|
ООО "БИНОМ" (МОСКВА)
123182, г. Москва, пл. Курчатова, 1 (РНЦ Курчатовский институт, для ООО "БИНОМ")
Тел./факс: (495) 506-57-98
В последние десятилетия человечество столкнулось с глобальными проблемами, от решения которых зависит будущее всей планеты. Одной из таких проблем стало энерго- и ресурсосбережение. Потребности людей в энергии растут, а вот стоимость энергоносителей увеличивается, запасы традиционных источников энергии тают. Ситуация усугубляется и экологическим кризисом вследствие необдуманного использования невозобновляемых ресурсов планеты. Разрушение озонового слоя, изменения климата грозят человечеству катастрофой. Что же будет, когда эти процессы достигнут своего апогея? Какой есть выход из сложившейся ситуации? Соломоновым решением данной проблемы становится использование альтернативных, возобновляемых источников энергии и максимальное использование произведенной сбрасываемой энергии.
В процессе деятельности homo sapiens при использовании традиционных видов энергии (уголь, нефть, газ и т.д.), расходуемой для производства продукции, в атмосферу и воду сбрасывается значительное количество сопутствующей тепловой энергии. Это низкотемпературное рассеянное тепло, так называемый вторичный источник тепла. Его запасы огромны, и существуют большие потенциальные возможности использования энергии, которая вокруг нас, в самых различных сферах деятельности человека. В качестве естественных возобновляемых источников может рассматриваться тепловая энергия земли и подземных вод (грунтовых, артезианских), а также наружного воздуха. Наиболее удачным путем реализации этого громадного потенциала на благо человечества является применение тепловых насосов - принципиально новое, максимально эффективное решение проблемы теплоснабжения [1].
ПРОШЛОЕ И НАСТОЯЩЕЕ
На сегодняшний день геотермальный тепловой насос (Geothermal Heat Pump или GHP система) является наиболее эффективной энергосберегающей системой отопления и кондиционирования.
Геотермальные тепловые насосы получили широкое распространение в США, Канаде и странах Европейского Сообщества. GHP системы устанавливаются в общественных зданиях, частных домах и на промышленных объектах. Толчок к развитию GHP системы получили после энергетических кризисов 1973 и 1978 годов. В начале своего развития GHP системы устанавливались в домах высшей ценовой категории, но за счет применения современных технологий геотермальные тепловые насосы стали доступны многим американцам. Они устанавливаются в новых зданиях или заменяют устаревшее оборудование с сохранением или незначительной модификацией прежней отопительной системы. Геотермальный тепловой насос был установлен даже в широко известном небоскребе Нью-Йорка The Empire State Building.
К настоящему времени масштабы внедрения геотермальных тепловых насосов в мире ошеломляют:
в США ежегодно производится около 1 млн. геотермальных тепловых насосов. При строительстве новых общественных зданий используются исключительно геотермальные тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.
в ШВЕЦИИ 50% всего отопления обеспечивают геотермальные тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается геотермальными тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник тепла … Балтийское море с температурой +8 °С.
в ГЕРМАНИИ предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности.
в МИРЕ по прогнозам Мирового Энергетического Комитета к 2020 году доля геотермальных тепловых насосов в теплоснабжении составит 75% [2].
ТИПЫ УСТРОЙСТВ
| Геотермальный тепловой насос С ОТКРЫТЫМ ЦИКЛОМ |
Геотермальный тепловой насос С ЗАКРЫТЫМ ЦИКЛОМ |
 |
 |
| Теплоноситель подается непосредственно из водоема и после прохождения цикла охлажденным возвращается обратно. |
Теплоноситель прокачивается через замкнутый контур, который может быть проложен глубоко в земле или по дну водоема. Это более экологически безопасный метод, чем открытый цикл. |
| Геотермальный тепловой насос С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ |
Геотермальный тепловой насос С ВЕРТИКАЛЬНЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ |
 |
 |
| Замкнутый контур теплообменника укладывается горизонтально в глубокие траншеи. |
Замкнутый контур теплообменника устанавливается вертикально в подготовленные отверстия. Применяется в тяжелом грунте или при ограниченности пространства участка [3]. |
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ МАШИН
В работе, опубликованной французским инженером Сади Карно в 1824 г., был рассмотрен цикл теплового двигателя, названный впоследствии циклом Карно, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов (рис. 1). Цикл Карно составлен из обратимых процессов, поэтому и сам он является обратимым циклом. В природе нет обратимых процессов, поэтому цикл Карно является некоторым идеальным циклом, обладающим максимальным значением термодинамического КПД.
В цикле Карно рабочее тело изменяет свое состояние, получая теплоту от горячего источника теплоты с температурой ТГ и отдавая часть теплоты холодному источнику теплоты с температурой TX. Разница этих теплот превращается в полезную механическую работу.
Рассмотрим более подробно процесс преобразования теплоты в работу, пользуясь рис. 1 [3].
На рис. 1: 1-2 - изотерма, Т1 = const; 3-4 - изотерма, Т2 = const; 2-3 и 4-1 - адиабаты; q1 - теплота, поступающая к рабочему телу от горячего источника; q2 - теплота, отдаваемая газом холодному источнику.
Пусть рабочее тело находится в начальном состоянии с параметрами состояния p1, v1, и Т1, при этом ТГ > Т1. Рабочее тело (газ), получая теплоту от горячего источника, расширяется, совершая работу расширения газа против сил давления со стороны окружающей среды. Предположим, что процесс подвода теплоты к газу протекает таким образом, что температура газа остается постоянной, т.е. имеет место изотермический процесс расширения при Т1 = const (участок 1-2 цикла). Это возможно, так как температура газа при его расширении снижается, а подвод теплоты к газу от горячего источника компенсирует это понижение температуры. После перехода газа в состояние 2 подвод теплоты к нему прекращается и дальнейшее расширение газа (участок 2-3 цикла) происходит в адиабатных условиях, т.е. газ и не получает теплоту от горячего источника, и не отдает теплоту холодному источнику. На участке 2-3 газ абсолютно теплоизолирован от окружающей среды. Адиабата 2-3, идет круче изотермы 1-2.
На участке 2-3 температура газа при его расширении также снижается, а поскольку подвода теплоты от горячего источника нет, работа расширения газа производится за счет части внутренней энергии газа. Факт снижения температуры газа при адиабатном расширении вытекает из первого закона термодинамики. Действительно, поскольку согласно указанному закону
dq = du + pdv,
то при dq = 0 (условие адиабатности)
du = -pdv,
так как du = cvdT, то сvdТ = -pdv, откуда dT = -pdv/cv.
При расширении dv > 0, следовательно dT < 0, что означает снижение температуры; при адиабатном сжатии, наоборот, dv < 0 и dT становится положительной, т.е. температура повышается. По достижении газом точки 3, в которой температуру газа обозначим Т2 (заметим, что в точке 2 температура газа равна T1), процесс расширения газа, а следовательно, и производство полезной механической работы заканчиваются. Начиная с точки 3, газ возвращается в исходное состояние. На участке 3-4 газ сжимается за счет того, что окружающая среда затрачивает на сжатие энергию в форме механической работы. Теплота, выделяющаяся при сжатии газа, отводится от газа и передается холодному источнику с температурой ТХ<Т2. Пусть отвод теплоты протекает таким образом, что температура газа при его сжатии остается постоянной (Т2 = const), т.е. сжатие осуществляется в условиях изотермического процесса. В точке 4 отвод теплоты прекращается, и дальнейшее сжатие газа до точки 1 осуществляется в адиабатных условиях (участок 4-1). Температура газа на участке 4-1 повышается за счет энергии, получаемой газом в форме внешней работы сжатия, в результате чего увеличивается его внутренняя энергия. При достижении газом первоначального состояния 1 цикл Карно завершается. В тепловых двигателях цикл повторяется в течение всего времени работы теплового двигателя.
Работа, производимая рабочим телом, т.е. газом, при его расширении, эквивалентна площади под кривой 1-2-3; работа, затрачиваемая со стороны окружающей среды на сжатие газа, эквивалентна площади под кривой 3-4-1. Полезная работа, полученная от теплового двигателя, работающего по циклу Карно, эквивалентна площади, заключенной между указанными кривыми, т.е. площади 1-2-3-4-1.
Рассмотрим условия, при которых цикл Карно будет обратимым.
Процесс адиабатного расширения 2-3 и адиабатного сжатия 4-1 является обратимым, так как отсутствует теплообмен с окружающей средой. Следовательно, обратимость или необратимость всего цикла Карно определяется обратимостью или необратимостью изотермических процессов расширения 1-2 и сжатия 3-4. На самом деле эти два процесса необратимы, так как подвод теплоты от горячего источника к газу в процессе 1-2 протекает при конечной разности температур
∆T1-2=TГ-T1, а отвод теплоты от газа к холодному источнику в процессе 3-4 при конечной разности температур ∆T3-4=T2-TХ. Степень необратимости этих процессов практически может быть сведена к нулю при условии, что указанные конечные разности будут сведены к бесконечно малой величине, т.е. ∆T1-2=dT и ∆T3-4=dT. Это значит, что
Т1= ТГ - dT и Т2= ТХ + dT
При этих условиях (если, разумеется, исключить трение в механических узлах теплового двигателя) цикл Карно будет обратимым.
Величина термодинамического КПД цикла Карно определяется на основе общего выражения (1.1)
 (1.1)
где q1 - теплота, получаемая газом от горячего источника; q2 - теплота, отдаваемая газом холодному источнику.
Если тепловой двигатель работает по циклу Карно, а в качестве рабочего тела используется идеальный газ, то можно доказать, что
 (1.2)
а для обратимого цикла Карно с точностью до величины подстановки вместо dT после подстановки вместо TГ и ТХ их значений
 (1.3)
Как следует из выражений (1.2) и (1.3), термодинамический КПД цикла Карно не зависит от физико-химических свойств газа как рабочего тела, а определяется только разностью температур горячего и холодного источников теплоты. Последнее утверждение составляет смысл теоремы Карно: термодинамический КПД обратимого цикла Карно, осуществляемого между двумя источниками теплоты, не зависит от свойств рабочего тела, при помощи которого этот цикл осуществляется.
Таким образом, цикл Карно имеет максимально возможный термодинамический КПД (формула (1.2)), т.е. он является идеальным циклом работы тепловых двигателей. Однако осуществить на практике этот цикл не представляется возможным, так как невозможно реализовать изотермический процесс.
Термодинамический КПД любого реального теплового двигателя можно повысить, используя принцип рекуперации (повторного использования) теплоты. Это означает, что часть теплоты, отводимой от рабочего тела в процессе сжатия 3-4, в специальном теплообменнике, называемом рекуператором, снова возвращается рабочему телу, но уже в процессе расширения 1-2.
С использованием цикла Карно в принципе могут работать и холодильные установки. В этом случае вес процессы, составляющие этот цикл, называемый обратным циклом Карно, должны иметь обратное направление.
В обратном цикле мы воплотили идею теплового насоса, а именно: затратив механическую энергию, "перетащили" тепловую энергию от холодного тела к горячему, причем отданное горячему телу тепло и работа затраченная (А/q1) связаны выражением (1.3).
ПРИМЕР.
Пусть T1=25 °С=298 К (КОМНАТНАЯ ТЕМПЕРАТУРА), а T2= -25 °С=248 К (достаточно обычная УЛИЧНАЯ ТЕМПЕРАТУРА зимой), то, после подстановки в (1.3), получим, что
т.е. затратив 1 кВт механической мощности - "перетащим" 5,46 кВт тепловой!!!
Коэффициент обратный КПД тепловой машины (в дальнейшем К) и определяет эффективность теплового насоса.
МАЛЕНЬКИЙ ПРИМЕР ПО КУХНЕ!
Не знаю как у Вас, а у нас на кухне стоит передвижной кондиционер.
Он засасывает воздух из кухни, из которого часть охлаждает и отправляет обратно. Другую часть - нагревает и выбрасывает через трубу на улицу. На задней стенке этого прибора расположен "шильдик" - табличка с техническими характеристиками (для недоверчивых приложена фотография: кликните мышкой - увеличьте фото).
Обратите внимание на две позиции на шильдике:
Таким образом, это устройство забирает из кухни 2200 Вт, добавляет взятые из электрической сети 860 Вт, и выкидывает их в форточку!
Т.е. К = (2200 + 860)/860= 3.56.
ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА УСТРОЙСТВА КОМПРЕССИОННОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА
Принципиальная схема устройства теплового компрессионного насоса представлена на рис.2 [1].
Рис.2. Принципиальная схема устройства теплового компрессионного насоса
Насос включает в себя следующие основные составляющие:
двух теплообменников (радиаторов) - холодного (испаритель) и горячего (конденсатор) (в нашем случае холодный слева, а горячий справа);
компрессора;
дросселирующего устройства и трубок соединяющих их и
хладагента (в качестве хладагента может быть использован любой газ, имеющий разумное значение давлений насыщенных паров при интересующих нас температурах; обычно это разные марки фреонов или пропан-бутановые смеси).
Начнем рассмотрение работы насоса с точки, расположенной сразу после компрессора (см. рис. 2).
Итак, газ сжат до давления Р1 и попадая на холодные трубки, малая часть его быстро конденсируется на них, отдавая теплоту конденсации, и нагревая их до температуры точки росы для данного давления. После этого основная часть без препятствий попадает в "горячий" теплообменник, в котором обменивается теплом со средой, имеющей температуру ниже точки росы, опять же, для данного давления. Газ при этом конденсируется весь, отдавая тепло среде (что соответствует процессу на изотерме кривой 2-1 (рис. 1), за тем лишь исключением, кривая будет горизонтальной, поскольку процесс конденсации не только изотермичен, но еще и изобаричен). В данном случае давление не будет падать, так как компрессор постоянно подгоняет новые порции газа, компенсируя сконденсированную часть. Далее жидкий хладагент вытесняется через дросселирующее устройство в область низкого давления, причем опять малая часть быстро испаряется, охлаждая трубки и остальную часть до температуры ниже температуры кипения для этого давления (кривая 1-4). Оставшаяся жидкость испаряется в "холодном" теплообменнике, забирая тепло и, соответственно, охлаждая среду, имеющую температуру несколько выше, чем температура кипения для этого давления - давление при этом не растет, так как постоянно газ откачивается компрессором (кривая 4-3).
Таким образом, весь процесс идет за счет разницы давлений, обеспечиваемой компрессором и дросселирующим устройством.
Как мы видим "холодная" и "горячая" части мало отличаются друг от друга и при желании меняются функциями, если "перенаправить" компрессор. Данное свойство применяется во многих кондиционерах (в холодильниках с функцией саморазмораживания, тоже).
Напоминаем, лишний раз, что каждый из нас неоднократно наблюдал все упомянутые выше части холодильника:
"холодный" теплообменник - это заиндевевшие трубочки в морозильном отделении; "теплый" - радиатор, расположенный обычно снаружи задней стороны холодильника (обычно окрашен в черный цвет);
дросселирующее устройство (выполняется в виде накрученной на палец тоненькой трубочки; находится сзади вашего холодильника);
компрессор (нынче, в большинстве случаев, интересуются лишь количеством компрессоров в холодильнике!!!).
Все то же самое реализовано и в кондиционерах: единственное различие - в мощности, поскольку кондиционером обычно надо охладить или нагреть большее пространство, чем внутренний объем холодильника, соответственно, на это необходима и большая мощность "перетаскиваемого" тепла, и в этих случаях, в частности, для улучшения работы теплообменников-радиаторов, их обдувают вентиляторами.
РАСЧЕТ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПРЕССИОННОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА
Для расчета эффективности компрессионного теплового насоса, предлагаем по вышеописанному контуру "погонять" 1 моль фреона R22.
Посчитаем работу.
Температуру "холодного" теплообменника возьмем 0 °С (именно до такой температуры можно ожидать, что мы сумеем нагреть хладагент, используя в качестве теплового резервуара землю или воду рек и озер зимой). При этой температуре давление фреона R22 будет около 5 атм., а объем моля около 5,5 л. Сожмем это объем моля компрессором до давления 15 атмосфер и, соответственно, до объема около 1,5 литров, что будет соответствовать температуре конденсации 40 °С. Этой температуры вполне достаточно для теплоносителя, например, в теплом поле, который не должен быть горячее 28 °С из медицинских соображений!!!
Легко посчитать (вспомнив остатки школьной программы), учитывая, что 1 атм. - это не что иное, как 1 кг (силы)/1 см. кв. - работу, которая будет равна Рср · ∆V, где Рср - среднее давление и равно 10 атм. = 100 н/см2 = 1 000 000 н/м2, а ∆V = 4 л = 4 · 0,001 м3. Получаем, что работа составит 4 кДж/моль.
Теперь оценим забранное при испарении в холодной части тепло.
Теплота парообразования фреона R22 равна 233,5 кДж/кг, а вес моля составляет 86,47 грамма, т.е. тепло равно произведению этих величин и равно 20,2 кДж/моль.
Наконец, складывая полученные значения по работе и теплу, и деля эту сумму на значение по работе, получим эффективность равную значению 6.
Конечно, надо вспомнить о КПД компрессора, но для электрических компрессоров он велик и может достигать 90%.
Таким образом, мы видим, что эффективность, равная диапазону значений 4-5, не является чем-то сверхъестественным и недостижимым.
ФИЗИЧЕСКАЯ ЭКОНОМИКА,
ДОСТУПНАЯ РЯДОВОМУ ГРАЖДАНИНУ И НЕДОСТУПНАЯ ПРАВИТЕЛЬСТВУ
Давайте на время забудем о восполнимых ресурсах - оборудование (имеет тенденцию к удешевлению), человеческий труд и коммуникации - в конце концов это капитальные затраты, нужные один раз.
А теперь сожжем любое ископаемое топливо для обогрева - получим эффективность равную 1.
Если мы сожжем его для производства электроэнергии (КПД современных устройств не ниже 30%), а затем полученную электроэнергию используем с эффективностью 4-5 в тепловом насосе, то получим результирующую эффективность 1,2-1,5 (т.е. 0,3 умножаем, соответственно, на 4 или 5).
А ведь еще на электрогенераторе бросовое тепло можно использовать! Да здравствует малая энергетика!!!
Уважаемый читатель Вам все понятно?
А вот правительству не очень - они национальную программу придумали: "Газ в каждый дом!" Топите граждане... ассигнациями!!!
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЭКОНОМИКА
(по ценам на апрель 2006 года)
А сколько вообще будет стоить отопление дома?
- Дайте, пожалуйста, цены для различных случаев-вариантов, - говорите вы.
- Не можем!
- Почему?
- Да, потому что, надо знать габариты дома, качество и характер изоляции и, наконец, какая будет зима!!!
В связи с этим, представляем сравнительный анализ о стоимости 1 МДж тепла, при различных вариантах источника энергии.
Итак, топим тэном. 1 кВт·ч - это 3,6 МДж, и обойдется нам это около 2 рублей - значит 1 МДж будет стоить около 55 копеек (см. таблицу ниже).
С помощью теплового насоса, в зависимости от эффективности - 4 или 5 - соответствующее количество дешевле, т.е. от 11 до 14 копеек.
Отапливаем соляркой. 1 кг солярки при сжигании дает 44 МДж и стоит около 20 рублей (1 литр = 0,8 кг - 17 рублей) - значит 1 МДж будет стоить около 45 копеек.
Сжиженный газ при сгорании дает 41 МДж на 1 кг и стоит около 10 рублей - значит 1 МДж будет стоить около 25 копеек.
Магистральный газ. Здесь расчет несколько сложнее. 1 кг дает 33 МДж тепла. 1 м куб. весит около 800 г. Стоимость газа для населения в Московском регионе около 956 рублей за 1000 кубов (без НДС). Получается, что 1 кубометр для населения стоит около 1 рубля 13 копеек - значит 1 МДж будет стоить около 3,5 копеек.
Для промышленности газ раза в полтора дороже - около 5 копеек.
Непонятно только, почему такое дорогое электричество из такого дешевого газа??? Может спросить Главного по газу? И уволить, если плохо ответит! И еще, не надо нам ВТО вступление РФ в ВТО ожидается в середине 2006 г.), а то газ подорожает в 4-5 раз! В этом случае, наше спасение - тепловые насосы (цена за 1 МДж тепла см. в таблице).
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ О СТОИМОСТИ 1 МДж ТЕПЛА
|
Источник тепла |
Стоимость одного
МДж тепла |
|
Магистральный газ для населения |
3,5 коп. |
|
Магистральный газ для промышленности |
5 коп. |
|
Земля с помощью электрического теплового насоса |
11 - 14 коп. |
|
Сжиженный газ |
25 коп. |
|
Солярка |
45 коп. |
|
Электричество |
55 коп. |
Использованные источники:
1. Тепловые насосы - системы отопления будущего? Нет, настоящего! /Владимир Коропатник, www.ecobuilding.com.ua/.
2. Тепловые насосы: история, принцип действия, преимущества, типы /www.cogeneration.ru и www.inrost.ru/.
3. Теоретические основы теплотехники /Прибытков И.А., Левицкий И.А./ Под ред. Прибыткова И.А. - М.: Изд. центр "Академия", 2004. с. 173-176
РЕАЛИЗОВАННЫЙ ПРОЕКТ
(как вариант)
Уважаемый ЗАКАЗЧИК!
В подтверждение вышесказанного, как вариант - можем продемонстрировать дом, который мы отопили с помощью теплового насоса нашей сборки.
ДАННАЯ ТЕПЛОНАСОСНАЯ СИСТЕМА УДАЧНО ВЫДЕРЖАЛА ЗИМУ 2005-2006 ГГ.!!!
Фото дома с местом размещения теплонасосной установки
Реализован самый дешевый вариант: горизонтальный теплообменник находится в земле
на глубине 1,6 м (пластиковая труба ¾'' общей длиной 400 м) с раствором тосола.
Тосол прокачивается итальянским насосом мощностью 350 Вт через трубу и теплообменник
"тосол-фреон" производства g-mar, с расходом не менее 250 куб. см/сек.
Фото теплонасосной установки
Применен китайский однофазный компрессор от кондиционера тепловой мощностью 10 кВт
(потребляемый при максимальной нагрузке ток составляет 14 А при напряжении 220 В).
Фото внутреннего блока от сплит-системы, размещенного в кухне
Тепловыделяющими элементами являются четыре внутренних блока от сплит-систем,
установленных в параллель (в разных помещениях).
Исходя из перепада температур на входе и выходе теплообменника холодного контура (10 °) и расхода раствора тосола (не менее 250 куб.см/сек), тепловая мощность отбираемая у земли (не менее 8250 Вт), плюс мощность, потребляемая из сети компрессором (3000 Вт) - дают оценку тепловой возможности системы (11-12 кВт, при отапливаемой площади 86 кв. м) и коэффициент использования электроэнергии, потребляемой компрессором (около 4). С учетом электроэнергии, потребляемой тосольным насосом и внутренними блоками, коэффициент уменьшается до 3 при общем потреблении в максимальном режиме 18 А.
ВЫВОДЫ
Почему мы не закопали трубу диаметром 1'', а ¾'' - это ведь позволило бы с помощью менее мощного циркуляционного насоса обеспечить больший проток тосола и повысило бы температуру холодного контура!
Так что же в этом случае мы получили?
С одной стороны стало понятно, что простая труба способна отдавать в землю в среднем 20 Вт с погонного метра. С другой - практика использования 400 метровой трубы, на глубине не менее 1,5 м, уложенной в траншею длиной 200 м и шириной 1 м (по правой стороне "туда", по левой - "обратно", т.е. с эффективной площадью 400 кв. м), в эту холодную зиму (2005-2006 гг.) показала, что мы справляемся с нагрузкой в 8 кВт. Свидетельством тому то, что температура тосола на входе в теплообменник как в начале зимы была около +4 °С, так и в конце зимы существенно не изменилась и установилась на отметке +2 °С (как вариант, это может быть следствием просто выстужения почвы зимой!!!). Вполне вероятно, что вокруг выходной трубы на первых метрах почва и промерзла на какой-то диаметр, но на работоспособности, теплопередаче и конечной температуре теплоносителя это практически не сказалось, что согласуется со справочными данными, в той части, что 1 кв. м почвы выдерживает тепловую нагрузку в 20 Вт для сухой почвы и 30 Вт для влажной.
ПОЛУЧЕННЫЙ ОПЫТ И НАШИ РЕКОМЕНДАЦИИ
1) Для повышения эффективности системы желательно отказаться от промежуточных носителей тепла:
а) Закапывать в землю фреоновую трубу холодного контура (стоимость материала медной трубы незначительна по сравнению со стоимостью земляных работ и частично компенсируется отказом от теплообменника и насоса промежуточного теплоносителя!!!).
б) Использовать высокотемпературную часть фреонового контура в качестве тепловыделяющего элемента, напрямую, как элемент теплого пола, радиатора или блока аналогичного внутреннему блоку от сплит-системы!!!
2) Не использовать мощных устройств на все помещения сразу, а использовать локальные насосы на каждое помещение или несколько насосов на большие помещения (свыше 50 кв. м) - в этом случае кажутся оптимальными блоки тепловой мощностью по 3 кВт.
Рекомендуем, как оптимальный вариант, составлять проекты исходя из планировки, взаимного расположения и др. конкретных условий отапливаемого строения или его части.
Обращаем внимание на то, что расположение компрессора и сопутствующих ему устройств возможно как в приямке на выходе теплоносителя из земли (для одноэтажных строений и первых этажей), так и в настенном варианте, как в случае с традиционными кондиционерами с утепленной трубой до земли содержащей трубки с теплоносителем. Это позволяет, как упростить систему управления - сделав ее автономной для каждого из насосов, так и укоротить коммуникации высокотемпературной части системы, а также, упростить решение проблемы вибрации и шума, в связи с тем, что изолировать несколько малых компрессоров проще, чем один мощный. Несмотря на то, что современные компрессоры достаточно надежные и все же, такая система многокомпрессорная система предотвращает вымораживание здания целиком и отдельных помещений при отказе одного элемента!!!
Кроме того, мы противники использования больших котлов на весь дом, т.е. того, что предлагают на рынке! И вот почему!
Основная задача - добиваться максимальной эффективности системы. Иначе, можно топить просто электричеством: капитальные затраты минимальные, эффект гарантирован - если мощности хватит!!!!
а) Для разных помещений необходимы разные тепловыделяющие элементы и соответственно разные требования к теплоносителю, а обеспечить это с помощью одной системы сложно, например:
- теплый пол (за счет своей площади и типа теплопереноса теплый пол не нуждается в высокой температуре, более того, с точки зрения медицины не должен быть горячее 28 °С, т.е. мы можем ограничиться температурой теплоносителя 35-40 °С, что повышает эффективность насоса; однако, теплые полы сами по себе дороги и, например, на входе в здание и в технических помещениях более приемлемы тепловые пушки, обдуваемые радиаторы, внутренние блоки сплит-систем и, в этом случае, температура уже нужна повыше);
- спальня, где у наружной стены кровати не ставят (если большая площадь - можно поставить обычные радиаторы, но соотношение температура/площадь радиатора потребует вытаскивать максимальные температуры 55-60 °С, к тому же, установка малых насосов возможна, как указывалось, в непосредственной близости к тепловыделяющим элементам - это упростит коммуникации).
б) Рассчитать точно скорости обогрева всех помещений практически невозможно, поэтому подачу тепла в каждое помещение надо регулировать отдельно. Для того чтобы не падала эффективность, нужен тепловой резервуар - подача тепла в него (т.е. тепловой насос) управляется отдельно, а передача тепла от него в помещения отдельно - иначе придется тепловой насос гонять на полную мощность или придумывать, как "загробить" производительность компрессора ради одного "недогретого" помещения. Все это подразумевает промежуточный теплоноситель и, соответственно, повышение температуры на выходе теплового насоса, т.е. снижение эффективности!!!
3) Тепловыделяющие элементы от одного теплового насоса, надо располагать последовательно - эффективность тепловыделения не будет зависеть от их последовательности - это связано с особенностями тепловыделения при конденсации, если конечно суммарное тепловыделение согласованно с мощностью насоса.
4) Приведем некоторые справочные данные по необходимым мощностям для отопления из расчета на 1 кв. м площади:
- 70 Вт (дома старой постройки);
- 50 Вт (современные дома);
- 30 Вт (дома специально утепленные - стеклопакеты, вентиляция с рекуперацией тепла и пр.)
Считаем, что для России нужна установочная мощность 100 Вт на 1 кв. м площади - естественно дом должен быть теплым - отапливать атмосферу "никаких мощностей не хватит!!!".
Значит все должно быть рассчитано на 100 Вт на м квадратный, т.е. площадь земляных теплообменников должна быть приблизительно в 3-5 раз больше, в зависимости от характера почвы, чем площадь отапливаемого помещения - это все для жилого дома; в промышленных помещениях, если допустимо, чтобы температура была пониже, соответственно, поменьше.
5) Не рекомендуем совмещать функции отопления и кондиционирования в одном приборе:
а) Добавление этой функции приведет к усложнению системы и, соответственно, к существенному ее удорожанию при одновременном снижении надежности!
б) Возможна дополнительная установка дешевых кондиционеров фирмы LG, менее $100 США за 1 киловатт охлаждающей мощности.
СКОЛЬКО ЭТО СТОИТ?
Мы оцениваем капитальные затраты на отопление с помощью теплового насоса с эффективностью более 4, с использованием дешевых отопительных элементов (радиаторы, внутренние блоки сплит-систем), без учета стоимости земляных работ, в размере $500 США на 1 кВт тепловой энергии.
Надо учитывать, что на каждый кВт необходимо от 30 до 50 м траншеи или скважины в зависимости от характера грунта. Для желающих, стоимость обустройства теплых полов обойдется дороже.
Почему нет оценки земляных работ?
Перекапывание больших площадей под горизонтальный теплообменник хотя и относительно дешево (можно прибегнуть к помощи гастарбайтеров), но мало где применимо: на промышленных площадках сильно ограничена площадь, а в частном хозяйстве - не хотят портить ландшафт.
Бурение скважин под вертикальный теплообменник сторонними организациями безумно дорого - самое дешевое, что предлагают - это 800 руб./м, что "ляжет" на 1 кВт тепловой мощности от $1000 США и выше.
В настоящее время по нашему заданию разработали и изготовили шнеки для бурения диаметром 62 мм (минимальный стандартный размер равен 128 мм); проектируется миниатюрная электрическая бурильная установка. После ее готовности - 1-2 месяца - можно будет оценить стоимость земляных работ, не прибегая к помощи сторонних организаций. Заметим, что стандартные буровые установки очень дороги и видимо поэтому столь высоки расценки на бурение - правда, они и рассчитаны на бурение более глубокое и большим диаметром (скажем, при проведении работ для строительства низкотемпературных складов), чем необходимо для наших целей.
Напоминаем, что Вы ознакомились со статьей:
"ТЕПЛОВОЙ НАСОС КАК ОСНОВА СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ" /ООО "БИНОМ", 2006/
/официальная публикация в Холодильщик.RU, май, выпуск № 5(17)/
|
Уважаемый Заказчик,
надеемся, что наш экскурс по ТЕПЛОВЫМ НАСОСАМ Вам понравился.
В случае принятия Вами решения в части сотрудничества по данной теме с ООО "БИНОМ" (Москва), просим обращаться либо по телефонам (см. выше).
С уважением,
ООО "БИНОМ"
|
|
