Применение тепловых насосов в автономных источниках энергоснабжения

Как уже отмечалось, применение электрической энергии для целей отопления и ГВС в настоящее время крайне не выгодно из-за высокой стоимости получаемой таким способом тепловой энергии. Повышение эффективности автономных источников тепловой энергии возможно за счет применения тепловых насосов или теплонасосных установок (ТНУ).

Тепловой насос - это холодильная машина, в которой тепло от среды с низкой температурой передается теплоносителю с высокой температурой за счет затраты энергии на преобразование рабочего тела машины.

Рис. 8.12 Тепловая схема автономного источника энергоснабжения на базе АБХМ

ТНУ, как и холодильные машины подразделяют на компрессионные и абсорбционные. В настоящее время, подавляющее количество ТНУ, применяемых в автономных источниках теплоснабжения, относятся к классу компрессионных машин. На рис.8.13 представлена принципиальная схема компрессионной ТНУ.

Рис. 8.13. Схема парокомпрессионного теплового насоса (ПТН)

Рабочим телом в таких машинах является фреон, подбираемый таким образом, чтобы мог закипать и испаряться в испарителе даже при минусовой температуре. Пары фреона поступают в компрессор, в котором сжимаются. При этом их температура увеличивается до 90 – 100 ^оС. Затем горячий и сжатый фреон направляется в конденсатор, охлаждаемый водой или воздухом. На охлажденных поверхностях конденсатора пары фреона конденсируются, переходя в жидкое состояние, а теплота, выделяемая при конденсации, передается охлаждающей среде (вода). Воду используют в системе отопления или ГВС. Жидкий фреон направляется в дросселирующий вентиль, проходя который, он снижает давление и температуру и снова возвращается в испаритель. Цикл при этом завершился и будет автоматически повторяться, пока работает компрессор.

Показателем термодинамической эффективности теплонасос-

ных установок парокомпрессионного типа является величина удельного расхода электрической энергии на единицу получаемой теплоты:

. (8.16)

Величина, обратная , называется коэффициентом трансформации или коэффициентом преобразования установки:

(8.17)

Величина численно равна количеству единиц теплоты, получаемой в ТНУ на единицу затраченной электрической энергии.

Если в контуре охлаждения и контуре нагрева циркулирует одна и та же среда, например, воздух или вода, то путем изменения направления потоков этих сред можно изменить режим работы ТНУ на обратный. В этом случае цикл ТНУ будет называться обратимым. При этом в летний период ТНУ может вырабатывать холод, а зимой тепловую энергию. На рис.8.14 тепловая схема ТНУ обратимого цикла.

Рис.8.14. Тепловая схема ТНУ обратимого цикла

Эффективность применения ТНУ в первую очередь зависит от температуры низкопотенциального источника теплоты и во вторых -от способа обогрева помещений (водяное или воздушное отопление).

В России воздушное отопление пока не находит широкого применения. Нужно иметь в виду, что применение ТНУ будет эффективным только в хорошо утепленных зданиях, имеющих теплопотери на уровне 60 Вт/м². Кроме этого, эффективность применения ТНУ в значительной степени будет зависеть от перепада температур в контуре низко – и высокопотенциальной теплоты. С ростом данного перепада температур снижается коэффициент преобразования, поэтому более выгодными являются схемы ТНУ с применением низкотемпературных систем отопления. К таким системам относятся системы с обогревом от водяных теплых полов или обогрев теплым воздухом.

В них температура теплоносителя по санитарным нормам должна быть не выше 30 – 40 ^оС. При традиционных системах внутридомового отопления с установкой радиаторов температура теплоносителя должна составлять 70 – 95 ^оС, что увеличивает энергопотребление ТНУ на 40 – 50 %.

В силу технических ограничений ТНУ фактическая температура теплоносителя, подаваемого в отопительные приборы, не превышает 55 ^оС, причем температура обратной воды не должна превышать 50 ^оС. Поэтому это приводит к увеличению количества отопительных приборов при одной и той же тепловой мощности, что еще раз подтверждает факт рационального применения ТНУ в сочетании с теплыми полами.

Если в автономном источнике используется только ТНУ, то такая система теплоснабжения называется моновалентной. Если дополнительно к тепловому насосу подключается другой источник тепла, работающий отдельно или параллельно с тепловым насосом, система называется бивалентной.

Современные автономные источники теплоснабжения на базе ТНУ, как правило, работают по бивалентной схеме с дополнительной установкой электрического котла, который включается в работу для покрытия пиковых тепловых нагрузок в периоды резкого понижения температуры. Для Санкт-Петербурга расчетная температура составляет – 26 ^оС. Однако исходя из многолетних наблюдений, длительность такой температуры составляет всего лишь несколько дней в году. Поэтому при расчете на максимальную мощность значительная часть потенциала ТНУ будет использоваться очень редко.

При бивалентной системе формирования автономного источника ТНУ может покрывать 60 % расчетной тепловой нагрузки. При этом общая выработка тепловой энергии ТНУ за отопительный период может составлять 92 % и лишь 8 % приходится на электрокотел. На рис. 8.15 представлена тепловая схема автономного источника теплоснабжения на базе ТНУ и электрического котла.

Рис.8.15. Тепловая схема автономного источника теплоснабжения на базе ТНУ и электрического котла

Включение электрического котла в схему ТНУ позволяет снизить стоимость капитальных затрат и уменьшить срок окупаемости ТНУ. Причем определяющим фактором является не стоимость самой установки, а стоимость обустройства контура теплосъема в источнике низкопотенциальной теплоты (НПТ).

В рассматриваемых схемах парокомпрессионных тепловых насосов в качестве приводных двигателей используются электродвигатели. Это обусловлено их низкой стоимостью, простотой эксплуатации и высокой надежностью. Однако их применение связано со значительным потреблением электрической энергии, что значительно удорожает получаемую в ТНУ тепловую энергию. Одним из путей существенного снижения энергозатрат на единицу отпускаемой тепловой энергии от ТНУ является замена приводного электродвигателя на газопоршневой двигатель.

Схема парокомпрессионной теплонасосной установки с приводным газопоршневым двигателем представлена на рис.8.16.

Переход на привод от ГПД в целом не изменяет принципиальную схему ТНУ. Изменение касается лишь системы нагрева теплоносителя, направляемого к теплопотребителю. Как видно из рис.8.16, теплоноситель после конденсатора последовательно проходит теплообменник системы охлаждения двигателя и охладитель выхлопных газов.

Общий теплоотпуск от установки определяется как сумма трех слагаемых:

, (8.18)

где теплота, переданная теплоносителю в конденсаторе;

теплота, переданная теплоносителю в теплообменнике охлаждения двигателя;

теплота, переданная теплоносителю в охладителе выхлопных газов.

Рис.8.16. Схема парокомпрессионной ТНУ с приводным газопоршне-

вым двигателем:

1 – теплообменник системы охлаждения двигателя; 2 – теплообменник охлажде-

ния выхлопных газов; 3 – байпасная перемычка между прямым и обратным трубопроводами

Применение газопоршневого двигателя усложняет установку ТНУ, так как требуется создание системы топливоподачи, включение в схему дополнительных теплообменников, повышаются требования к обслуживанию двигателя.

Однако энергетические и экономические показатели ТНУ с приводным газопоршневым двигателем становятся сопоставимы с показателями отопительных котельных.