Особенности применения компрессионных тепловых насосов в системах отопления

Преимущественно в мире (> 95%) в системах теплоснабжения используются парокомпрессионные ТН (тепловые насосы). Рабочий цикл парокомпрессионного ТН иллюстрирует рис. 1.

Перегретые пары агента засасываются из испарителя «И» компрессором «КМ», несколько нагреваются в промежуточном теплообменнике «ТО» и поступают в конденсатор «КД».

Далее жидкий агент, отдав некоторое количество теплоты парообразному хладагенту в промежуточном теплообменнике «ТО», проходит через регулирующий вентиль «РВ», хладагент направляется в испаритель «И». Теплота от низкопотенциального (НПИ) источника поступает в испаритель (И) ТН, где отдает свою теплоту рабочему телу, например фреону. Образовавшийся пар фреона при сжатии в компрессоре нагревается до 80 — 95 °C и поступает в конденсатор (К), где, конденсируясь, отдает свое тепло в систему отопления. Охлажденный жидкий фреон поступает в дроссель, где дросселируется до давления, при котором фреон переходит в парообразное состояние при температуре НПИ, и цикл повторяется.

Рис. 1. Расчетная схема фреонового компрессионного ТН. И — испаритель; КМ — компрессор; КД — конденсатор; РВ — регулирующий вентиль; ТО — промежуточный теплообменник. — температура воды на входе в конденсатор; - температура воды на выходе из конденсатора; - температура воды на входе в испаритель; температура воды на выходе из испарителя

В расчете на единицу тепла исходного топлива ТЭС или котельная производят мощность:

кВт, где — КПД ТЭС или котельной. Если эта мощность будет затрачена на привод ТН, то он отберет от НПИ тепло и передаст потребителю при необходимой ему температуре количество тепла:

.

где — коэффициент преобразования ТН. В результате потребитель получит тепло в количестве, кВт:

(1).

теплонасосный парокомпрессионный энергетический Из формулы (1) видно, что если произведение, то .

Поскольку КПД современных ТЭС не ниже 35%, а котельных ~ 75%, при этом коэффициент преобразования ТН, как правило, не ниже 3, то в худшем случае. В большинстве случаев независимо от типа ТН и типа привода компрессора на единицу затраченного исходного топлива потребитель получает в 1,2−2,8 раза больше теплоты, чем при прямом сжигании этой единицы исходного топлива. Это достигается тем, что ТН вовлекает в полезное использование тепло НПИ источника естественного происхождения (теплота грунта, грунтовых вод, природных водоемов, солнечная энергия) или техногенного происхождения (промышленные стоки, очистные сооружения, тепло вентиляционных выбросов и т. п.) с температурой от +3 до +40°С, т. е. такое тепло, которое не может быть напрямую использовано для теплоснабжения.

Коэффициент преобразования ТН определяется формулой:

(2).

Полученное выражение является определением коэффициента преобразования ТН, и, соответственно, оно применимо во всех случаях.

Все это предопределило быстрое развитие теплонасосного теплоснабжения в мире. Вообще, теплонасосное теплоснабжение из всех видов нетрадиционной энергетики является наиболее быстро развивающейся отраслью, и в некоторых развитых странах оно уже является главным конкурентом традиционной теплоэнергетики, основанной на сжигании органического топлива. В соответствии с прогнозами Мирового энергетического комитета (МИРЭК) к 2020 г. в развитых странах 75% тепла для отопления и горячего водоснабжения будет поступать от тепловых насосов.

Швеция — безусловный мировой лидер в практическом использовании тепловых насосов — уже сейчас около 60% необходимого для теплоснабжения тепла получает от теплонасосных установок. Причем применение ТН в Швеции стало настолько массовым, прежде всего по экономическим соображениям, что когда в 1985 г. в стране был проведен опрос населения на тему «Какое из видов отопления жители страны предпочитают?», то 95% опрошенных ответили — теплонасосное. В Швеции работают две самые мощные ТНС на 320 и 200 МВт; обе на низкопотенциальном тепле Балтийского моря, температура воды которого в отопительный период составляет всего 5 — 6 °C. И в других развитых странах — США, Швейцарии, Японии, Франции и т. д. — развитие теплонасосного теплоснабжения подтверждает прогнозы МИРЭК.

В 1972 г., когда лаборатория натурных испытаний Института теплофизики СО АН СССР запускала на Камчатке первую в России теплонасосную станцию и, когда словосочетание «тепловой насос» было малоизвестно, в мире тогда работало всего около 100 000 штук ТН, в основном малой мощности (10…20 кВт), сейчас уже работают около 40 млн. Штук.

Практически неисчерпаемым источником дешевой тепловой энергии является тепло канализационных стоков. Температура хозяйственно-бытовых канализационных стоков колеблется в пределах 15 — 25 °C и даже в самый холодный период года не опускается ниже 10 °C. С канализационными стоками в природу сбрасывается огромное количество тепла. Эта тепловая энергия на данный момент никак не используется.

На канализационно-насосной станции «Коммунальное теплоснабжение Краматорска» (данные станции) неочищенные хозяйственно-бытовые стоки, поступающие по канализационным коллекторам, собираются в подземном приемном резервуаре, после чего перекачиваются на очистные сооружения с помощью фекальных насосов. Неочищенные сточные воды, имеющие температуру около 20 °C, из приемного резервуара фекальными насосами подаются в теплообменник-утилизатор, где отдают теплоту промежуточному теплоносителю (воде), охлаждаясь до температуры 12 — 14 °C, после чего по трубопроводу возвращаются в резервуар. В теплообменнике-утилизаторе предусмотрены специальные щетки, которые периодически очищают теплообменные поверхности со стороны фекальных вод. Станция перекачки канализационных стоков в г. Краматорске находится на расстоянии 70 метров от действующей котельной, в которой планируется разместить теплонасосное оборудование.

Для сглаживания неравномерности потребления горячей воды и уменьшения единичной мощности оборудования рядом с котельной установлены баки-аккумуляторы горячей воды (два теплоизолированных бака объемом 5 м³ каждый). На канализационно-насосной станции неочищенные хозяйственно-бытовые стоки, поступающие по канализационным коллекторам, собираются в подземном приемном резервуаре, после чего перекачиваются на очистные сооружения с помощью фекальных насосов. Неочищенные сточные воды, имеющие температуру около 20 °C, из приемного резервуара фекальными насосами подаются в теплообменник-утилизатор, где отдают теплоту промежуточному теплоносителю (воде), охлаждаясь до температуры 12 — 14 °C, после чего по трубопроводу возвращаются в резервуар. Нагретый в теплообменнике-утилизаторе до 10 — 12 °C промежуточный теплоноситель подается в испаритель теплового насоса, где охлаждается до температуры 8 °C, отдавая теплоту хладону парокомпрессионного контура, и вновь направляется в теплообменник-утилизатор. Образующиеся в испарителе пары хладона сжимаются в компрессоре и конденсируется при высокой температуре, нагревая проходящую через конденсатор сетевую воду.

Подобная теплонасосная установка мощностью 2000 кВт, работающая с использованием теплоты канализационных стоков и предназначенная для подогрева водопроводной воды перед котлами районной тепловой станции, была введена в эксплуатацию в г. Зеленограде в 2004 году (ж. АВОК, № 5 2004г). Испытания показали высокую эффективность установки. В процессе первого цикла испытаний была достигнута экономия энергии 65%. Авторы отмечают, что планируется достичь 75% экономии энергии.

Впервые в Японии, в районе Koraku 1-chome в Токио, для теплоснабжения района установлена система теплоснабжения, использующая тепло необработанных сточных вод. Как ожидается, использование тепла сточных вод уменьшит потребление энергии и выброс парниковых газов. Применение этой системы уменьшает потребление энергии на 20%, выброс CО2 и NOx на 40 и 37% соответственно.

Сточные воды уже использовались в других проектах как источник низкопотенциального тепла для тепловых насосов. Однако проект в Токийском районе Koraku 1-chome уникален тем, что впервые в Японии используются неочищенные, необработанные сточные воды. Это позволяет использовать тепловые насосы не только на очистных станциях, но и на станциях перекачки и канализационных сетях.

На станции в Токийском районе Koraku 1-chome смонтированы 3 тепловых насоса, 2 с охлаждающей способностью 10,5 МВт и нагревающей способностью 12,8 МВт каждый и 1 тепловой насос с охлаждающей способностью 3,9 МВт и нагревающей — 5 МВт. Этот насос используется периодически, когда возникает необходимость подачи горячей и холодной воды одновременно. Расход сточных вод, проходящих через станцию, составляет до 129 600 м3 в день. Станция охлаждает воду до +7 °C и нагревает до +47 °C и обеспечивает этой водой здание общей площадью 126 400 м2, подавая ее через тепловую сеть, выполненную по 4-трубной схеме, проложенную под землей на глубине 7 — 8 м.

Очищаются трубы теплообменника установленными внутри щетками. Для выравнивания тепловой нагрузки и использования недорогого ночного электричества на станции установлены баки-аккумуляторы общим объемом 1 520 м3.

В настоящей работе анализируются условия применимости для систем теплоснабжения (отопления и горячего водоснабжения) от НПИ в виде сточных канализационных неочищенных вод в условиях городов и поселков Республики Татарстан (РФ) в сравнении с газовой котельной малой и средней теплопроизводительности, а также с ТЭЦ.

Использовалась стандартная методика расчета парокомпрессионной теплонасосной установки на фреоне R 22.

Рассчитывалась тепловая нагрузка на ТН условной мощностью 20 000 кВт для обеспечения отопления потребителей при помощи радиаторов с температурой теплоносителя ~ 80 °C. Результаты расчетов приведены в табл. 1.

Таблица 1 — Параметры ТН для покрытия тепловой нагрузки в 20 000 кВТ.

В табл. 1 приведены следующие параметры: — температура фреона в конденсаторе; - температура фреона в испарителе; - теплопроизводительность фреона; - удельная работа сжатия в компрессоре; - массовый расход циркулирующего агента, требуемый для отвода теплопритоков; - адиабатическая мощность сжатия в компрессоре; - действительная (индикаторная) мощность сжатия; - мощность на валу компрессора (эффективная мощность); - тепловой поток на конденсатор; - коэффициент преобразования ТН.

Далее рассчитывалась тепловая нагрузка на ТН условной мощностью 20 000 кВт для обеспечения отопления потребителей при помощи панельно-лучистого отопления (плоскими панелями), которые требуют температуру теплоносителя ~ 40 °C. Результаты расчетов приведены в табл. 2.

Таблица 2 — Параметры ТН для покрытия тепловой нагрузки в 20 000 кВТ.

Для обоснования целесообразности применения ТН в системе теплоснабжения с тепловой нагрузкой 20 000 кВт (17,2 Гкал/ч) в данной работе проведена экономическая оценка. Расчет проводился на количество теплоты (от котельной, ТЭЦ) или электрической энергии (имеются в виду электродвигатели компрессора), полученных потребителем в течение одного часа.

В расчетах учтены только производственные затраты в ТН и расценки единицы теплоты от районной котельной, ТЭЦ и электрической энергии в ЖКХ в 2009 году.

Производственные затраты при работе ТНУ расчитывались из следующих соображений:

• — стоимость одного кВт•часа принята = 2,25 руб;
• — весь расчет производится на работу установки в течение одного часа.

Расчет стоимости отопления с радиаторами от ТН (= 80 °C).

Затраты на эксплуатацию для обеспечения потребляемой тепловой нагрузки в количестве 20 000 кВт составит:

при температуре сточных вод 10 °С:

руб.

при температуре сточных вод 15 °С:

руб при температуре сточных вод 20 °С:

руб.

при температуре сточных вод 25 °С:

руб.

Расчет стоимости производственных затрат панельно-лучистого отопления от ТН (= 40 °C).

Затраты на эксплуатацию для обеспечения потребляемой тепловой нагрузки в количестве 20 000 кВт составит:

при температуре сточных вод 10 °С:

руб.

при температуре сточных вод 15 °С:

руб.

при температуре сточных вод 20 °С:

руб.

1. Отопление от газовых котлов.

По данным министерства энергетики РТ стоимость 1 Гкал/час в зависимости от местоположения котельной — город или сельская местность? колеблется в пределах 900 — 1200 руб. Для сравнения примем стоимость 1 Гкал/час — 1200 руб. Так как потребная тепловая нагрузка составляет 17,2 Гкал/ч (20 000 кВт), то в течение 1 часа потребители должны оплатить руб.

2. Отопление от ТЭЦ.

По данным министерства энергетики РТ стоимость 1 Гкал/час тепловой энергии составляет ~ 500 руб. Таким образом, потребляемая в течение 1 часа тепловая нагрузка будет стоить руб.

Полученные данные сравниваем с данными для источников с газовыми отопительными котлами и централизованной системой отопления от ТЭЦ.

Расчетные данные сведены в табл. 3 и в виде графических зависимостей представлены на рис. 2.

Таблица 3 — Стоимость производственных затрат теплоты от различных источников при потреблении 20 000 кВт за 1 час.

Расчеты показали, что при ипользовании ТН в системах отопления, где в качестве отопительного прибора используются радиаторы при температуре теплоносителя в них ~ 80 °C и температурой воды в канализационных стоках в пределах = 10 — 25 °C, коэффициент преобразования = 2,5 — 3. В том случае, если использовать панельно-лучистый способ отопления помещения с температурой воды в панелях ~ 40 °C при тех же температурах воды в канализационных стоках, коэффициент преобразования ТН = 6 — 11.

Рис. 2. Зависимость производственных затрат на эксплуатацию различных источников для систем отопления на 20 000 кВт потребленной теплоты от температуры НПИ

Анализируя графические зависимости представленные на рис. 2, можно отметить, что с ростом температуры фреона (температуры НПИ) в испарителе от 5 до 20 °C ТН стоимость производственных затрат в случе использования традиционного способа (радиаторного) отопления помещений уменьшается с 30 тыс. руб. за 20 000 кВт· час потребленной теплоты в системе теплоснабжения для ТН до 25 тыс. руб. При этом затраты потребителя на закупку теплоты в условиях Республики Татарстан от газовой котельной составляют ~ 21 тыс. руб. и от ТЭЦ — ~ 8,5 тыс. руб. Таким образом, отопление от ТН с использованием сточных канализационных вод в качестве НПИ не может конкурировать с котельными и, тем более, с ТЭЦ.

Экономическая ситуация резко меняется, если использовать панельно-лучистое отопление помещений. Стоимость теплоты величиной 20 000 кВт· час отпущенной потребителю в течение одного часа почти в два раза ниже, чем от газовой котельной, и соизмерима с теплотой от ТЭЦ.

Следует иметь в виду, что с учетом капитальных затрат (на покупку и ввод в эксплуатацию ТНУ) стоимость одноступенчатой установки может быть значительной. По данным ЗАО «Энергия» стоимость 1 Гкал/ч расчетной тепловой мощности составит ~$ 1000 США (31 000 руб.). В данных исследованиях не ставилась задача расчета времени окупаемости.