УДК 620.9

Кутербеков Кайрат Атажанович, д.ф.-м.н., профессор ¹

Абсеитов Ерболат Тлеусеитович к.т.н. ²

Нуралина Маржан Ембергеновна, магистр ³

1. Евразийский Национальный университет им. Л.Н.Гумилева

2. Казахский агротехнический университет им. С.Сейфуллина

3. РГП«Центральная лаборатория биоконтроля, сертификации и предклинических испытаний», КН МОН РК

ТЕПЛОНАСОСНЫЕ УСТАНОВОКИ

В СОВРЕМЕННОЙ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ СИСТЕМЕ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Наиболее эффективной для крупных и средних городов является система централизованного теплоснабжения, основанного на комбинированном способе производства тепла и электроэнергии на ТЭЦ. Но становится все очевиднее, что преимущества комбинированного способа производства тепла и электричества (экономия топлива, дешевизна и т.д.) обесцениваются значительными потерями тепла в протяженных тепловых сетях, огромными затратами на их сооружение, эксплуатацию и ремонт.

Теплоснабжение прямым сжиганием топлива в котельной приводит к потере около 20% первичной энергии. Коэффициент использования первичной энергии примерно равен КПД котельной: К_кт=0,75-0,85П

При рациональном применении тепловых насосов обеспечивается экономия первичной энергии (К_кт>1).

Теплонасосные установки (далее - ТНУ) – это единственные установки, которые производят больше тепловой энергии, чем потребляют, и поэтому справедливо считаются наиболее эффективными источниками высокопотенциального тепла. Назначение установок для отопления помещений состоит в том, чтобы обеспечивать требуемую внутреннюю температуру (около 20⁰С) при любой наружной температуре в отопительный период.

Поскольку в соответствии со вторым законом термодинамики тепловая энергия без каких-либо внешних воздействий может переходить только с высокого температурного уровня на более низкий, для осуществления теплонасосного цикла необходимо использовать приводную энергию. Поэтому процесс передачи энергии в направлении, противоположном естественному температурному напору, осуществляется в круговом цикле.

ТНУ, осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, повышают ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивая в 1,3-2,3 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива.

Тепловые насосы вышли из недр холодильной техники и, как правило создаются и выпускаются заводами холодильного машиностроения. Это одно из важнейших пересечений техники низких температур с энергетикой.

Идеальный коэффициент преобразования Карно (Е) для отопления при средней наружной температуре в течении отопительного периода Т₁=273⁰К и температуре внутри помещения Т₂=293⁰К составляет

Ε=Т₂/( Т₂-Т₁)=18,6 (1)

Существующие отопительные установки с тепловыми насосами имеют коэффициент преобразования, равный лишь определенной доле от названного значения, однако при заданной температуре источника это значение тем больше, чем ниже начальная температура в подающем трубопроводе отопительной сети. В качестве теплоносителя для традиционных нагревательных приборов в жилых и общественных зданиях в большинстве случаев используется горячая вода с температурой 90⁰С и реже с температурой 110⁰С, а на промышленных предприятиях кроме воды используется пар. В этом интервале температур на входе в систему отопления невозможно экономичное применение ТНУ без дополнительных мероприятий. Теплонасосные установки с температурой горячей воды 60⁰С работают с коэффициентом преобразования, находящимся в предельных значениях (и частично ниже), при которых сохраняется экономическая эффективность таких систем, поэтому такой эффект от применения получается при температуре воды в подающей линии с температурой менее 45⁰С, т.е. в низкотемпературных системах отопления.

Эффективность использования ТНУ во многом связана с наличием (выбором) источника низкопотенциальной теплоты. ИНТ может быть выбран для широкого применения однотипных ТНУ в регионе: теплота грунта, грунтовых вод, воды естественных водоемов (в том числе морской воды) и т.п. Однако во многих случаях применение ТНУ определяется локальными условиями конкретного потребителя: наличие местного ИНТ, особенностями использования произведенного тепла ,особенностями местного энергоснабжения и др. В этом случае теплоснабжение с помощью ТНУ вполне может вписаться в имеющуюся централизованную систему города или поселка.

Источником теплоты низкого потенциала в нашем регионе служат преимущественно грунтовые воды (Т= 8 – 15⁰С), грунт (Т= 5 –10⁰С), водопроводная вода (Т= 9 – 20⁰С) и канализационные стоки (Т= 10 – 17⁰С).

Теплонасосные установки целесообразно использовать при переходе к децентрализованным системах теплоснабжения (без протяженных дорогостоящих тепловых сетей), когда тепловая энергия генерируется вблизи ее потребителя, а топливо сжигается вне населенного пункта.

Применение децентрализованных систем теплоснабжения на базе ТНУ в районах, где тепловые сети отсутствуют, либо в новых жилых районах позволяет избежать многих технологических, экономических и экологических недостатков систем централизованного теплоснабжения. Конкурентами им по экономическим параметрам могут быть только районные котельные, работающие на газе (если пренебречь экологическими требованиями).

Согласно СНиП РК 4.02-05-2001 «Отопление и вентиляция» там, где это экономически целесообразно лучше применять ТНУ.

Рассмотрим преимущество ТНУ на примере гидравлического расчета системы отопления для двухэтажного жилого здания, присоединенной к централизованной системе теплоснабжения с параметрами теплоносителя t=150-70⁰С.

Расход воды определяем по тепловой нагрузке и разности температур теплоносителя в системе (95-70)⁰ С

G=3,5Q/ 4,19(95-70), кг/ч (2)

Расчетный расход составил 940кг/ч. Расчетное циркуляционное давление для главного циркуляционного кольца определяем по формуле (3)

Δp_р.ц.=80Σl+Б (Δp_e+ Δp_eтр ), Па (3)

Где Σl – длина участков главного циркуляционного кольца, равная 61м; Б – коэффициент, принимаемый равным 0,4. Расстояние от центра расчетного прибора до центра элеватора теплового пункта h=1,8м; разность плотностей подающей и обратной воды 15,91 кг/м³. Дополнительное давление от охлаждения воды в трубах равно 140Па.

В данном примере расчетное циркуляционное давление равно 5050Па.

Определяем ориентировочные удельные потери давления на трение R_ор на 1м длины кольца. Они составили 50 Па/м.

По заданным расходам на участках и по величине Rор подобраны возможные диаметры труб. В данном случае диаметры стояков 15мм, а магистральных трубопроводов 20, 25 и 32мм.

Для этих диаметров при данных расходах установлены фактические удельные потери давления на трение на 1м длины участка R.

Следующим этапом будет определение потерь давления в местных сопротивлениях. Вначале установлены местные сопротивления на каждом участке и в зависимости от диаметра приняты значения коэффициентов местных сопротивления на каждом участке. В зависимости от скорости течения теплоносителя определены потери давления в местных сопротивлениях участков. Зная потери давления на каждом участке можно определить суммарные потери давления на всех участках главного циркуляционного кольца системы. С учетом того, что необходим запас давления примерно 10% на неучтенные гидравлические сопротивления, получаем суммарные потери давления на в системе в размере 4620,3 Па.

В нашем случае потери давления по предварительному расчету оказались больше тех, которые необходимы для получения достаточного запаса. Поэтому необходимо уменьшить общие потери примерно на 400Па путем изменения диаметров трубопроводов.

Задаваясь на участках минимальным диаметром труб 15мм, получим потери давления в стояке 139,6 Па. Разность давлений в 322,5 Па гасим краном двойной регулировки.

Применяя теплонасосные установки можно снизить потери давления в 12 раз. Кроме этого существенно снижается расход металла , необходимого на прокладку трубопроводов магистрали и стояков.

Применение ТНУ в системах централизованного теплоснабжения позволяет существенно повысить технико-экономические показатели систем городского энергохозяйства, обеспечивая:

1) прирост топливной мощности на величину утилизированной теплоты, ранее выбрасываемой в систему охлаждения технической воды;

2) снижение теплопотерь при транспортировке сетевой воды в магистральных трубопроводах;

3) возрастание отопительной нагрузки (на 15-20%) и снижение дефицита в сетевой воде на ЦТП в удаленных от ТЭЦ микрорайонах;

4) появление резервного источника для покрытия плановых тепловых нагрузок.

Таким образом, применение ТНУ для нужд теплоснабжения дает значительный экономический и энергосберегающий эффекты, возможность использования экологически чистых технологий при отсутствии выбросов в атмосферу вредных веществ и углекислоты.

Литература:

1 Согласно СНиП РК 4.02-05-2001 «Отопление и вентиляция».

2 Программа внедрения тепловых насосов. НПФ «Тритон-ЛТД», г. Нижний Новгород

3 Петин Ю.М. Опыт десятилетия производства тепловых насосов в ЗАО «Энергия»./Энергетическая политика, 2000 г., Вып. 3, - с.29-33

4 Богословский В.Н., Разумов Н.Н., Щеглов В.П. «Отопление и вентиляция», изд. 2., М., Стройиздат.