Проект системы теплоснабжения индивидуального жилого дома (с выбором приоритета

Требуемая теплообменная поверхность:

5. Экономическая оценка проекта.

В работе проектируется установка теплового насоса с плоским подземным контуром для отопления (и кондиционирования, охлаждения) индивидуального жилого дома. Тепловой насос является, работающей без использования органического топлива и, как следствие, без вредных выбросов, систему, которая вырабатывает тепло, используя энергию окружающей среды, в качестве низкопотенциального источника энергии принят грунт на глубине от одного до полуторых метров. Тепловые насосы являются уникальными установками, которые вырабатывают существенно больше тепловой энергии, чем затрачивают электрической.

В качестве рабочего тела применяется хладагент R134а с отсутствующей озоноразрушающей активностью.

Для сравнения принимаем традиционный метод обеспечения теплом, такой как отопление с использованием электрического котла. При работе теплового насоса не осуществляется тепловое загрязнение рек, поскольку сточные воды, нагреваясь в теплообменных аппаратах, остаются в безопасных для окружающей среды температурных диапазонах. Себестоимость генерации тепла меньше, чем в базовом варианте.

Различные тепловые насосы признаются адекватной альтернативой общепринятым источникам теплоты — котельным агрегатам и отоплению за счет электрической энергии, а в ряде случаях, скажем. при отсутствии газоснабжения или малых мощностях в электросетях, единственно возможным источником теплоэнергии. Иногда стоимость подключения газовых вводов сравнима со стоимостью аппаратуры теплонасосной установки и монтажных работ по его подключению. Тепловые насосы выгодно отличаются тем, что применяют возобновляемые и бесплатные источники энергии: уличный и выхлопной воздух систем вентиляции, почва, вода из источников подземных и незамерзающих рек, сбросовые и сточные воды различных технологических процессов. Такие установки имеют отношение произведенной энергии к израсходованной примерно 3−7, что нереально достичь традиционными способами. Тепловые насосы не нуждаются в газоснабжении или содержании топливохранилищ, не влияют на атмосферу, так как не производят никаких выбросов, а также установки взрывобезопасны. Для функционирования теплонасосной установки нужно только электрическая энергия.

Источником информации выступают технико-экономические расчеты, произведенные различными фирмами, выпускающими теплонасосные установки. Цена на тепловой насос зависит от мощности установки, которая измеряется в киловаттах произведенного тепла.

Таблица 5 Удельная стоимость разных тепловых насосов Потребляемая мощность, Nэ, кВт Тепловая производительность, Qk, кВт Удельная стоимость оборудования, руб/кВт Vaillant Vissmann Stiebel Eltron Buderus Mammoth Средняя 1,8 6 61 533 48 956 48 233 52 480 34 213 49 083 3 10 36 566 32 898 32 890 44 123 27 803 34 856 4,8 16 25 296 25 766 22 031 23 442 23 084 23 924 7 20 22 684 24 839 19 950 28 910 21 483 23 573 11 35 19 756 20 603 16 800 22 945 20 701 20 161.

В работе рассчитан тепловой насос тепловой мощностью 20 кВт. Опираясь на средние стоимостные характеристики различных фирм производителей (при расчете приняты наиболее известные модели надежных фирм) рассчитать цену получившегося теплового насоса, используя среднюю удельную цену оборудования 23 573 руб./кВт.

Рассмотрим характеристики расчитанного теплового насоса. Им используется мощность Nэ = 7,44 кВт, а производительность Qк = 20 кВт.

При данных значениях удельная стоимость аппаратуры будет составлять S = 23 573 руб/кВт. Значит, можно вычислить стоимость теплового насоса:

К этой стоимости нужно добавить стоимость труб грунтового теплообменника.

Суммарная длина трубок четырех контуров:

Lгр = 500 + 500 + 513 + 514 = 2027 м.

Используем трубу Hydrosta по цене 40 руб. 90 коп. за 1 метр.

Стоимость трубы:

Земляные работы по укладке трубок (разработка грунта, укладка трубок, обратная засыпка и утрамбовка грунта) стоят примерно 112 руб./м3.

Площадь грунтового теплообменника 1200 м² (по схеме), глубина разработки 1,6 м.

Объем земляных работ:

.

Стоимость земляных работ:

Монтаж и отладка оборудования: Цм = 25 000 руб.

Суммарная стоимость теплонасосной установки:

Рассчитанный тепловой насос направлен на отопление дома в течение практически всего зимнего периода. Рассмотренные тепловые насосы полезно применять для теплоснабжения индивидуальных домов, где имеется электричество, но может не быть органического топлива.

Таблица 6 Характеристики электрического котла Модель (фирма Varmeteknikk) VB 2 (4) 020 Номинальная мощность, кВт 20 Напряжение, В 380 Диапазон регулирования мощности, кВт 15−20−25 Масса, кг 33 Удельная цена, руб./кВт 8785.

Цена, руб. 175 695.

Примечание. Информация предоставлена фирмой «Энергомир».

При сравнительном анализе установки теплового насоса и использования электрического котла, очевидно, что цена теплонасосной установки (794 404 руб.) существенно больше цены электрокотла (175 695 руб.). Но затрачиваемая электроэнергия у теплового насоса существенно меньше, чем у электрокотла:

.

Энергосбережение является крайне важной задачей. Экономия потребляемой электроэнергии приводит к снижению расходов на затраты электроэнергии и сильно уменьшает выбросы углекислого газа в окружающую среду.

Рассчитанный тепловой насос будет функционировать для нужд теплоснабжения частного дома. Отапливать помещения необходимо в отопительный период, что для Московской области приблизительно составляет 209 суток. Значит, помещения будут теплоснабжаться 5016 часов в год. Количество выработанной тепловой энергии рассчитаем по средней температуре отопительного периода, которая для Московской области составляет -4,5оС. Максимальная мощность отопительной системы рассматриваемого дома 27 587 кВт.

Средняя мощность системы отопления:

.

За образец для сравнения принимаем электрический котел с мощностью N = 20 кВт и тепловой насос, спроектированный на мощность 20 кВт. Мощность электрокотла может изменяться на уровне от 15 до 25 кВт.

Поскольку, тепловой насос затрачивает меньше электроэнергии, нежели электрический агрегат, позволяет нам экономить. Благодаря этому, тепловой насос окупает затраты через промежуток времени, в сравнении с электрическим аппаратом.

Экономия денежных средств, при применении теплового насоса в год (руб.):

.

где Сэк = 271 902 руб. — годовые затраты на функционирование электрического котла;

Стн = 171 331 руб. — годовые затраты на работу теплового насоса.

Срок окупаемости устанавливаемого оборудования:

.

где Цтн = 794 404 руб. — стоимость теплового насоса;

Цэк = 175 695 руб. — стоимость электрического котла.

Таблица 7 Результаты технико-экономических расчетов Сравниваемые системы Един. измер. Тепловой насос Электрокотел Номинальная тепловая мощность кВт 20 20 Средняя тепловая мощность за ОП кВт 13,518 13,518 Потребляемая электроэнергия кВт 5 13,518 Число часов работы установки в год ч 5016 5016.

Годовое потребление электроэнергии кВт· ч 25 080 67 806.

Стоимость электроэнергии руб./кВт· ч 4,01 4,01 Годовые затраты на потребляемую эл/эн руб. 100 571 271 902.

Экономия в год руб. 171 331 0 Удельная стоимость оборудования руб./кВт 23 573 8785.

Стоимость установки руб. 794 404 175 695.

Срок окупаемости теплового насоса лет 3,6 ;

6. Мероприятия по охране труда, технике безопасности, экологической безопасности.

6.1 Применение хладагентов.

Искусственное охлаждение основано на проведении термодинамических холодильных циклов тепловых машин, которые базируются на фазовых трансформациях рабочих тел или хладагентов.

Хладагенты, являясь важной неотделимой частью собственно холодильной машины, значительно влияют на применяемую конструкцию. Термодинамические характеристики рабочего тела (например, давление конденсаций рк, давление кипения ро) диктуют конструкцию компрессора, как главного агрегата цикла. Разность этих давлений характеризует нагрузку на рабочие части компрессора. Выбор материала для главных частей зависит от физических свойств хладагента. Кроме всего прочего, хладагент должен соответствовать таким требованиям, как низкая цена, не токсичность, растворимость в масле, не взрывоопасность, и прочим.

Таким образом, от выбора хладагента зависят определенные параметры холодильного агрегата. Выбор хладагента необходимо обосновывать в каждом узком случае, принимая во внимание совокупность всех факторов, влияющих на функционирование холодильной машины и конструктивные тонкости конструкции ее различных элементов.

Важным фактором является применение природных хладагентов: диоксида углерода, углеводородов, воздуха, аммиака и воды.

Диоксид углерода (R744) используется в тепловых насосах в системах ГВС.

Для замены хладагентов R407С и R404А хорошими свойствами обладает пропан, его можно совмещать с минеральными маслами. Углеводороды используют в тепловых насосах, а также в бытовых холодильниках и кондиционерах.

6.2 Анализ использования хладагента R134а а) Свойства используемых в установке реагентов Фреон R134а.

химическая формула С2Н2F4.

плотность пара при р = 760 мм рт. ст. и t = 20 °C 5,26 кг/м3.

критическая температура 101,1°С молекулярная масса 102,0 г/моль плотность жидкости при температуре 25 °C 1206 кг/м3.

температура затвердевания -101,0°С температура кипения при атмосферном давлении -26,1 °С теплота парообразования при 98 кПа 217,1 кДж/кг.

20% водный раствор этиленгликоля.

химическая формула С2Н4(ОН)2.

молекулярная масса 62,0 г/моль температура затвердевания -10°С плотность 1036 кг/м3.

теплоемкость 3,87 кДж/кг.

К теплопроводность 0,5 Вт/мК.

б) Токсичность веществ Холодильный агент R134а, применяемый в рассматриваемой установке, является одним из самым опасных хладагентов по воздействию на здоровье человека.

Фреон R134а классифицируется в группу 1 — он не горит при всех концентрациях паров в воздухе. Хладагент считается нетоксичным по европейской классификации.

Предельно допустимая концентрация хладагента R134а составляет 1000 мл/м3.

Хладагент R134а зоне открытого огня и горячих поверхностей при температуре выше 400 °C разлагается с выходом высокотоксичных веществ, таких как фтористоводородная кислота и фосген. Резкий запах, исходящий от разложившегося хладагента, приводит к возникновению у человека раздражения слизистой горла и носа .

в) Пожарои взрыво характеристики веществ, используемых в технологическом процессе.

При выходе вещества на воздух, происходит испарение некоторого количества жидкого фреона. Хладагент R134а не взрывоопасен и не производит с кислородом воздуха горючей смеси.

Для смазки компрессора используется масло ХФ12−16.

Плотность при 20 °C 0,874 кг/м3.

Температура застывания -58°С Температура вспышки 225 °C г) Вероятность поломки теплового насоса, представим дерево отказов:

Рис. 20. Дерево отказов Для недопущения роста давления выше возможного предела, установка обеспечена средствами автоматики. Монтируются релейные и автоматические защиты на компрессор:

1) защита от увеличения давления нагнетания;

2) защита от увеличения давления всасывания;

3) реле поддержания разности давлений между нагнетанием и давлением масла;

4) реле температуры, обеспечивает температуру масла при отводе его из маслоохладителя.

Аппараты установки производятся сварными (конденсатор, испаритель). Контроль качества сварных соединений на заводе-изготовителе осуществляется способом проникающего излучения.

Требуемый процент ревизии сварных швов:

для трубного пространства конденсатора 25%;

для трубного пространства испарителя 25%;

для межтрубного пространства конденсатора 50%;

для межтрубного пространства испарителя 50%.

Так как по техническим причинам гидравлические испытания теплообменных аппаратов невозможны, то их заменяют пневматическими испытаниями на прочность на такое же пробное давление воздухом или азотом.

Под давлением испытания аппарат должен выдерживаться полчаса, после чего давление уменьшается до рабочего, при котором осуществляется осмотр с проверкой герметичности швов и разъемных креплений мыльным раствором.

д) Опасность поражения электрическим током Теплонасосная установка устанавливается в помещении [24], которое является помещением с высокой опасностью улара током. Это влажное помещение с полом из токопроводящих материалов (бетонный, металлический), когда есть вероятность прикосновения человека к частям под напряжением и заземленным предметам.

(помещение с высокой опасностью).

При пробое изоляционного материала для снижения напряжения на обечайке агрегата до 42 В предполагается защитное заземление с сопротивлением. Для изоляции применяются коррозионностойкие материалы. Кабели и провода резиновой и поливинилхлоридной изоляцией.

Рис. 21. Дерево отказов.

6.3 Экологическая безопасность Особенностью рассматриваемой теплонасосной установки признается целесообразность ее применения вместо котельной, работающей на жидкое, газообразное топливо или твердое.

Замена традиционного источника на тепловой насос дает существенное снижение выбросов вредных веществ в атмосферу. Поскольку система герметично, возможность загрязнения природы выбросами холодильного агента практически отсутствует.

Циркулирующая в установке вода закрыта в герметичном контуре, значит, она не связана с загрязнением окружающей среды.

Применяемый в установке компрессор позволяет уменьшить шум поскольку сжатие паров рабочего тела осуществляется в масляной среде, которое гасит звуковую волну.

Тепловые загрязнения окружающей среды:

где N = 15 кВт — теплопроизводительность;

— время эксплуатации установки, где — эффективное время функционирования за год;

— срок службы установки.

При производстве тепловой энергии на электростанции в атмосферу улетает углекислый газ в количестве:

ТЕWI — полный коэффициент парникового эффекта, где α = 0,52 кг.

СО2/кВт — доля СО2, выбрасываемого при производстве электроэнергии;

В = 9,314· 105 — суммарное количество электроэнергии, потребляемое за весь период службы;

М = 21,3 кг — полная масса фреона;

QWP = 0,25 — потенциал глобального потепления.

При возгорании [18] в результате короткого замыкания применяются огнетушители углекислотные ОУ-2, ОУ-5.

При возгорании масла применяют огнетушитель бромэтиловый ОУБ-3. Этот противопожарный инвентарь должен находиться в машинном отделении.

Около теплового насоса должны находиться не менее 2 пар резиновых перчаток, защитные рукавицы и очки, изолирующий противогаз и аптечка .

Перед входом в помещение установки нужно включить вытяжной вентилятор. При существенной утечке фреона или функционировании в загазованном помещении вентилятор должен работать постоянно.

При выявлении утечек фреона используются галоидные лампы.

Помещение с тепловым насосом оборудуется пожарной сигнализацией, оснащенной датчиками.

Машинную часть помещения теплонасосной установки [17] проектируют с приточной и вытяжной вентиляцией.

Проектов предусмотрена вентиляция с механическим побуждением с кратностью воздухообмена 3 для приточной вентиляции и 4 для вытяжной, которая одновременно является и аварийной.

Заключение

.

В данной работе рассматривается возможность сооружения теплонасосной установки с подземным контуром для теплоснабжения частного дома. Тепловой насос будет обеспечивать часть потребности на отопление.

Также в работе рассматривается возможность применения солнечных коллекторов, установленных на крыше дома для обеспечения нагрузки на горячее водоснабжение.

В ходе проектирования установка теплового насоса на отопление и солнечных панелей признана целесообразной.

Рассмотрены вопросы безопасной эксплуатации. Рассчитаны технико-экономические показатели.

Список используемой литературы.

М.И. Френкель. Поршневые компрессоры. — Л.: Машиностроение, 1969 -743 с.

Н.Н. Кошкин, И. А. Сакуна и др. Холодильные машины. — Л.: Машиностроение, 1985 — 542 с.

Техника низких температур под редакцией И. П. Усюкина. — М.: Пищевая промышленность, 1977 — 244 с.

Е.М. Бамбушек, Н. Н. Бухарин и др. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин. — Л.: Машиностроение, 1987 — 424 с.

Холодильные компрессоры. Справочник под ред. А. В. Быкова и др. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981 — 279 с.

Н.М. Чернавский. Курсовое проектирование деталей машин. — М.: Машиностроение, 1989.

Данилова Г. Н., Богданов С. Н. и др. «Теплообменные аппараты холодильных установок» — Л.: Машиностроение, 1986 — 303 с.

Михеев М.А., Михеева И. М. «Основы теплопередачи» — М.: Энергия, 1973;320 с.

Идельчик И.Е. «Справочник по гидравлическим сопротивлениям» — М.: Машиностроение, 1975 — 560 с.

П.Свечков И. Н., Ярославский А. М. Технология компессоростроения.

М.Машиностроение, 1978. 200 с ил.

Ястребова Н. А. Технология машиностроения: Учебник для студентов, обучающихся по специальности «Холодильные и компрессорные машины и установки». — М.: Машиностроение, 1987. — 336 с: ил.

Н.Хайнрих Т., Найорк ., Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. — М.: Стройиздат, 1985. — 351с.

ГОСТ 12.

2.003−91 Оборудование производственное. Общие требования безопасности.

ГОСТ 12.

1.005−88 Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.

ГОСТ 12.

2.049−80 (2001) Оборудование производственное. Общие эргономические требования.

ГОСТ 12.

2.016−81 Оборудование компрессорное. Общие требования безопасности.

ГОСТ 12.

1.004−91 ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования.

СНиП II -4−79. Естественное и искусственное освещение + Изменение М.: Стройиздат, 1980.-48 с ГОСТ 12.

1.038−82 (2001) ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов.

ГОСТ 14 202.

Трубопроводы промышленных предприятий.

ГОСТ 12.

1.030−81. Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление. Система стандартов безопасности труда.

ГОСТ 12.

4.051−87. Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты органа слуха.

ГОСТ 12.

1.019−79 (1996) ССБТ. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты.

http://www.kipexpert.ru.