Лекция 16

Энергоресурсрсберегающие системы отопления

Высокотемпературная вода– вода, температура которой составляет более 105°С.

 

Низкопотенциальное тепло– теплоноситель с температурой ниже 50°С

 

Тепловой насос– установка, использующая тепло низкопотенциального теплоносителя, путём повышения его температуры до экономически целесообразной для системы отопления.

 

Перепад температур теплоносителя – Расчётная разность температур теплоносителя в горячем и охлаждённом трубопроводе

 

Промежуточный теплоноситель – Теплоноситель, передающий тепло от высокотемпературной воды к низкотемпературной.

 

                                          Содержание

16. 1 Системы отопления с использованием высокотемпературной воды

16. 2 Системы отопления с использованием низкопотенциального тепла

 

16. 1 Системы отопления с использованием высокотемпературной воды

Использование высокотемпературной воды (Т1> I05°C) в системах отопления значительно снижает металлоемкость и стоимость (в среднем на 20-30%). Причем металлоемкость отдельных приборов снижается за счет сокращения требуемой поверхности нагрева в связи с повышением температуры воды в отопительных приборах, а экономия металла на трубопроводах достигается за счет уменьшения их диаметра в связи с сокращением количества циркулирующей воды в системе отопления. Однако использование высокотемпературной воды в указанных ранее системах отопления возможны только при отоплении промышленных и некоторых других зданий, где допускается повышенная температура поверхности отопительных приборов (более 90°С. В остальных системах высокотемпературная вода непосредственно не используется. В этом случае ее применяют по схеме присоединения к тепловой сети с элеватором или смесительным насосом. Поэтому с целью удешевления и снижения металлоемкости систем отопления жилых и общественных зданий разработан ряд децентрализованных систем отопления, позволяющих использовать высокотемпературную воду непосредственно в системе отопления при сохранении температуры поверхности отопительных приборов на уровне, допустимом по санитарно-техническим требованиям.

Указанные системы отопления по способу использования высокотемпературной воды можно подразделить на такие группы:

- с непосредственным использованием высокотемпературной воды (зависимая схема);

- при децентрализованном смешении в отопительных приборах, стояках или определенных местах магистральных теплопроводов,

- с одинаковым (пониженным) или разным температурным перепадом в отдельных частях системы отопления;

- при децентрализованном нагреве в поверхностных водонагревателях и на магистральных теплопроводах;

- с нагревом промежуточного теплоносителя в отопительных приборах по независимой схеме.

Б. Н. Лобаевым предложена однотрубная система отопления с нижней прокладкой распределительной магистрали (TI =150°С) и децентрализованным смешением воды в основании стояков с помощью микроэлеваторов. Несмотря на усложнение эксплуатации, установка микроэлеваторов обеспечивает получение давления, достаточного для нормальной работы стояков и экономию металла на магистральном трубопроводе.

Л. И. Рохлецовым также разработана схема однотрубной системы отопления с нижней прокладкой магистралей при непосредственном присоединении к тепловой сети и децентрализованном смешении воды в определенных местах распределительной магистрали. Такая система отопления состоит из нескольких последовательно соединенных групп П-образных стояков (рис. 16. 1). Количество групп стояков в каждой подгруппе, расходы воды в них и диаметры отверстий дроссельных шайб на перемычках определяются в результате теплового и количественного баланса теплоносителя и гидравлического расчета системы. Эта система может быть рекомендована также в тех случаях, когда перепад давлений на вводе тепловой сети в здание не может обеспечить работу элеватора

Стоимость описанной системы отопления и расход металла по сравнению с обычными однотрубными системами с П-образными стояками уменшается в среднем на 20%.

Рис 16. 1 Безэлеваторная система отопления с попутным подмешиванием высокотемпературной воды в определенных местах распределительной магистрали:

1 — ввод тепловой сети; 2 — воздухонагреватели лестничных клеток, 3—6 — стояки соответственно. первой, второй, третьей и четвертой подсистем, 7 — диафрагма

   К группе систем отопления, работающих при повышенной средней температуре воды в приборах, относится система отопления с двумя перепадами температур теплоносителя по кольцам системы. Состоит такая система из двух взаимосвязанных частей, работающих параллельно от одного элеваторного узла (рис. 16. 2). После элеватора в первую часть системы вода поступает с температурой 95 или 105°С ( в зависимости принятой схемы расположения магистралей) и, охлаждаясь до температуры 80 или 85°С, полностью возвращается в элеватор для подмешивания к высокотемпературной воде. Во второй части системы горячая вода после охлаждения в отопительных приборах до требуемой температуры (70°С), минуя элеватор, возвращается в тепловую сеть.

 

Рис. 16. 2 Схема отопления с двумя перепадами температур по кольцам системы.

 

Системы отопления с двумя перепадами температур с экономической точки зрения рекомендуется проектировать в жилых зданиях высотой до 7 этажей однотрубными с нижней прокладкой обеих магистралей, а в зданиях от 7 до 12 этажей – с верхней прокладкой распределительной магистрали (ТI=95 °С). При этом перепад температур в первой части системы следует принимать в зависимости от способа прокладки магистралей и располагаемой разности давления на вводе тепловой сети.

Согласно расчётам, применение системы отопления с двумя перепадами температур, позволяет уменьшить массу отопительных приборов на 6-10% за счет увеличения теплоотдачи при более высоких температурах циркулирующего теплоносителя.

В ряде случаев планировка общественных зданий, а также производственных с неодинаковыми технологическими процессами в разных частях здания, позволяет использовать теплоноситель в одних помещениях с повышенной температурой (130-150 °С), а в других с более низкой (95-115). Для таких зданий рекомендуется использовать особый вид системы отопления – системы, последовательно соединенные по теплоносителю, в которых вода с повышенной температурой в первую очередь пропускается через отопительные системы помещений, где по нормам это допускается, а затем уже охлажденный теплоноситель направляется в отопительные приборы помещений, для которых ограничена температура теплоносителя. Такие единые для всего здания системы отопления имеют меньшую металлоемкость трубопроводов и отопительных приборов по сравнению с двумя раздельными системами.

 

 

 

Принципиальные схемы последовательно присоединенных систем отопления:

а – вертикальная система с высокотемпературной (I) и низкотемпературной частями (II);

б – с вертикальной высокотемпературной и горизонтальной низкотемпературной частями.

 

Принципиальные схемы горизонтальных систем отопления с последовательно соединенными ветвями:

а – разных этажей; б – на одном этаже.

 

На рис. 13 и 14 приведены принципиальные схемы систем отопления с последовательным соединением по теплоносителю в зависимости от расположения помещений, допускающих различную температуру теплоносителя: а) для случая расположения таких помещений по вертикали в разных частях здания; б) для случая поэтажной планировки этих помещений.

Кроме приведенной выше системы с непосредственным использованием высокотемпературной воды разработаны также системы отопления с децентральным нагревом высокотемпературной водой промежуточного теплоносителя в отопительных приборах по независимой схеме. (Рис. 16. 3)

Рис. 16. 3 Отопительная панель с промежуточным теплоносителем.

 

В этом случае змеевик с высокотемпературной водой, включенный в однотрубную проточно-регулируемую систему отопления, вводится в безнапорный отопительный прибор с промежуточным теплоносителем (водой, маслом или другой жидкостью), нагревая его до требуемой температуры. В качестве таких приборов могут использоваться керамические или ситаловые блоки с отверстиями в верхней части для ввода змеевика или более совершенные стальные закрытые штампованные радиаторы со змеевиком, введенным сбоку. В системах отопления с керамическими блоками высокотемпературная вода может иметь температуру 110-70°С, в системах отопления со стальными радиаторами, заполненными минеральным маслом, 130-70°с. При этом температура поверхности приборов не превышает 95°С. Кроме того, при использовании керамических блоков испаряющаяся вода дополнительно увлажняет воздух в помещениях.

 

16. 2 Системы отопления с использованием низкопотенциального тепла.  

      В настоящее время в связи с постоянным повышением цен на энергоносители всё большую популярность занимают системы отопления с использованием низкопотенциального тепла.

  К низкопотенциальным источникам тепла относят теплоносители с температурой до 50 °С. Тепло таких источников непосредственно использоваться в системе отопления не может из-за маленького температурного напора. Кроме того, они могут иметь различные примеси. При очистке от которых произойдёт ещё большее снижение их потенциала.

К таким источникам относятся: вода и воздух, охлаждающие промышленное оборудование, уходящий вентиляционный воздух, геотермальная вода, морская вода, солнечная энергия и другие. Повышение их потенциала производится в специальных установках - тепловых насосах.

  Рассмотрим устройство и принцип работы системы отопления с тепловым насосом, которая использует тепло морской воды температура которой в холодный период времени года составляет 5 - 10°С Эта установка (рис. 16. 4) была построена в Крыму в семидесятых годах прошлого века для отопления пансионата Дружба

 

Рис 16. 4 Принципиальная схема системы отопления, утилизирующая тепло Чёрного моря, с применением теплового насоса.

I. Контур с водой для системы отопления с параметрами Т1=45°С и Т2=30°С

II. Контур с жидкостью имеющей низкую температуру кипения – раствор этилен-гликоля

1 система отопления. 2 циркуляционный насос, 3 теплообменник-конденсатор, 4 теплообменник-испаритель 5 терморегулирующее устройство, 6 компрессор.

  Принцип работы:

Морская вода в большом количестве поступает в рекуперативный теплообменник-испаритель, в котором отдаёт тепло раствору этилен- гликоля, имеющего температуру кипения ниже 0°С. Раствор этилен-гликоля вскипает. Но температура паров равна температуре кипения – ниже 0°С. Пары поступают в компрессор, в котором повышаются их давление и температура до 50°С. После компрессора пары этилен-гликоля с повышенной температурой поступают в теплообменник-конденсатор. В котором конденсируются и нагревают воду для системы отопления.

Основной характеристикой теплового насоса является коэффициент трасформации

                                 К =Nп/Nз,                   (16. 1)

где: Nп – полезная полученная мощность;      

     Nз – затраченная мощность.

Коэффициент трансформации вышеприведенной установки составлял около 2, 3. В настоящее время разработаны тепловые насосы с коэффициентом трансформации более 5.

Теплонасосные установки в настоящее время находят всё более широкое применение в различных сферах.

Одним из эффективных энергосберегающих способов, дающих возможность экономить органическое топливо, снижать загрязнение окружающей среды, удовлетворять нужды потребителей в технологическом тепле, является применение теплонасосных технологий производства теплоты.

Тепловой насос представляет собой установку, преобразующую низкопотенциальную возобновляемую энергию естественных источников теплоты и/или низкотемпературных ВЭР в энергию более высокого потенциала, пригодную для практического использования.

В качестве источников низкопотенциальной теплоты используются атмосферный воздух или различные вентиляционные выбросы, вода естественных водоёмов и сбросные воды систем охлаждения промышленного оборудования, сточные воды систем аэрации, грунт.

 

Сведения о некоторых ИНТ

ИНТ	Среда промежуточного контура	Температура источника, °С
Грунтовые воды	вода	8... 15
Грунт	антифриз	2... 10
Вода с водозабора	вода	6... 10
Речная вода	антифриз	1... 10
Канализационные стоки	вода	10... 17
Окружающий воздух	воздух	-8... 15
Вытяжной воздух	воздух	18... 25

 

Потребителями энергии повышенного потенциала являются системы отопления и горячего водоснабжения жилых, административных, социальных и промышленных зданий, системы поддержания оптимального микроклимата в спортивных и киноконцертных комплексах, бассейнах, животноводческих помещениях, технологические промышленные процессы сушки, разделения веществ, дистилляции и другие.

Поскольку направление передачи энергии в ТН противоположно естественному направлению перетекания теплоты от горячего тела к холодному, то такое преобразование, согласно Второму Закону Термодинамики, возможно лишь в обратном термодинамическом цикле за счет подвода некоторого количества энергии извне в виде механической или электрической.

Энергетическая эффективность преобразования энергии в тепловом насосе оценивается коэффициентом преобразования энергии (СОР), равным отношению энергии, переданной потребителю, к энергии, затраченной для реализации цикла:

СОР = Q_к / N_эл

Следует заметить, что величина СОР, в силу Первого Закона Термодинамики, всегда больше единицы, так как количество энергии, переданной потребителю теплоты, оказывается больше величины подведенной внешней энергии на величину энергии, отобранной от низкопотенциального источника. Величина СОР зависит от целого ряда факторов, но, прежде всего, от разности температур источника и приёмника теплоты.

Условиями рационального применения ТН является удачное сочетание параметров источника теплоты низкого потенциала (ИНП) достаточной энергоёмкости и требуемых параметров теплоты у потребителя. Например, для современной системы напольного отопления достаточны температуры теплоносителя 30-350С, применение фанкойлов в качестве отопительных приборов позволяет использовать уровень температур 45-600С, тогда как для традиционной системы отопления с радиаторами температура теплоносителя должна быть не менее 70-900С. Особенно выгодно применение ТН при одновременном использовании тепла и холода, что успешно реализуется в ряде технологических процессов в промышленности, сельском хозяйстве, системах кондиционирования воздуха и др.

Основными достоинствами применения теплонасосных технологий преобразования теплоты являются:

· высокая энергетическая эффективность,

· экологическая чистота,

· надежность,

· комбинированное производство теплоты и холода в единой установке,

· мобильность,

· универсальность по тепловой мощности,

· универсальность по виду используемой низкопотенциальной энергии,

· полная автоматизация работы установки.

Говоря о достоинствах получения тепловой энергии с помощью ТН, нельзя поддаваться соблазнительному выводу об их абсолютной применимости. Необходимо тщательно оценивать целесообразность использования ТНУ в сравнении с традиционными, альтернативными видами энергоисточников, базируясь на следующих факторах:

Фактор термодинамический: реализуемый цикл, температура НПИТ и температура теплоносителя потребителя теплоты, свойств рабочего тела.

Фактор конструктивный: тип компрессора, тип теплообменников, их технические характеристики, схемное решение установки.

Фактор экономический: уровень цен на электроэнергию и замещаемое топливо, цены на применяемое оборудование и его монтаж и наладку, цены на систему автоматизации.

Фактор экологический: отсутствие процесса сжигания топлива в цикле ТН, уменьшение выбросов СО2 за счет вытеснения части потребного топлива при высокой энергетической эффективности установки.

Фактор социальный: улучшение условий труда и жизни населения.

 

Областями наиболее рационального внедрения являются:

• применение тепловых насосов «воздух-воздух», «воздух-вода», «вода-вода», «грунт-вода» в жилищно-коммунальном секторе для горячего водоснабжения и отопления зданий по моновалентной, бивалентной и моноэнергетической схемам тепловой мощностью 5-30 кВт; наиболее привлекательным для внедрения реверсивных ТН «воздух-воздух» является регионы юга Украины и Крымский полуостров, а также объекты, где имеются достаточные объёмы сбросного вентиляционного воздуха;
• привлекательно так же комбинированное отопление в холодный период и кондиционирование в жаркое время помещений на базе ТНУ;
• применение ТНУ в системах создания оптимального микроклимата в крупных общественных зданиях, спортивных и киноконцертных комплексах, крытых бассейнах, где наряду с проблемами термостатирования и утилизации теплоты сбросных воздушных и водяных потоков создаются условия, исключающие условия конденсации влаги на металлических и железобетонных строительных конструкциях, провоцирующие их коррозию и разрушение;
• автоматизированные комп­лексные системы на базе ТНУ и теплообменников-рекуператоров для поддержания оптимального микроклимата в животноводческих помещениях, свинарниках, птичниках, инкубаторах и других объектах агропромышленного комплекса;
• применение тепловых насосов в различных технологических процессах промышленности и сельского хозяйства (сушка продуктов, материалов, сырья, дистилляция, осушение помещений и др. );
• с помощью крупномасштабных ТНУ (тепловой мощностью до 20-30 Гкал/ч)можно рассмотреть вопросы их применения в энергетике (утилизация сбросной теплоты циркуляционной воды после конденсатора турбины и возможные варианты передачи её в теплосеть).

Теплонасосная технология преобразования низкопотенциальной природной энергии или теплоты вторичных низкотемпературных энергоресурсов в высокопотенциальную тепловую энергию, пригодную для практического использования, представляет собой не очередную модернизацию традиционных энергоисточников, а внедрение нового, прогрессивного, высокоэффективного и экологически чистого способа получения теплоты. При этом теплонасосные установки (ТНУ) многофункциональны (одновременно производят теплоту и холод), мобильны, относительно просты в изготовлении и в эксплуатации и легко поддаются автоматизации.

 

Принцип действия теплового насоса

1. Охлажденный теплоноситель, проходя по внешниму трубопроводу нагревается на несколько градусов

2. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладоагентом. Хладоагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газообразное. Это происходит при низком давлении и температуре -5°С.

3. Из испарителя газообразный хладоагент попадает в компрессор, где он сжимается до высокого давления и высокой температуры.

4. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник, конденсатор. В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладоагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.

5. При прохождении хладоагента через редукционный клапан давление понижается, хладоген попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.

 

Виды источников энергии

Скважина При использовании в качестве источника тепла скалистой породы трубопровод опускается в скважину. Не обязательно использовать одну глубокую скважину, можно пробурить несколько не глубоких, более дешевых скважин, главное получить общую расчетную глубину. Для предварительных расчетов можно использовать следующее соотношение: на 1 метр скважины приходится 50-60 Вт тепловой энергии. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходима скважина глубиной 200-170 метров.

Земляной контур. При использовании в качестве источника тепла участка земли трубопровод зарывается в землю на глубину промерзания грунта (выбирается для конкретного региона. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами – 0, 8.. 1, 2 м. Специальной подготовки почвы, засыпок и т. п. не требуется. Предпочтения к грунту – желательно использовать участок с влажным грунтом, идеально с близкими грунтовыми водами, однако сухой грунт не является помехой – это приводит лишь к увеличению длины контура. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 20.. 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур длинной 500.. 333 метра. Для укладки такого контура потребуется участок земли площадью около 600-400 кв. метров соответственно. При правильном расчете контур, уложенный в землю, не оказывает влияния на садовые насаждения, и участок может использоваться для выращивания культур точно также, как и при отсутствии внешнего коллектора.

Озеро. При использовании в качестве источника тепла воды ближайшего водоема, реки контур укладывается на дно. Этот вариант является идеальным с любой точки зрения: короткий внешний контур, «высокая» температура окружающей среды (температура воды в водоеме зимой всегда положительная), высокий коэффициент преобразования энергии тепловым насосом. Главное условие - водоем должен быть проточным и достаточным по размерам. Ориентировочное значение тепловой мощности, приходящейся на 1 метр трубопровода 30 Вт. Таким образом, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходимо уложить в озеро контур длинной 333 метра. Для того, чтобы трубопровод не всплывал, на 1 погонный метр трубопровода устанавливается около 5 кг груза.

Воздушный контур. Вместо того, чтобы извлекать энергию из скважин, земли или водоема теплонасосная установка Thermia Atria собирает энергию из окружающего воздуха. Если возможности разместить земляной коллектор нет, данная модель теплонасосной установки является наилучшим выбором. Точно так же как и обычные теплонасосные установки, Atria дает тепло и горячую воду в дом и сокращает потребление энергии до 75%. Однако, в силу технических причин, теплонасосные установки с воздушным контуром имеют серьезное ограничение в применении: минимальная температура наружного воздуха -20градусов Цельсия. Причем, начиная с температуры наружного воздуха -10градусов, установка ступенями подключает электрические ТЭНы, т. к. коэффициент преобразования (КПД теплового насоса) снижается. И, таким образом, при температуре -20градусов и ниже, по сути, работает только электрический нагрев.

 

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: