Использование тепловых насосов

Определенная роль в решении проблем использования НВИЭ принадлежит теплонасосным установкам (ТНУ), обеспечивающим эффективную утилизацию низкопотенциальной теплоты окружа­ющей среды, промышленных и бытовых стоков.

Использование теплового насоса получило интенсивное раз­витие в мире в последние годы в связи с энергетическими и экологическими проблемами.

Тепловой насос — машина, переносящая теплоту с более низ­кого на более высокий температурный уровень, затрачивающая при этом меньшее количество энергии, чем переносимая тепло­вая энергия. Он способен во многих случаях обеспечивать эко­номию топлива и уменьшать тепловое загрязнение окружающей среды. С помощью ТНУ природную теплоту и тепловые отходы можно использовать для различных целей теплоснабжения.

Так для одного отечественного предприятия был разработан проект системы технологического кондиционирования воздуха с холодильной станцией на базе серийных холодильных пароком-прессионных машин типа МКТ-350-2-1 с винтовыми компрессо­рами (перевод их в режим теплового насоса согласован с заво­дом-изготовителем). Для получения в теплонасосной установке (ТНУ) теплоносителя с температурой 65 °С произведена замена хладагента Р-22 на Р-12 с более высокой температурой конденса-

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ, ЭНЕРГИИ МАЛЫХ РЕК И ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ 209

ции при допускаемых заводом-изготовителем давлениях конден­сации. Эффективность применения ТНУ для комплексного теп-лохолодоснабжения на данном предприятии возросла при нали­чии сбалансированного потребления холода и теплоты и сброс­ной теплоты технологического оборотного водоснабжения.

Рис. 8.5. Схема утилизации теплоты:

1 — парокомпрессионная машина; 2 — конденсаторы; 3 — оборотное водоснабжение; 4 — система кондиционирования воздуха; 5 — градирня; 6 — насосная группа; 7 — промышленный корпус; 8-11 — теплообменные аппараты; 12 — система утилизации

На рис. 8.5 приведена принципиальная схема разработанной системы выработки холода и утилизации теплоты с ТНУ Тепло­вая мощность ТНУ определяется требуемой холодопроизводи-тельностью. В летний период в качестве низкопотенциальной теплоты используется отепленная вода оборотного водоснабже­ния системы кондиционирования воздуха 4, которая охлаждается в испарителях парокомпрессионных машин 1 с 11 до 6 °С и далее используется как хладоноситель. В отопительный период, когда отсутствует нагретая вода системы кондиционирования воздуха, к испарителям подводится вода технологического оборотного во­доснабжения 3 с температурой около 25 °С, которая при традици­онной схеме охлаждалась в градирнях 5.

Для отбора получаемой в ТНУ теплоты организован спе­циальный контур циркуляционной воды с насосной группой 6.

Глава 8

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ, ЭНЕРГИИ МАЛЫХ РЕК И ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ 211

 

Проходя через конденсаторы 2 ТНУ, вода нагревается до 65 °С и используется в качестве теплоносителя для технологических нужд котельной и горячего водоснабжения предприятия. Отрабо­танная во всех элементах тепловой схемы циркуляционная вода с температурой около 42 °С возвращается в конденсаторы ТНУ для последующего подогрева.

В отопительный период наряду с покрытием указанных тепловых нагрузок циркуляционная вода от ТНУ используется для предварительного подогрева обратной сетевой воды систем теплоснабжения предприятия перед поступлением ее в котель­ную. Для этого системы отопления и вентиляции промышлен­ных корпусов 7 были спроектированы на температурный график 150/50 °С, что дало возможность значительно снизить температу­ру обратной сетевой воды систем теплоснабжения предприятия и тем самым более полно использовать утилизируемую в ТНУ теплоту.

В разработанной системе утилизации 12 применена схема по­следовательного соединения тепловых насосов по нагреваемому и охлаждаемому теплоносителям с иротивоточным их движени­ем. Среднегодовой расчетный коэффициент комплексной эффек­тивности (отношение эквивалентных количеств выработанных теплоты и холода к количеству электроэнергии, затраченной на привод ТНУ) разработанной системы составил 5,4. В качестве теплообменных аппаратов 8-11 в тепловой схеме применены пла­стинчатые подогреватели типа Р.06, обеспечивающие наиболее эффективное использование располагаемого напора.

На рис. 8.6 приведен график тепловых нагрузок предприятия в зависимости от времени года. Заштрихованная область соответ­ствует доле тепловой нагрузки, покрываемой ТНУ (Q — средне­месячная часовая тепловая нагрузка предприятия).

Расчеты показывают, что количество утилизируемой теплоты в общем тепловом балансе предприятия составляет около 30%. Разработанные технические решения позволяют круглогодич­но покрывать тепловую нагрузку горячего водоснабжения за счет утилизации В ЭР предприятия и существенно уменьшить потреб­ление органического топлива на нужды отопления, вентиляции и технологии. Расчетная годовая экономия тепловой энергии со­ставила более 12 тыс Гкал. Кроме того, значительно уменьшают­ся нагрузки градирен и улучшается экологическое состояние воз­душного бассейна.

С термодинамической и конструктивной точки зрения ТНУ аналогичны холодильной машине, отличаясь от нее лишь темпе­ратурным режимом работы.

Существует большое разнообразие типов ТНУ, которые мо­гут быть классифицированы по различным признакам: по прин­ципу действия (парокомпрессионные, абсорбционные, термоэлект­рические и др.), схеме применения (ТНУ в чистом виде либо в комбинации с дополнительным источником теплоты), используе­мому источнику низкопотенциальной теплоты (наружный воздух, поверхностные или подземные воды, грунт, тепловые отходы и др.), сочетанию сред — источника низкопотенциальной тепло­ты и нагреваемой (воздух-воздух, воздух-вода, вода-воздух, грунт-воздух и др.), источнику затрачиваемой энергии (электри­чество, органическое топливо, солнечная энергия, тепловые от­ходы производства и т. п.), типу привода компрессора (электро­двигатель, ДВС, турбина и др.).

Тепловые насосы с передачей тепла от воздуха к воздуху за­воевали не слишком хорошую репутацию. Однако новые модели, использующие воду в качестве источника низко потенциальной теплоты, полностью свободны от недостатков, свойственных теп­ловым насосам «воздух-воздух», и обладают преимуществами, которых эти насосы лишены. К числу таких преимуществ отно­сятся: лучшие эксплуатационные показатели при низких темпе­ратурах наружного воздуха (поскольку источником низкопотен­циального тепла служит вода), меньшая потребность в подаче дополнительного тепла и более высокий КПД.

В настоящее время тепловые насосы с водяным контуром ис­пользуются при сооружении новых и реконструкции существую­щих общественных зданий. Их почти всегда располагают в над-потолочном пространстве и они не нуждаются в дорогостоящей площади пола. В современных административных зданиях, со­стоящих из большого количества помещений, вполне возможна

 

Глава 8

ситуация, при которой одни помещения, расположенные по пери­метру, нуждаются в отоплении, а в то же самое время другие помещения, расположенные по периметру, нуждаются в конди­ционировании воздуха. Внутренняя зона здания будет почти круг­лый год нуждаться в кондиционировании. Тепловые насосы, рас­положенные во внутренней зоне, подают теплоту в контур, а на­сосы, расположенные по периметру здания, отбирают теплоту из контура. Во многих случаях дополнительный нагрев не требу­ется, поскольку все здания отапливаются за счет повторно ис­пользуемой электроэнергии.

Бытовым вариантом теплового насоса с водяным контуром является насос, для которого источником низкопотенциальной теплоты служит грунт. Не требуется ни башенный охладитель воды, ни бойлер: вместо них в качестве поглотителя или источ­ника теплоты используется грунт.

Петля из труб, содержащих жидкий теплоноситель, уклады­вается в горизонтальную траншею либо помещается в вертикаль­ную скважину или в пруд. Тепловая энергия, выделяемая систе­мой, передается грунтовым водам; при обогреве помещения грун­товые воды служат источником низкопотенциальной теплоты. Поскольку температура грунтовых вод колеблется лишь в преде­лах от 3 °С до -26 °С, требуется лишь незначительный подогрев, а иногда и не требуется вовсе. При использовании отопительных систем подобного рода период окупаемости капиталовложений обычно составляет от 3 до 5 лет.

Тепловые насосы используются также и для нагрева воды. В этом случае они отбирают тепловую энергию из воздуха, на­ходящегося внутри здания; вода нагревается примерно до 60 °С. Работая в этом режиме, тепловой насос обладает коэффициентом преобразования, равным 2-4. Для сравнения укажем, что наибо­лее совершенные газовые водонагреватели имеют коэффициент преобразования, равный 0,6-0,9, а электронагреватели обладают коэффициентом преобразования, равным 0,9-1,0.

На практике в большинстве случаев применяются парокомп-рессионные ТНУ с электроприводом компрессора.

Наибольшее применение ТНУ нашли в следующих областях: теплоснабжение (централизованное и децентрализованное) жи­лых, административных и производственных объектов; обеспе­чение теплотой нужных параметров некоторых технологических процессов (сушка, дистилляция, тепловая обработка); теплохла-доснабжение сельскохозяйственных объектов (молочно-товарные фермы, фрукто-хранилища и др.). Новой областью применения

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ, ЭНЕРГИИ МАЛЫХ РЕК И ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ 213

ГНУ стало создание высокотемпературных ТНУ открытого цик­ла для получения пара промышленных параметров, а также вы­сокотемпературных абсорбционных термотрансформаторов для получения горячей воды и пара с температурой до 250 °С. При­менение ТНУ открытого цикла на водяном паре перспективно на маневренных ТЭЦ, в системах пароснабжения от крупных загородных ТЭЦ, на ТЭЦ при выпаривании солевых растворов. Ведется освоение крупной ТНУ под Выборгом и проектируется комбинированная установка ДЭС + ТНУ в г. Владимире.

Теплопроизводительность ТНУ может составлять от несколь­ких сотен ватт до 100 МВт в одном агрегате.

В мире ТНУ применяются широко. Они заняли прочное мес­то в ряду других средств теплоснабжения. Так, в США эксплуа­тируется около 7 млн ТНУ, половина из которых составляет ТНУ для коттеджей тепловой мощностью 3...30 кВт. В ФРГ имеется около 300 тыс ТНУ, в том числе около 500 ТНУ большой мощно­сти, десятки ТНУ по 500 кВт с приводом от газовых ДВС для теплиц. Для Швеции (общее количество ТНУ около 150 тыс) харак­терно применение крупных ТНУ, эксплуатируется около 50 ТНУ по 20...90 МВт.

В 1986-1989 гг. в бывшем СССР был разработан ряд паро-компрессионных ТНУ на фреоне-12 теплопроизводительностью от 17 кВт до 11,5 МВт типа «вода-вода» и «вода-воздух». Боль­шая часть ТНУ этого ряда прошла стадию изготовления и испы­тания опытных образцов на пяти заводах холодильного машино­строения. Четыре типоразмера выпускались серийно (ТНУ тепло-производительностью 14, 100, 300, 8500 кВт). Общий их выпуск с 1987 г. составил более 3000 единиц. Кроме того, АО «ИН-СОЛАР» осуществило поставку заказчикам около 25 ТНУ на 1,5 и 5 кВт для горячего водоснабжения и отопления коттеджей «воздух-вода» и «грунт-вода», базирующихся на импортных ком­прессорах.

Отечественные ТНУ по достигаемому коэффициенту преоб­разования (отношение тепловой энергии, отданной потребителю, к энергии, затраченной на привод ТНУ) не уступают лучшим ми­ровым образцам. При эффективном применении ТНУ обеспечива­ется экономия топлива в сравнении с прямым электрообогревом до 270 кг у. т. и в сравнении с котельными до 55 кг на 1 МВт-ч тепловой энергии.

Экономическая целесообразность применения ТНУ в значи­тельной степени определяется отношением стоимости электро­энергии к стоимости топлива в перерасчете на его теплотвор-

 

Глава 8

ную способность. Для нашей страны характерно завышенное в 3-4 раза по сравнению с западными странами значение данного отношения, что сдерживает широкое распространение ТНУ.

Важным резервом экономии топлива и защиты окружающей среды является использование таких источников энергии, как воз­дух, вода и грунт, температура которых изменяется во времени под воздействием различных природных и антропогенных фак­торов. При огромной суммарной мощности эти низкопотенциаль­ные источники могут рационально использоваться многочислен­ными малоэнергоемкими потребителями, удаленными от систем энерго снабжения.

В технико-экономическом докладе ВНИПИэнергопрома «Раз­витие теплонасосных станций» определены целесообразные об­ласти использования тепловых насосов в РФ:

· на объектах курортной зоны;

· в электрокотельных, вблизи которых находятся источники низкопотенциального тепла (водохранилища ГЭС);

· на электростанциях 220...500 кВт;

· на ТЭЦ, переводимых в режим котельных и котельных на органическом топливе вблизи источников тепловой энергии;

· на ГЭС для использования теплоты охлаждения гидрогенера­тора и трансформаторов для теплоснабжения;

· для охлаждения обратной сетевой воды в системах дальнего

транспорта тепла отходящих и дымовых газов.

В Краснодаре ведется сооружение опытной теплонасосной установки теплопроизводительностью 100 кВт с использованием взамен фреона специальной пропанбутановой фракции.

«Роскоммунэнерго» в 2005 г. совместно с Институтом тепло­физики Сибирского отделения Академии наук РФ создает комп-рессионно-ресорбционный водоаммиачный тепловой насос теп­лопроизводительностью 1... 1,5 МВт для систем теплоснабжения и горячего водоснабжения на базе низкопотенциальной теплоты 15...30°С.

Для использования тепловой энергии от сжигания твердых и жидких бытовых отходов Сибирский филиал «Техэнергохимп-ром» (г. Бердск) разработал ряд установок различной мощности и различного конструктивного исполнения в зависимости от вида преобладающей части бытовых отходов.

Применение ТНУ, даже при современном уровне оборудова­ния, выпускаемого отечественными заводами, позволяет исполь­зовать их для отопительных нужд (с трансформацией тепловой энергии грунта и Солнца, сбросной тепловой энергии от круп­ных предприятий, холодильных станций и т. д.).

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОТХОДОВ, ЭНЕРГИИ МАЛЫХ РЕК И ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ 215

В отдаленных районах Севера и Северо-Востока страны на­шли применение подземные машинные распределительные холо­дильники с зимним холодо-зарядным атмосферным воздухом. Строительство подземных холодильников дешевле наземных на |0...25%, расход энергии при эксплуатации сокращается на 30%.

Контрольные вопросы

1. Какие источники энергии относятся к возобновляемым?

2. Какой энергетический потенциалу солнца, земли и ветра?

3. В каких регионах России целесообразно использовать ветроэнер­гетику?

4. Как конструктивно устроена ветроэлектроустановка?

5. Каковы перспективы развития геотермальной энергетики?

6. В каких регионах России размещены основные запасы природных теплоносителей?

7. В чем специфическое отличие турбин Верхне-Мутновской ГеоЭС?

8. Каковы перспективы развития солнечной энергетики?

9. Как работает солнечный элемент?

10. Где построены и как работают СФЭС?

П. Как рационально использовать энергию биомасс?

12. Какой опыт эффективного использования ТБО Вы знаете?

13. Как работает установка по термической переработке отходов?

14. Каковы перспективы развития малой гидроэнергетики?

15. Каковы перспективы использования энергии морей и океанов?

16. Роль ТНУ в экономии ТЭР.

17. Чем определяется экономическая целесообразность применения тепловых насосов?

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НОВЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА

 

Гл а в а 9

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

⇐ Предыдущая14151617181920212223Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: