3. Теплонасосная система теплоснабжения

Тепловые насосы (повышающие термотрансформаторы) – это устройства (машины), воспринимающие теплоту окружающей среды для последующей передачи ее телу с более высокой температурой. Таким образом, тепловой насос представляет собой устройство, позволяющее передать теплоту от более холодного тела более нагретому за счет использования дополнительной энергии. Применение тепловых насосов – один из важных путей утилизации теплоты вторичных энергетических ресурсов.

Главная область применения тепловых насосов в настоящее время – нагрев теплоносителя для систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения зданий. Однако их можно использовать и для технологических целей.

Тепловые насосы различают, прежде всего, по способу преобразования теплоты. Типы тепловых насосов совпадают с типами холодильных установок, так как реализуют один и тот же термодинамический цикл и подразделяются на парокомпрессионные, газокомпрессионные, сорбционные, пароэжекторные и термоэлектрические.

Другой важный вид классификации тепловых насосов – тип источника энергии, который используется для преобразования теплоты. Это может быть электродвигатель, газовая турбина, двигатели внутреннего сгорания, механическая энергия струи пара и т.д. Часто тепловые насосы разделяют по виду рабочего агента (фреоновые, аммиачные, воздушные и др.) и типу теплоносителей, отдающих и воспринимающих теплоту (воздух-воздух, вода- воздух, вода – вода и т.д.).

Практическое применение получили тепловые насосы двух типов:

• парокомпрессионные (ПТНУ), где рабочим телом являются различные фреоны и сжатие осуществляется механическим путем с помощью компрессора;

• абсорбционные (АТНУ), где рабочим телом является раствор, состоящий, как правило, из двух компонентов. Эти компоненты имеют разные температуры кипения при одном и том же давлении. Один компонент является рабочим агентом, а другой – абсорбентом (поглотителем).

В мировой практике наиболее распространены парокомпрессионные ТНУ. Это объясняется, с одной стороны, их большей энергетической эффективностью по сравнению с АТНУ, с другой стороны – характерным для развитых стран практически неограниченным снабжением электроэнергией, которая с ПТНУ идет на привод электродвигателя компрессора. Зарубежные ПТНУ являются компактными и высокотехнологическими агрегатами.

Наибольшее распространение в настоящее время получили парокомпрессионные тепловые насосы, использующие в качестве рабочего агента один из фреонов или их смесь. Более детально на указанных выше вопросах остановимся в следующих разделах.

Тепловой насос осуществляет трансформацию тепловой энергии с низкопотенциального температурного уровня на более высокий, необходимый потребителю. При этом на привод компрессора затрачивается механическая (электрическая) энергия.

Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса изображена на рисунке 1.6, а на рисунке 1.7 представлен его термодинамический цикл. Работа теплового насоса осуществляется за счет подводимой к электроприводу компрессора электроэнергии.

В процессе 1– 2 (в компрессоре) повышается давление рабочего вещества с до . Затем в процессе 2 – 3 (в конденсаторе) при постоянном давлении происходит охлаждение и конденсация рабочего вещества с отводом тепла , которое передается потребителю. В процессе 3-4 происходит расширение (дросселирование) рабочего вещества с до , а в процессе 4 – 1 в испарителе рабочее вещество испаряется при за счет подведенного от низкотемпературного источника тепла . Это количество тепла, как было сказано выше, трансформируется на температурный уровень (передается потребителю).

Отношение вырабатываемой тепловой энергии к потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. В наиболее распространенных теплонасосных системах он достигает 3 и более.

.КМ – компрессор; К – конденсатор; Др – дроссель; И – испаритель.

Рисунок 1.6 – Схема парокомпрессионного теплового насоса

- давление и температура в конденсаторе; – давление и температура на входе в компрессор.

Рисунок 1.7 - Термодинамический цикл парокомпрессионного теплового насоса

Тепловой насос должен использовать по возможности большее количество энергии источника низкопотенциального тепла, не вызывая при этом его сильного охлаждения, поскольку при этом достигается наибольшая эффективность рабочего цикла теплового насоса. Вследствие этого масса низкотемпературного источника тепла должна быть многократно большей, чем нагреваемая масса рабочего вещества [7].

Рассмотрим альтернативные схемы отопления с тепловым насосом.

Весьма перспективно напольное отопление. Кроме того, можно применять и другие системы отопления, например, конвекторы и панельные радиаторы, если достаточна плошадь теплопередающей поверхности.

На рисунке 1.8 показана низкотемпературная система отопления, обогреваю­щая пол [8]. Такой вариант отопительной установки можно реализовать пре­имущественно в новых сооружениях. Изменение температуры грунтовых вод в течение года настолько незначительно, что моновалентная установка с ТН может обеспечить теплоснабжение дома в течение всего отопительного периода. По окончании отопительного периода вода нагревается другим спо­собом, например электричеством.

1 — во­да из скважины; 2 — вода, поступающая в фильтраци­онную скважину; 3 — ТН; 4, 5 — циркуляционные на­сосы; 6 — напольное отоп­ление; 7 — водонагреватель; 8 — расширительный бак; 9 – 11 - регуляторы темпе­ратуры; 12 — электрический нагреватель

Рисунок 1.8 - Схема напольной системы отопления

На представленной схеме (рисунок 1.8) регулятор температуры 9 включает или выключает циркуляционный насос 5 в зависимости от температуры на­ружного воздуха. Регулятор температуры 10 включает или выключает ТН 3 и насос 4 в зависимости от температуры горячей воды в обратной линии систе­мы отопления. Путем электроблокировки ТН может быть запущен лишь в том случае, если работают насосы 4 и 5. При необходимости можно вклю­чить дополнительный прямой электронагрев, который управляется регулято­ром температуры 11.

Прямое регулирование температуры воздуха в помещении с напольным отоплением невозможно вследствие высокой инерционности системы. Темпе­ратуру поверхности пола или горячей воды удобнее регулировать в обратной линии системы отопления.

На рисунке 1.9 показана бивалентная система отопления. Роль источника теп­лоты для ТН выполняет вода из артезианской скважины, которая в течение года имеет постоянную температуру (примерно 10 - 15°С). По сравнению с предыдущей схемой в рассматриваемой схеме теплопроизводителъность ТН может быть меньше. В течение всего отопительного периода отопление осуществляется в основном ТН, и лишь при низких температурах наружного воздуха используется водогрейный котел.

1 — во­да из скважины; 2 — вода, поступающая в фильтраци­онную скважину;

3, 6 — циркуляционные насосы; 4 — ТН; 5 — водогрейный котел; 7 — нагревательные прибо­ры; 8 — водонагреватель; 9 — ручной запорный вен­тиль; 10 — ручной регули­рующий вентиль; 11 — маг­нитный вентиль; 12 — рас­ширительный сосуд; 13— 16 — регуляторы темпера­тур; 17 — электрический на­греватель

Рисунок 1.9 - Схема бивалентной системы отопления

При отоплении ТН ручной вентиль 9 закрыт. Регулятор температуры 13 включает или выключает циркуляционный насос 6 в зависимости от темпе­ратуры воздуха в помещении. Управление ТН и насосом для подачи воды из артезианской скважины осуществляется с помощью регулятора температуры 14 в зависимости or температуры воды в обратной линии системы отопления. Запуск ТН возможен только в том случае, если работают насосы 3 и 6. В течение отопительного периода теплоноситель подается ре только в нагревательные приборы, но и в водонагреватель. Расход воды в системе отоп­ления устанавливается с помощью ручного вентиля 10. При достижении заданной температуры горячей воды срабатывает регулятор температуры 15, который может быть выполнен в виде терморегулятора. По окончании отопительного периода воду подогревают путем прямого электронагрева, как и в ранее описанной схеме.

При отоплении посредством водогрейного котла ручной вентиль 9 открыт. С достижением определенной температуры в подающей линии системы отоп­ления регулятор температуры 16 закрывает магнитный вентиль 11, защищая таким образом ТН от попадания горячей воды с недопустимо высокой темпе­ратурой. При этом циркуляционный насос системы отопления 6 не работает, поскольку система отопления с водогрейным котлом устроена по принципу гравитационной системы. Регулятор температуры функционирует так же, как и при отоплении с помощью ТН.

Для преобразования солнечной энергии в тепловую применяют солнечные коллекторы. Конструкция и форма солнечных коллекторов зависят от требуе­мой разности температур между теплоносителем и окружающей средой. Обычно при использовании солнечных коллекторов вместе с ТН разность тем­ператур между нагреваемым в коллекторе теплоносителем и окружающей сре­дой менее 50°С. В этой области применения рекомендуются так называемые низкотемпературные коллекторы, обычно изготавливаемые в виде плоских конструкций.

Принципиальная схема системы отопления и горячего водоснабжения малоэтажного жилого дома, содержащая ТН, солнечные коллекторы и электри­ческое отопление с ночным тсплоаккумулированием в качестве альтернатив­ного варианта, представлена на рисунке 1.10.

Циркуляционный насос прокачивает через солнечные коллекторы тепло­носитель, который нагревается под воздействием солнечного излучения. Затем нагретый теплоноситель проходит через нагревательный змеевик 2 аккуму­лятора 3 вместимостью 3 м³, отдавая свою тепловую энергию находящейся в нем воде, поступающей в систему отопления. Нагретая таким образом вола проходит через установленный в верхней части аккумулятора водоподогреватель 4 вместимостью 0,3 м³. В аккумуляторе предусмотрен также дополни­тельный нагрев воды электронагревателем 5, который работает только в ночное время. Электрическое отопление - это альтернативный вариант, ко­торый используется только в случае выхода из строя других систем отопления.

1 - солнечные коллекто­ры; 2 - нагревательный змеевик; 3 - аккумулятор: 4 - водонагреватель; 5 - электрона­греватель; 6 - ТН; 7 - низкопотенциальный источник теплоты; 8 - нагревательные при­боры; 9 - 11 - циркуляционные насосы

Рисунок. 1.10 - Схема системы отопления с солнечными коллекторами

Циркуляционный насос прокачивает через солнечные коллекторы тепло­носитель, который нагревается под воздействием солнечного излучения. Затем нагретый теплоноситель проходит через нагревательный змеевик 2 аккуму­лятора 3 вместимостью 3 м³, отдавая свою тепловую энергию находящейся в нем воде, поступающей в систему отопления. Нагретая таким образом вола проходит через установленный в верхней части аккумулятора водоподогреватель 4 вместимостью 0,3 м³. В аккумуляторе предусмотрен также дополни­тельный нагрев воды электронагревателем 5, который работает только в ночное время. Электрическое отопление - это альтернативный вариант, ко­торый используется только в случае выхода из строя других систем отопления.

В качестве основной системы выработки теплоты предусмотрен тепловой насос 6 в исполнении вода – вода. Грунтовые воды забираются из скважины 7 и подводятся к испарителю ТН. Теплота грунтовых вод доводится ТН до максимальной температуры 60°С и через конденсатор передается в контур отопления.

На рисунке 1.11 приведена схема комбинированной выработки теплоты и хо­лода, в которой источником теплоты для дополнительного ТН служит охлаж­дающая вода из градирни холодильных машин. Емкость охлаждающей во ды в градирне гасит кратковременные колебания температуры, возникающие вследствие прерывистого режима работы холодильных агрегатов, и тем са­мым обеспечивает стабильный режим работы ТН.

1 – ТН; 2 – торговый зал; 3 – напольное отопление; 4 – холодильник; 5 - холодильные машины; 6 – градирня; 7 – бассейн.

Рисунок – 1.11. Схема установки с ТН, использующим в качестве источника теплоты охлаждающую воду из холодильных машин

На рисунке 1.12 приведена схема установки для летнего кондиционирования и зимнего отопления [10].

а – компрессор; b – теплообменник; c – конденсатор; d – испаритель; e - регулирующий вентиль; f – кондиционер.

Рисунок 1.12 – Схема установки для летнего кондиционирования и зимнего отопления

Из рисунка 1.12 видно, что при летнем кондиционировании вентили 1 – 4 открыты, а вентили 5 – 8 за­крыты. Вода подается извне насосом Н₁ в конденсатор и выходит из него наружу. Вода же, служащая хладоносителем, проходит через кондиционеры и испаритель, охлаждаясь в нем и совершая замкнутую циркуляцию внутри системы.

При зимнем отоплении вентили 5 – 8 открыты, а вентили 1–4 закрыты. На­сос Н₂ прокачивает воду по замкнутому контуру через конденсатор, в котором она получает теплоту от конденсирующегося рабочею вещества, и через кондиционер, в котором эта теплота отдается воздуху помещения. Зимой насос Н₁ прокачивает воду, которая в этом случае является источником теп­ла низкого потенциала, через испаритель и удаляет ее из системы наружу.

Особенно эффективно использование ТН в системах разновременной вы­работки холода и теплоты. Попеременное потребление теплоты и холода про­исходит при кондиционировании помещений. Летом холодильная машина используется для охлаждения, а зимой - для отопления. При попеременной эксплуатации систем охлаждения и отопления связь между ними не прямая, а косвенная. Режимы работы холодильной и отопительной систем могут незначительно отличаться. Переключение возможно как в холодильном кон­туре, в сети жидкого теплоносителя или хладоносителя, так и в воздухово­дах.

Системы с попеременной эксплуатацией холодильной и отопительной уста­новок не требуют дополнительных затрат на холодильный агрегат для систе­мы отопления. Благодаря соединению холодильной и отопительной установок их работа возможна в различных режимах.

Существуют схемы [9], в которых тепло от солнечного коллектора пере­дается в жидкостный тепловой аккумулятор, куда погружены и трубки испари­теля ТН. Схема такой установки показана на рисунке 1.13.

1 - солнечные коллек­торы; 2 — нагревательный при­боры; 3, 4 — внепиковые ТН; 5- ТН; 6 – тепловой аккумулятор.

Рисунок 1.13 – Схема системы отоп­ления с тепловым аккумуля­тором

Фактически в схеме используются три ТН: один для передачи тепла с повышением температу­ры от солнечного коллектора к аккумулятору, второй - от аккумулятора к системе отопления и третий - oт аккумулятора к системе горячего водоснаб­жения.

Пути повышения эффективности теплохладоснабжения промышленных предприятий на базе источников теплоты различного температурного потенциала должны определяться на основе технико-экономического анализа технологических схем и их оптимизации.

В конце можно сделать предварительный вывод: на сегодняшний день предприятие ОАО «Крион» использует устаревшую, малоэффективную систему отопления, она не отвечает требованиям для отопительного периода, из-за малой температуры теплоносителя в системе отопления, всего лишь 40 °С ( в зимний период), т.к. ранее была произведена замена компрессорного оборудования. Старые поршневые компрессоры были заменены на более современные винтовые, которые, по сравнению с поршневыми, при работе выделяют меньшее количества теплоты. На сегодняшний день самым оптимальным и эффективным проектом по реконструкции системы отопления на данном предприятии, является внедрения теплового насоса использующие низкопотенциальную теплоту от системы охлаждения компрессорных установок разделения воздуха.