IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

Задача экономически эффективного нагрева воды, которая используется в качестве теплоносителя в системах водяного отопления и горячего водоснабжения, была и остается актуальной независимо от способа осуществления этих процессов, конструкции системы отопления и источников получения тепла.

Огромное разнообразие современных новинок в этой сфере - котлов, радиаторов, насосов, генераторов любого из нас заставят задуматься над тем, посредством каких критериев выбрать оптимальный для себя вариант и чему именно отдать предпочтение

Сейчас доступны различные источники тепловой энергии: нефть, уголь, газ, дерево и электричество. У всех имеются свои преимущества, но, взвесив все критерии, такие как низкая стоимость капитальных вложений, хорошая управляемость,  практически абсолютная чистота, большой комфорт и довольно скромные эксплуатационные расходы,- легко прийти к выводу, что отопление с использованием теплового насоса - это выбор сегодняшнего и завтрашнего дня.

Сравнительные характеристики

          Эффективной заменой газовому котлу, котлу на жидком топливе или отоплению с использованием электричества несомненно будет система отопления на основе теплового насоса. 

Газовые котлы

          Котлы на «голубом» топливе получили наиболее широкое распространение. Но при его использовании возникает больше проблем, чем с любыми другими теплоносителя ми. Например,  давление в наших газовых магистралях существенно ниже, чем в Европе, и отличается низкой стабильностью.

Электрические котлы

          Электрические котлы являются наиболее чистым видом топлива. В городских условиях, где обеспечена бесперебойная подача электроэнергии практически любой мощности, аргументом против использования электрических котлов может быть только экономическая нецелесообразность их применения.

Дизельные котлы

          Жидкое нефтяное топливо является на сегодняшний день наиболее испытанным и универсальным топливом, не требующим создания специальных коллективных ин фраструктур: газопроводов, электроподстанций и электросетей. Стоимость оборудования высокая, эксплуатационные расходы, при сегодняшнем уровне цен на дизельное топливо, также очень высоки

Твердотопливные котлы

           Твердотопливные котлы до сих пор не потеряли своей актуальности. К их неоспоримым достоинствам можно отнести невысокую цену и возможность работы без электричества. Недостатки - необходимость постоянного контроля горения, невозможность полной автоматизации котельной, потребность в ежедневной чистке топки котла.

Сравнение систем отопления

Основное отличие теплового насоса от других генераторов тепловой энергии, например, электрических, газовых и дизельных генераторов тепла заключается в том, что при производстве тепла до 80% энергии извлекается из окружающей среды.

Тепловой насос «выкачивает» солнечную энергию, накопленную за теплое время года, из грунта, скальной породы, из озера или из воздуха.

 

Представляем сравнительный анализ стоимости 1 МДж тепла, при различных вариантах источника энергии.

Итак, топим электричеством:

1 кВт./ч энергии- это 3,6 МДж тепла, и обойдется нам это в зависимости от региона и поставщика электроэнергии 3,62 рубля за 1 кВт, значит 1 МДж будет стоить около 1 рубля

(см. таблицу ниже).

Сжиженный газ при сгорании дает 41 МДж на 1кг и стоит около 10 рублей, значит, 1 МДж будет стоить около 25 копеек.

 Магистральный газ. Здесь расчет несколько сложнее. 1кг дает 33 МДж тепла. 1м куб. весит около 800г. 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.

 В этом случае, наше спасение - тепловые насосы (цена за 1 МДж тепла см. в таблице).

 

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СТОИМОСТИ 1 МДж ТЕПЛА

Источник тепла:	Стоимость 1 МДж тепла:
Магистральный газ для населения	3,5 коп.
Магистральный газ для промышленности	5 коп.
Сжиженный газ	25 коп.
Электричество	100 коп.=1руб.
Земля с помощью электрического теплового насоса	25 коп.

 

Если ставить вопрос с точки зрения экономичности, надо изучить, сколько какое топливо стоит в конкретном регионе, а потом посчитать цену 1кВт тепла.

Вот данные для расчета:

дрова сухие - 3,900 КВт/кг
дрова влажные - 3,060 КВт/кг
антрацит - 5,800 КВт/кг
бурый уголь - 2,900 КВт/кг
дизельное топливо - 11,700 КВт/кг
мазут - 10,600 КВт/кг
природный газ - 10,000 КВт/м3
сжиженный газ - 20,800 КВт/м3

Собственно когда станет понятно, сколько стоит 1кВт тепла в конкретном месте, тогда и надо искать конкретное решение по использованию того или иного источника тепла.

 КПД Электрических котлов =максимум 97% т.е. 1 кВт электроэнергии дает 0,97 кВт тепла.

Так дрова могут стоить в районе 0,9-1,0 рубля за 1кВт тепловой энергии (в пригороде), а сжиженный газ стоит 0,7-0,8 рубля за 1кВт.

КПД у газового оборудования повыше, чем у печек. Цену мазута получается 0,5 рубля 1кВт. Это об экономке вопроса. Однако нужно еще и понимать о доступности топлива, тот же булерьян будет жрать все что угодно (при правильном подходе), а вот газовая колонка только газ и только тот, на который настроена.

 

Теплового насоса

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Источники тепла. Геотермальные тепловые насосы.

Как известно, геотермальные тепловые насосы используют бесплатные и возобновляемые источники энергии: низкопотенциальное тепло воздуха, грунта, подземных, сточных и сбросовых вод технологических процессов, открытых незамерзающих водоемов. На это затрачивается электроэнергия, но отношение количества получаемой тепловой энергии к количеству расходуемой электрической составляет порядка 3-7. 
Говоря более точно, источниками низкопотенциального тепла могут быть наружный воздух температурой от -15 до +15 °С, отводимый из помещения воздух (15-25 °С), подпочвенные (4-10 °С) и грунтовые (более 10 °C) воды, озерная и речная вода (0-10 °С), поверхностный (0-10 °С) и глубинный (более 20 м) грунт (10 °С). 
Если в качестве источника тепла выбран атмосферный или вентиляционный воздух, применяются тепловые насосы, работающие по схеме «воздух-вода». Насос может быть расположен внутри или снаружи помещения. Воздух подается в его теплообменник с помощью вентилятора. 
При использовании в качестве источника тепла грунтовой воды она подается из скважины с помощью насоса в теплообменник насоса, работающего по схеме «вода-вода», и либо закачивается в другую скважину, либо сбрасывается в водоем.

Эффективность применения теплового насоса

Можно сократить общий расход газа более чем в два раза, либо при наличии альтернативных источников электроэнергии отказаться от него вообще, то для конкретных объектов в настоящее время много зависит от тарифной политики государства, расположения, теплоизоляционных свойств объекта и т. д.

Сравнение текущих расходов на отопление для населения по состоянию на август 2008

• США (Вермонт)
  1000 м. куб. -- 350 долл.
  1 квт.ч. электроэнергии -- 0,12 долл.
  Экономия 27--43%.
• Беларусь
  1000 м. куб. -- 141 600 руб. = 66 долл.
  1 квт.ч. электроэнергии -- 74,7 руб. = 0,0349 долл.
  Это если использовать утвержденные 2007г. во многих странах дифференцированные по времени тарифы, т.е. отключать ТН в периоды максимальных нагрузок энергосистемы с 8.00 по 11.00 и с 19.00 по 22.00, что реально с использованием аккумуляторов тепла. Экономия по сравнению с обычным газовым котлом - всего до 12%.

Пример расчета теплового насоса. 
Исходные условия: теплопотребность коттеджа площадью 120-240 м2 (в зависимости от теплоизоляции) - 12 кВт; температура воды в системе отопления должна быть 35 °С; минимальная температура теплоносителя - 0 °С. Для обогрева здания выбран тепловой насос мощностью 14,5 кВт (ближайший больший типоразмер), затрачивающий на нагрев фреона 3,22 кВт. Теплосъем с поверхностного слоя грунта (сухая глина) q равняется 20 Вт/м. В соответствии с показанными выше формулами рассчитываем: 
1) требуемую тепловую мощность коллектора Qo = 14,5 - 3,22 = 11,28 кВт; 
2) суммарную длину труб L = Qo/q = 11,28/0,020 = 564 м. Для организации такого коллектора потребуется 6 контуров длиной по 100 м; 
3) при шаге укладки 0,75 м необходимая площадь участка А = 600 Ч 0,75 = 450 м2; 
4) общий расход гликолевого раствора Vs = 11,28·3600/ (1,05·3,7·3) = 3,51 м3/ч, расход на один контур равен 0,58 м3/ч. 
Для устройства коллектора выбираем металлопластиковую трубу типоразмера 32. Потери давления в ней составят 45 Па/м; сопротивление одного контура - примерно 7 кПа; скорость потока теплоносителя - 0,3 м/с. 
Выбор оборудования 
Поскольку температура антифриза может изменяться (от -5 до +20 °С) в первичном контуре тепло насосной установки необходим расширительный бак. 
Рекомендуется также установить на возвратной линии накопительный бак: компрессор теплового насоса работает в режиме «включено-выключено». Слишком частые пуски могут привести к ускоренному износу его деталей. Бак полезен и как аккумулятор энергии - на случай отключения электроэнергии. Его минимальный объем принимается из расчета 10-20 л на 1 кВт мощности теплового насоса. 
При использовании второго источника энергии (электрического, газового, жидко- или твердотопливного котла) он подключается к схеме через смесительный клапан, привод которого управляется тепловым насосом или общей системой автоматики. 

В случае возможных отключений электроэнергии нужно увеличить мощность устанавливаемого теплового насоса на коэффициент, рассчитываемый по формуле: f = 24/(24 - tоткл), где tоткл - продолжительность перерыва в электроснабжении. 

В случае возможного отключения электроэнергии на 4 ч этот коэффициент будет равен 1,2. 
Мощность теплового насоса можно подбирать исходя из моновалентного или бивалентного режима его работы. В первом случае предполагается, что тепловой насос используется как единственный генератор тепловой энергии. 
Следует принимать во внимание: даже в нашей стране продолжительность периодов с низкой температурой воздуха составляет небольшую часть отопительного сезона. Например, для центрального региона России время, когда температура опускается ниже -10 °С, составляет всего 900 ч (38 сут), в то время, как продолжительность самого сезона - 5112 ч, а средняя температура января составляет примерно -10 °С. Поэтому наиболее целесообразной является работа теплового насоса в бивалентном режиме, предусматривающая включение дополнительного теплогенератора в периоды, когда температура воздуха опускается ниже определенной: -5 °С - в южных регионах России, -10 °С - в центральных. Это позволяет снизить стоимость теплового насоса и, особенно, работ по монтажу первичного контура (прокладка траншей, бурение скважин и т.п.), которая сильно увеличивается при возрастании мощности установки. 
В условиях Европы для примерной оценки при подборе теплового насоса, работающего в бивалентном режиме, можно ориентироваться на соотношение 70/30: 70 % потребности в тепле покрываются тепловым насосом, а оставшиеся 30 - электрическим котлом или другим теплогенератором. В южных регионах можно руководствоваться соотношением мощности теплового насоса и дополнительного генератора тепла, часто используемым в Западной Европе: 50 на 50. 
Для коттеджа площадью 200 м2 на 4 человек при тепловых потерях 70 Вт/м2 (при расчете на -28 °С наружной температуры воздуха) потребность в тепле будет 14 кВт. К этой величине следует добавить 700 Вт на приготовление санитарной горячей воды. В результате необходимая мощность теплового насоса составит 14,7 кВт. 
При возможности временного отключения электричества нужно увеличить это число на соответствующий коэффициент. Допустим, время ежедневного отключения - 4 ч, тогда мощность теплового насоса должна быть 17,6 кВт (повышающий коэффициент - 1,2). В случае моновалентного режима можно выбрать тепловой насос типа «грунт-вода» мощностью 19 кВт, потребляющий 5,3 кВт электроэнергии или более новый, с более высоким коэффициентом преобразования, тепловой насос с многокомпрессорной системой,  (компрессоры Copeland, контроллер Carel, улучшенные теплообменники нового поколения, система резервирования, мягкий пуск и пр). 
В случае использования бивалентной системы с дополнительным электрическим нагревателем и температурой уставки -10 °С с учетом необходимости получения горячей воды и коэффициента запаса, мощность теплового насоса должна быть 11,4 Вт, а электрического котла - 6,2 кВт (в сумме - 17,6). Потребляемая системой пиковая электрическая мощность составит 9,7 кВт. 
Отметим, что при установке тепловых насосов в первую очередь следует позаботиться об утеплении здания и установке стеклопакетов с низкой теплопроводностью.

Привлекательность тепловых насосов обусловлена следующими факторами:

• они позволяют затрачивать на выработку единицы тепла в полтора-два раза меньше органического топлива.Тепловой насос - максимально экологически чистый источник тепла.В нем не сжигается топливо, значит не образуются вредные окислы типа CO; СO 2; NOx; SO 2 ; PbO 2 . А потому вокруг дома на почве нет следов серной, азотистой, фосфорной кислот и бензольных соединений;
• теплонасосы используют (утилизируют) рассеянное тепло естественного (тепловая энергия воды, воздуха, почвы) или техногенного происхождения (тепло промышленных и сточных вод, вентиляционных труб и дымовых газов, технологических процессов и т.д.) с температурой от 4 до 40°С, то есть тепло, которое может быть эффективно применено с помощью специального оборудования;
• тепловой насос - единственная машина, вырабатывающая тепло с коэффициентом преобразования, достигающим 800%при стоимости тепловой энергии в 1,5 - 2,5 раза ниже по сравнению с котельной;
• высокий уровень автоматизации процесса получения тепла с гибкой схемой, позволяющий получать оптимальное количество тепла для конкретных условий во времени и погодных условий;
• большой срок службы и высокая надежность;

эти агрегаты практически взрыво- и пожаробезопасны. Нет горючего, открытого огня, газов или горючих смесей и потому нечему взрываться, нельзя угореть или отравиться. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки не приводят к поломкам или замерзанию жидкостей. Опасности от устройства не более, чем от холодильника.

Таблица 1

Годовые затраты на отопление 1 кв.м. площади дома разными системами* 

Тип теплогенератора системы отопления	Теплота сгорания топлива	Годовая потребность	Цена энергоносителя	Стоимость энергоносителя, руб.	Затраты для дома площадью 300 м 2, руб
Котел газовый	10,1 кВт-ч/м 3	19,9 м 3	0,98 руб/м 3	19,5	5850
Котел жидкотопливный	10,2 кВт-ч/л	20,2 л	13,3 руб/л	268,7	80610
Котел электрический	-	191,5 кВт-ч	1,13 руб/кВт-ч	216,4	64920
Тепловой насос	-	67 кВт-ч	1,13 руб/кВт-ч	75,7	22713

*данные получены для исходных условий:

• теплопотери дома - 60 Вт/м 2;
• расход на горячую воду - 10% от затрат на отопление. При сложившемся уровне цен на энергоносители теплонасос по экономичности уступают пока только газовым котлам, но заметно выигрывают у жидкотопливных и электрических. Служат до 15-20 лет до капремонта. В перспективе, в связи с ростом цен на все виды топлива, их лидерство обеспечено.
• длительность работы системы в году - 2900 ч.;

тепловой насос экономит 65% электроэнергии.

Типовые затраты 

Капитальные и эксплуатационные затраты типовых зданий
      На сегодняшний день в России стоимость производства тепловой энергии значительно зависит от вида «топлива»: самым дешевым является природный газ, затем электроэнергия и дизельное топливо. Однако, это только сегодняшняя ситуация, цена на энергоносители все время меняется. (табл)

№	Наименование объекта	Площадь м 2	Теплопо-требление, кВт	Стоимость тепловых насосов, тыс. руб.	Стоимость грунтового контура, тыс. руб.	Стоимость прочего оборудования тыс. руб.	Всего, тыс. руб.	Затраты электроэнергии кВт/час
1	9-этажный административный корпус	8000	534	6962	3200	6000	16 162	165
2	Производственно-складское здание	2000	900	8731	11600	6955	27 286	275.4
3	Таунхаус	6000	300	2885	1400 *	-	4 285	91.8
4	Школа	8000	300	2885	6250	1564	10 699	91.8
5	Производственно-складское здание	2000	100	1238	2044	1018	4 300	37.8
				958 *	590 *	800 *	2 348*	30.6
6	Одноквартирный жилой дом	1000	50	555	859	293	1 707	9.9
		500	25	323	408	242	973	4.4
		200	10	217	179	226	622	1.8
7	Автозаправочные станции	220	11	230	184	227	641	3.6
		180	9	203	171	227	601	2.7
		120	6	196	97	218	511	1.8

* отбор тепла осуществляется из грунтовых вод посредством добывающих и поглощающих скважин

Единовременные затраты на создание тепловых пунктов с применением тепловых насосов (А), дизельных котлов (В), электрокотлов (С) окупаются только в варианте с тепловым насосом.

Применение теплового насоса с первого года реализации обуславливает экономию, рост которой предопределяет погашение через 7 лет капитальных затрат на создание теплопункта с тепловым насосом в объеме 662 тыс. рублей. В то же время затраты на применение дизельного котла (вариант В, сумма затрат - 530 тыс. рублей) и электрокотла (вариант С, сумма затрат - 174 тыс. рублей) не окупаются.

Сравнение вариантов А (тепловой насос) с вариантами В (дизельный котел) и С (электрокотел) показывает следующее:

- превышение капитальных затрат варианта А над вариантом В, которое составляет 92,0 тыс. рублей (622,0 - 530,0 тыс. рублей), компенсируется снижением эксплуатационных затрат по варианту А в первый же год на сумму 148,064 тыс. рублей (248,714 - 100,654 тыс. рублей);
- превышение капитальных затрат по варианту А над вариантом С в сумме 448,0 тыс. рублей (622,0 - 174,0 тыс. рублей) компенсируется практически в течении 5 лет за счет экономии эксплуатационных затрат, которая составит 447,46 тыс. рублей.

Учитывая возможность практического использования тепловых насосов в реальных условиях (без учета заработной платы), на рисунке даны графические зависимости всех вложенных затрат нарастающим итогом в зависимости от вида отопления во времени. Из графических зависимостей видно, что уже в первый год суммарные затраты на отопление по варианту В (дизельный котел) выше, чем по варианту А (тепловой насос) и значительно выше, чем по варианту С (электрокотел). В свою же очередь фактические текущие затраты вариантов отопления А и С через 5 лет становятся равными ~ 1 154,0 тыс. рублей, после чего затраты на отопление по варианту С (электрокотел) превышают в дальнейшем аналогичные затраты по варианту А (тепловой насос). Этот момент предопределяется меньшей стоимостью единицы произведенного тепла в пересчете на 1 кВт/час, в результате чего затраты на отопление 1 м 2 площади здания по варианту А (тепловой насос) ниже, чем в варианте С (электрокотел) на 70%, а в варианте В (дизельный котел) ниже на 140%.

Изменение суммарных капитальных и эксплуатационных затрат нарастающим итогом для жилого здания площадью 200 м 2 с внутрипольным отоплением.

Эффективное тепло

Эксперимент по применению новой для Кемеровской области энергоэффективной технологии, который проводит Северо-Кузбасская энергетическая компания, показал положительные результаты.

Два месяца назад на одной из канализационных насосных станций областного центра были установлены шведские тепловые насосы Thermia Robust. Это оборудование позволяет перерабатывать тепло сточных вод (которое колеблется от +12 до +20 градусов) в высокотемпературное тепло (до +60 градусов) для обогрева помещений станции. Тогда как раньше отопление бытовых помещений и машинного зала осуществлялось при помощи электронагревателя. Эта технология широко применяется за рубежом. Тепловой насос может (выкачивать) накопленную за теплое время года энергию окружающей среды- грунта, скальной пароды, водоема. На сточных водах ее пытались внедрить в Новосибирске, однако там не удалось добиться нужного результата.

В процессе разработки проекта для Кемерово сотрудники ОАО «СКЕК» и ОАО «КемВод»  предложили принципиально иную. Работоспособную конструкцию теплообменника. В итоге уже сегодня специалисты отмечают, что затраты на выработку тепловой энергии сократились в 2 раза. При этом в два раза увеличивается  объем отапливаемых помещений, а температура внутри здания повысилась в среднем на 4 градуса. Применение тепловых  насосов новая для Кузбасса и весьма перспективная технология. Ее можно использовать для отопления не только производственных помещений, но и в частном домостроительстве.

Код для цитирования: Скопировать