Источники энергии для тепловых насосов

В качестве источника теплоты для ТН могут быть использованы любые низкопотенциальные источники энергии – атмосферный воздух и вода открытых водоемов (солнечная энергия), грунтовые воды, теплота грунта (геотермальный источник), теплота сбросных теплоносителей (жидких или газообразных) промышленного и бытового происхождения, и т.п. Тип используемого источника во многом определяет конструкцию «котла» для ТН, и оказывает существенное влияние на его технико-экономические характеристики. Прежде всего это связано с температурным потенциалом источника и его стабильностью во времени. На рисунке ниже приведены типичные сезонные распределения температур атмосферного воздуха (Ambient Air), грунта (Earth) и грунтовых вод (Groundwater).

Рис. 1. www.retscreen.net

Как видно из рисунка, наиболее стабильным источником являются грунтовые воды (температура 5...10 °С). Температура грунта также достаточно стабильна, и на протяжении отопительного сезона практически не опускается ниже +5°С. Наиболее нестабильный источник – атмосферный воздух. Несмотря на то, что для условий г. Киева, например, среднемесячная температура самого холодного месяца (января) составляет порядка -5°С, кратковременно температуры воздуха могут опускаться и ниже -30°С. Понятно, что в последнем случае необходим резервный пиковый источник энергии (обычно это электрокотел). Использование теплоты грунта также имеет свои особенности – в зависимости от возможностей размещения коллектора он может быть горизонтальным или вертикальным.

a. Геотермальный горизонтальный контур

Основные компоненты геотермальной системы отопления с закрытым горизонтальным контуром циркуляции теплоносителя показаны на Рис.2. Система включает тепловой насос 1, контур циркуляции («геотермальный котел») 2, и систему распределения теплоты у потребителя 3.

Рис. 2.

Основной отличительной особенностью рассматриваемой схемы является горизонтальный контур циркуляции теплоносителя. Он выполняется из пластиковых труб диаметром 32...50 мм, расположенных в траншеях глубиной не менее 1,2 м. Наиболее распространенные способы укладки труб в траншеях иллюстрирует Рис.3.

Рис. 3.

Мощность, отбираемая коллектором от грунта, в основном зависит от условий теплопередачи, и в каждом конкретном случае требует расчета. В среднем для условий Украины на погонный метр трубы можно получить порядка 20...30 Вт. Таким образом, на каждый кВт мощности ТН необходим коллектор длиной около 50 м, для чего потребуется участок площадью 50 м2. Т.е. участка площадью в 1 сотку достаточно для размещения «геотермального котла» мощностью порядка 3 кВт.

b. Геотермальный вертикальный контур

В тех случаях, когда невозможно использовать участок достаточных размеров для размещения горизонтального контура, используют вертикальный замкнутый контур циркуляции теплоносителя – Рис.4. Такой контур требует значительно меньше площади и может быть создан с минимальными нарушениями ландшафта. Обычно такая схема используется для мощных систем отопления. Контур закладывается в вертикальные скважины глубиной от 30 до 120 м. U - образные трубы размещаются в скважинах и коммутируются в последовательно-параллельный контур. Вертикальный контур требует меньшего количества труб, т.к. температура грунта увеличивается с глубиной, и на глубинах более 8 м вообще не подвержена сезонным колебаниям. Несмотря на то, что закладка вертикального коллектора – наиболее дорогостоящая схема использования геотермальной энергии, она получила достаточно большое распространение при создании систем теплоснабжения крупных объектов.

Рис. 4.

c. Грунтовые воды

Более экономичным вариантом использования геотермальной энергии является открытая схема циркуляции грунтовых вод. Для создания такой схемы бурят как минимум две скважины, одна из которых служит напорной, а вторая дренажной (Рис.5). Грунтовые воды из первой скважины прокачивают через теплообменник ТН (или через промежуточный теплообменник), где они отдают тепло в испаритель ТН, а затем сливаются обратно в водоносный горизонт через дренажную скважину. Съем энергии в такой схеме составляет порядка 5 кВт на каждый куб.м/час расхода воды. Для обеспечения необходимого дебета может понадобиться дополнительное количество скважин.

Рис. 5.

d. Воды открытых источников

Более экономичным вариантом использования геотермальной энергии является открытая схема циркуляции грунтовых вод. Для создания такой схемы бурят как минимум две скважины, одна из которых служит напорной, а вторая дренажной (Рис.5). Грунтовые воды из первой скважины прокачивают через теплообменник ТН (или через промежуточный теплообменник), где они отдают тепло в испаритель ТН, а затем сливаются обратно в водоносный горизонт через дренажную скважину. Съем энергии в такой схеме составляет порядка 5 кВт на каждый куб.м/час расхода воды. Для обеспечения необходимого дебета может понадобиться дополнительное количество скважин.

e. Схема «воздух-вода»

Более экономичным вариантом использования геотермальной энергии является открытая схема циркуляции грунтовых вод. Для создания такой схемы бурят как минимум две скважины, одна из которых служит напорной, а вторая дренажной (Рис.5). Грунтовые воды из первой скважины прокачивают через теплообменник ТН (или через промежуточный теплообменник), где они отдают тепло в испаритель ТН, а затем сливаются обратно в водоносный горизонт через дренажную скважину. Съем энергии в такой схеме составляет порядка 5 кВт на каждый куб.м/час расхода воды. Для обеспечения необходимого дебета может понадобиться дополнительное количество скважин.

Рис. 6.

Эффективность ТН всегда будет выше единицы, однако при снижении температуры воздуха снижается и мощность ТН, в то время как потребности системы отопления в мощности при этом растут. При определенной температуре наружного воздуха в системе отопления достигается точка равновесия (Balance Point), при которой мощность ТН равна мощности, необходимой для отопительной системы. При дальнейшем снижении температуры ТН уже не способен обеспечить потребности системы отопления, и возникает необходимость в дополнительном источнике энергии. При проектировании систем отопления с ТН «воздух-вода» в качестве расчетной точки равновесия обычно выбирают минимальную среднемесячную температуру. Как показали проведенные исследования, использование ТН «воздух-вода» целесообразно в регионах, в которых минимальная среднемесячная температура не ниже -5°С. При этом до 95% потребности в тепловой энергии может быть обеспечено за счет теплового насоса, а среднесезонный СОР достигает значения 2,5. Для покрытия пиковых нагрузок в такой схеме обычно используют дополнительный электрический нагреватель.

f. Теплоноситель системы централизованного теплоснабжения

Применение ТН позволяет многократно повысить эффективность систем централизованного теплоснабжения. Дело в том, что существующие системы отопления рассчитаны на температуру теплоносителя не менее 65°С. При более низкой температуре они не способны выполнять свои функции. Поэтому теплоноситель с температурой ниже 60...70°С возвращается на ТЭЦ. В то же время теплосодержание такого теплоносителя все еще велико, и может даже превышать полезную нагрузку централизованной системы теплоснабжения. Использование такого теплоносителя в качестве источника теплоты для ТН позволяет создавать высокоэффективные замкнутые схемы теплоснабжения крупных жилых, общественных и производственных комплексов.

Наши объекты