Шляхи ВИКОРИСТАННЯ ТЕПЛОВИХ НАСОСІВ

Теплові насоси дозволяють одночасно вирішувати такі проблеми, як енергозбереження, зменшення ендогенного впливу на довкілля, економія енергетичних ресурсів і поліпшення умов роботи теплоенергетичних виробництв.

Джерелами низькопотенціальної теплоти, які забезпечують енергетично ефективну та економічно доцільну роботу теплонасосних установок, можуть бути:

- ґрунтові води, які зберігають протягом року постійну температуру на рівні плюс 8 - плюс 12 °С;

- підземний ґрунт на глибині від 2 до 50 м при температурі плюс 10 — плюс 14 °С;

- морська вода з мінімальною температурою в зимовий період плюс 5 - плюс 8 °С;

- зовнішнє повітря з температурою в зимовий період до мінус 3 - мінус 5 °С;

- технічні води систем охолодження установок;

- скидні промислові низькотемпературні стоки і повітряні викиди підприємств;

- стічні води очисних споруд населених пунктів;

- тепло молока на молочно-тваринних фермах тощо.

До переваг теплових насосів можна віднести:

- зменшення витрат на транспорт палива;

- зниження капіталовкладень у теплові мережі;

- зниження витрат на експлуатацію теплових мереж;

- можливість повної автоматизації систем теплопостачання.

Однією з найважливіших особливостей теплонасосних установок є їх універсальність відносно виду використаної енергії (електричної, теплової). Це дозволяє оптимізувати паливний баланс енергетичного джерела шляхом заміщення більш дефіцитних енергоресурсів менш дефіцитними.

Іще однією перевагою теплонасосних установок є широкий діапазон потужностей (від частки кіловат до десятків тисяч кіловат), який перекриває потужності будь-яких існуючих теплових джерел, у тому числі малих і середніх ТЕЦ.

Використання теплонасосних установок перспективне в комбінованих схемах у сполученні з іншими технологіями використання поновлювальних джерел енергії (сонячної, вітрової, біоенергії), оскільки дозволяє оптимізувати параметри поєднуваних систем і досягати найбільш високих економічних показників. Використання теплонасосних установок робить значний внесок в економію непоновлювальних енергоресурсів із допомогою технологій альтернативної енергетики.

Теплонасосні установки використовуються в різних галузях: опалення, гаряче водопостачання, кондиціонування повітря, одночасне охолодження одних об’єктів та нагрівання інших тощо.

Схему утилізації теплоти вихідного повітря будинку теплообмінником і тепловим насосом для опалення і гарячого водопостачання показано на рисунку 4.6.7.

Рисунок 4.6.7. - Схема будинку з використанням скидної теплоти в теплообміннику (а) і тепловому насосі (б) 1 - вентилятор; 2 - теплообмінник; 3 - відхід повітря з туалету; 4 - подача повітря в спальню; 5 - відхід повітря з кухні; 7 - гаряче водопостачання; 8 - система гарячої води; 9 - конденсатор теплового насоса; 10 - тепловий насос потужністю 300 Вт; 11 - бак гарячої води; 12 - нагрівання від газового котла, який вмикається при температурі скидного бака нижче 10 °С, і бака гарячої води нижче 60 °С; 13 - скидання з миючих машин; 14 - скидання з ванни; 15 - вентиляційне повітря; 16 - випарювач теплового насоса; 17 - скидання; 18 - бак 350 л

Подана система утилізації теплоти повітря-повітря разом з тепловим насосом дозволяє звести до мінімуму споживання енергії на опалення та гаряче водопостачання.

В тих випадках, коли вихідні гази печей кухні дуже нагріті, їх можна змішувати з більш холодними вентиляційними викидами, а потім направляти у випарювач теплового насоса безпосередньо, або з

використанням теплообмінника для попереднього підігрівання свіжого повітря, яке прямується в приміщення та у випарювач.

Можна використовувати як джерело низькопотенціальної теплоти скидну воду будинку. Однак у цьому разі у зв’язку з нерегулярним характером скидів від ванн, душових, пральних машин слід використовувати тепловий акумулятор, від якого теплота за допомогою теплового насоса передається резервуару з гарячою водою. В останньому при недостатній температурі може використовуватися зовнішнє джерело підігрівання води.

Схему використання енергії землі для опалення й гарячого водопостачання окремих будинків з використанням теплових насосів зображено на рисунку 4.6.8.

а) б)

Рисунок 4.6.8 - Схеми контуру теплообмінника для теплового насоса

будинків

Перша схема використовується при достатніх розмірах земельної ділянки, друга - при обмеженій. При горизонтальному закладенні трубопроводів оптимальна глибина становить 1 м, мінімальна відстань між паралельними трубопроводами - 0,8-1 м. Орієнтовне значення теплової потужності, яка припадає на 1 м трубопроводу, становить 20-30 Вт. Слід зазначити що при правильному зрахунку трубопровідний контур не впливає на зелені насадження.

Принципово можливе і перспективне використання теплової енергії землі для теплопостачання великих будинків (наприклад шкіл), які мають достатню площу земельних ділянок.

Значний ефект використання теплонасосних установок можна отримати при використанні викидів низькопотенціальної теплоти на ТЕЦ. Це досягається прямим використанням охолоджувальної технічної води тепловим насосом в обхід градирні, коли тепловий насос розміщено поблизу ТЕЦ.

Теплонасосні установки не мають конкуренції при додатковому будівництві в центрі міст, де існуючі системи теплопостачання перевантажені, будівництво додаткових котелень недопустиме, а використання електричної енергії для опалення дуже марнотратне.

Теплонасосні установки малої теплової потужності (1-15 кВт) можуть бути ефективно використані для індивідуального теплопостачання споживачів у сільській місцевості (індивідуальні будинки, котеджі, фермерські господарства тощо).

В сільськогосподарському виробництві основні сфери використання теплових насосів - первинна обробка молока і теплопостачання стійлових приміщень. На молочних фермах значна чатка енерговитрат (до 50%) припадає на привод компресорів холодильних машин, призначених для охолодження свіжовидоєного молока і нагрівання води для санітарно-технологічних потреб. Таке поєднання потреб у теплоті і холоді створює сприятливі умови для використання теплових насосів.

4.6.1 Екологічні та економічні аспекти використання

енергії довкілля

Використання теплових насосів дає суттєвий внесок у поліпшення екологічної обстановки за рахунок відсутності процесу горіння для отримання теплової енергії, а також за рахунок утилізації теплових відходів виробництв, що, таким чином захищає біосферу від теплового забруднення.

З використанням теплових насосів забезпечується екологічно чистий метод опалення і кондиціонування, оскільки не відбувається емісія СО2, NOx та інших викидів. До того ж відсутні алергенно - шкідливі викиди в приміщення, оскільки відсутнє паливо, що спалюється, і не використовуються заборонені хладагента.

Оцінки показують, що для вдало спроектованих систем опалення коефіцієнт перетворення kn знаходиться в межах від 2,5 до 6-8.

Зазначимо, що вже при кп > 2 ,5-3 використання теплонасосних

установок може бути вигіднішим, ніж теплопостачання від ТЕЦ та індивідуальних котелень.

Теплонасосна установка дозволяє отримати на 1 кВт затраченої потужності 3-7 кВт теплової потужності або 15-25 кВт потужності по охолодженню на виході. Система виключно довговічна (служить від 25 до 50 років) не потребує особливого догляду.

Економічна ефективність теплонасосних установок, які споживають електроенергію та економлять паливо, тим вища, чим дешевша електроенергія і дорожче паливо.

Якщо тепловий насос споживає електричну енергію, що виробляється на ТЕС, то відбувається подвійне перетворення енергії: теплота - електроенергія - теплота. Для визначення доцільності перетворення з точки зору палива необхідно знати числові значення коефіцієнтів, які характеризують ефективність роботи теплового насоса і котельної установки, а саме:

- ге — ККД теплової установки, що виробляє електроенергію;

- гі ~~ ККД котельної установки для теплопостачання;

І ТС *"

- кп — коефіцієнт перетворення теплового насоса;

- гем - коефіцієнт, який враховує втрати електроенергії в трансформаторі і мережі;

- Лиг м ~ коефіцієнт, який враховує втрати в тепловій мережі. Коефіцієнт економії палива при подвійному перетворенні енергії

визначається за виразом

Якщо К > 1, то тепловий насос дає економію палива, якщо К < 1, то перевитрату палива.

Техніко-економічний аналіз, на основі якого можна зробити висновок відносно переваги тієї або іншої системи теплопостачання, повинен базуватися на співставленні двох факторів: одноразових капітальних витрат і поточних витрат.

Теплонасосні системи опалення стають рентабельними, якщо витрати на електричну енергію в них приблизно дорівнюють витратам на паливо в котельних установках.

Розглянемо схему потоків для різних видів опалення (рисунок 4.6.9). При теплонасосному теплопостачанні первинної енергії палива витрачається приблизно втричі менше порівняно з електроопаленням і приблизно в півтора разу менше порівняно із традиційним опаленням від котельні. Разом із тим, питома вартість пристроїв для перетворення теплової енергії помітно вища за вартість традиційних теплопарогенераторів, і цим пояснюється обмежене нині їх використання.

За попередніми оцінками, використання теплонасосних установок дозволить практично вдвоє знизити витрату палива на потреби теплопостачання, знизити теплове забруднення довкілля, отримати можливість вирівнювання графіків електричного навантаження як споживачів-регуляторів. При цьому також створюються можливості подальшої експлуатації морально застарілих ТЕЦ при зменшенні в них питомих витрат палива.

При опаленні:

електричному

Теплота у дім 1,0

Енергія палива 2,85

від котельні

Теплота у дім 1,0

Енергія палива 1,40

Втрати в довкілля 0,61

від теплового насоса

Електростанція

тшмш

Енергія палива 0,94

електроенергія 0,33

Теплота у дім 1,0

Енергія

довкілля 0,67

Рисунок 4.6.9 - Схема потоків для різних видів опалення

4.6.2 Використання енергії довкілля у світі

В багатьох розвинених країнах теплові насоси є основою енергозберігаючої політики. Значного поширення сьогодні в системах опалення вони набули в США, Канаді, Швеції, Данії, Нідерландах, Німеччині, Японії та інших країнах.

В США в цей час в експлуатації знаходяться мільйони теплонасосних установок, із них більше половини в житлово - комунальному секторі; для ЗО % котеджів, що будуються, передбачено оснащення тепловими насосами; при новому будівництві громадських будинків використовуються виключно теплові насоси, що закріплено Федеральним законодавством США.

Економічна доцільність використання теплових насосів у Японії зумовлена необхідністю літнього кондиціонування, автономністю проживання населення (більше 2/3 населення проживає в односімейних будинках), заміною обігріву з використанням світлих нафтопродуктів або електрообігріву: вартість виробництва теплоти з допомогою теплових насосів компресійного типу в 1,3—1,5 разу нижча в порівнянні з гасовим опаленням, в 2-3 рази нижча в порівнянні з газовим, в 3,5 разу нижча ніж електричного.

У Швеції з початку 1980-х років відбувалося інтенсивне впровадження теплонасосних установок, причому характерним було використання установок тепловою потужністю більше ЗО МВт. Джерелом низькопотенціальної теплоти служать в основному очищені стічні води, морська вода і скидна вода промислових підприємств. Найбільш потужна Стокгольмська установка (320 МВт) використовує теплоту води Балтійського моря, собівартість теплоти цієї установки на 20 % нижча за собівартість теплоти від котелень. Кількість теплоти, що виробляється теплонасосними установками у Швеції, вже досягла 50 % від потрібного.

В Німеччині в експлуатації знаходяться сотні тисяч теплонасосних установок, які використовуються у водяних, а також у повітряних системах опалення та кондиціонування повітря. В Німеччині виділяється найбільша серед розвинених країн державна дотація з бюджету: за 1 кВт теплової потужності пущеного в експлуатацію теплового насоса виплачується 400 марок.

У Швейцарії перші теплонасосні установки були впроваджені в 30-х роках минулого століття. Нині в експлуатації знаходяться десятки тисяч теплонасосних установок в основному невеликої теплової потужності.

Використання теплових насосів у зарубіжних країнах стимулюється урядами шляхом зниження податків на виробництво теплових насосів, що зменшує їх вартість, або шляхом виплати субсидій на їх придбання і встановлення.

Так, у Данії передбачена 10 %-на позика і довгостроковий кредит на придбання і встановлення теплових насосів; у Франції знижується податок на витрати, пов’язані із заміною бойлера тепловим насосом; у Німеччині субсидується 25 % капітальних вкладень на теплонасосну установку або зниження податку в розмірі 10 % на 10 років; в Австрії передбачені пільгові виплати сім’ї, яка придбала тепловий насос.

Щодо використання теплових насосів за кордоном можна зробити висновки [6]:

- використання теплових насосів забезпечує економію первинних енергетичних ресурсів і у всіх випадках вигідно державі;

- найбільший ефект використання теплонасосних установок дає в умовах жаркого клімату, коли установка працює на виробництво теплоти і холоду, або за умовах протяжного опалювального сезону, коли забезпечується значна абсолютна економія палива при використанні теплових насосів;

- заміна прямого електричного опалення теплонасосною системою економічно та енергетично доцільна за будь-яких умов;

- перспективним напрямом використання теплових насосів є комбінування з піковими підігрівачами інших типів;

- найбільше розповсюдження у світі отримали теплові насоси з приводом від електричного двигуна; привод від теплового двигуна доцільно використовувати для насосів великої одиночної потужності;

- теплові насоси класу „вода-вода”, „вода-повітря” енергетично більш ефективні, ніж насоси класів „повітря-повітря”, „повітря- вода”;

- умовою економічної доцільності теплових насосів з електроприводом є відносно невисока вартість електричної енергії при більш високій вартості заміщуваного палива; теплових насосів із приводом від теплового двигуна потребує дешевизни палива, яке використовується двигуном;

- характерною особливістю закордонних теплових насосів є їх універсальність щодо використовуваних холодильних агентів, індивідуальний підбір теплообмінної апаратури.

Згідно з прогнозам Світового енергетичного комітету, до 2020 р. 75 % теплопостачання (комунального і виробничого) в розвинених країнах буде відбуватися з використанням теплових насосів.

Важливою умовою ефективного використання теплових насосів є наявність низькопотенціальних джерел теплової енергії. Довкілля теоретично може розглядатися як невичерпне джерело низькопотенціальної енергії для теплових насосів, однак у практичному плані належить враховувати реальні температурні рівні низькотемпературних джерел.

Наприклад, у кліматичних умовах Південного берега Криму зовнішнє повітря із середньою зимовою температурою 6-8 С виявляється прийнятним джерелом теплоти, головна перевага якого полягає в доступності та безмежності. Для решти районів України, де

повітря взимку охолоджується до температури мінус 2° С та нижче, його використання в теплових насосах призвело б до таких низьких значень коефіцієнта перетворення, що перетворення енергії не було б ефективним.

Найбільш універсальним джерелом низькопотенціальної теплоти для більшої частини України є ґрунт, який зберігає впродовж усього

року постійну температуру на рівні 8 —12°С, забезпечуючи, таким чином, ефективну роботу теплових насосів. Енергетичний потенціал низькопотенціальної теплоти ґрунту та ґрунтових вод наведений рисунку 4.6.10 [7].

Рисунок 4.6.10 - Енергетичний потенціал низькопотенціальної теплоти ґрунту та ґрунтових вод

У будь-якому випадку важливо, щоб це була природна енергія чи теплові технологічні викиди різних виробництв. Якщо ж намагатися використовувати в теплових насосах низькотемпературні теплоносії, вироблені в результаті спалювання палива, наприклад воду зі зворотного трубопроводу системи централізованого теплопостачання, то економії первинного палива при цьому не буде.

Використання енергетично ефективного теплонасосного обладнання в Криму дозволить також вирішити проблему зниження викидів шкідливих речовин в атмосферу на існуючих теплових джерелах, що значно підвищить екологічну безпеку, особливо в районах санітарно-курортної забудови Північного берега Криму, де до охорони довкілля ставляться особливо підвищені вимоги.

Україна, як і всі країни СНД, значно відстає від розвинених країн у практичному використанні теплонасосного обладнання. Це було зумовлено низьким рівнем цін на електроенергію та паливо. З різким зростанням ціни на паливо ситуація змінилася і створилися економічні умови використання теплових насосів. При утилізації теплоти поновлювальних джерел енергії і низькотемпературних вторинних енергетичних ресурсів теплові насоси можуть забезпечити до 5 % виробництва теплової енергії в Україні. Теплонасосні станції потужністю 25-100 МВт, які здатні добувати теплову енергію з великих природних водоймищ, систем зворотнього водопостачання підприємств, стічних вод міст, можуть замінити традиційні котельні, запобігаючи при цьому екологічним втратам, що завдаються спалюванням палива.