр длины зонда. Расстояние между зондами должно составлять не менее 5–7 м.
Подземная и поверхностная вода. Теплонасосные установки типа «вода-воздух» и «вода-вода» в качестве НИТ используют теплоту подземных вод (грунтовую воду), открытую воду рек, озёр или водоемов. Температура грунтовых год стабильна в течение всего года (от 6 до 13˚С). На рисунке изображена теплонасосная система типа «вода-вода» для теплоснабжения жилого дома. При использовании грунтовой воды как низкотемпературного источника теплоты достигается наиболее высокий коэффициент преобразования теплового насоса (COP) (за счет наименьшей разности температур). Для функционирования данной системы используются грунтовые скважины или колодцы (для забора и сброса воды).
Размещаемый в водозаборной скважине (колодце) насос подает воду на испаритель теплового насоса. Охлажденная в испарителе вода сбрасывается через сбросную скважину обратно. Забор и возвращение воды должны осуществляться таким образом, чтобы течение подземного источника было по направлению от сбросной скважины к подающей. Соответственно, между скважинами должно выдерживаться определенное расстояние, чтобы не допустить понижения температуры воды, которая в дальнейшем будет поступать в систему (не менее 5-7 метров). Сбросная скважина должна быть выполнена таким образом, чтобы точка сброса вода располагалась ниже уровня грунтовых вод. При совместной работе двух и более скважин расстояние между ними должно достигать не менее 40-50 метров для однотипных скважин (например, водозаборных). Расстояние между водозаборной и нагнетательной (она же сбросная) скважинами должно достигать 50-70 метров (для исключения «взаимного влияния»). Так же желательна реверсивность скважин (для удобства техобслуживания системы). Система должна быть хорошо утеплена и проложена с уклоном.
Открытая вода рек и водоемов так же имеет ряд недостатков. Во-первых, в зимний период температура воды может опускаться до нулевых значений (необходимо уделять внимание по предотвращению промерзания испарителя). Во-вторых – загрязненность источника низкотемпературного тепла.
Воздух. Наиболее доступным источником низкотемпературного теплая является воздух. Однако фактор сезонной нагрузки при использовании ТН данного типа ниже в среднем на 15-25%, чем у установки типа «вода-вода». Это объясняется следующими факторами:
- снижение производительности из-за падения температуры наружного воздуха
- дополнительные энергозатраты на подогрев испарителя
- большая разность температур испарения и конденсации
Для достижения эффективности работы воздушного теплового насоса перепад между температурами низкотемпературного источника теплоты и линией подачи (45-50 °С) должен составлять 10−15 °С (максимально допустимый перепад составляет 45−50°С), а для условий средней полосы России он может составлять 50−70 °С [2, 61].
Использование теплонасосных установок воздушного типа в качестве основного источника отопления и ГВС не целесообразно в условиях Владимирской области на данный момент времени. Но стоит отметить, что повышение конкурентоспособности мировых производителей отражается на повышении технических параметров установок и их эффективной работой при минимальных температурах. Данный тип тепловых насосов может благоприятно себя зарекомендовать в Южных регионах РФ.
Отводимый вентиляционный воздух жилых и общественных зданий так же может быть использован в качестве источника низкотемпературного тепла. ТН может регенерировать тепло из отводимого воздуха и, например, осуществлять нагрев воздуха для воздушного отопления или приготовление ГВС. Однако требуется постоянная вентиляция воздуха в течение всего отопительного периода.
Энергия солнца. Для преобразования солнечной энергии в тепловую используют солнечные коллекторы или панели.
При использовании сконцентрированной солнечной энергии достигается высокая плотность теплового потока, следовательно, достигается высокая температура нагреваемого тела, что не требуется для функционирования системы. Вариант с использованием фотоэлектрического преобразователя является наиболее подходящим.
При использовании несконцентрированной солнечной энергии в качестве приёмников тепла солнечного излучения применяют солнечные коллекторы и абсорберы. Использование коллекторов в зимний период на территории Владимирской области ограничено из-за незначительной плотности солнечной радиации, отрицательными температурами, облачностью и величиной снежного покрова.
Следовательно, применение теплонасосных установок с использованием солнечной энергии в качестве источника низкотемпературного тепла в условиях Владимирской области является нецелесообразным.
Литература
- Справочник промышленного оборудования. Информационно – методическое издание, 2004г. стр. 61.
- Тепловые насосы в современной промышленности и коммунальной инфраструктуре. Информационно – методическое издание. — М.: Издательство «Перо», 2016 г., стр. 61