УДК 697

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В СИСТЕМАХ ОТОПЛЕНИЯ МАЛОЭТАЖНЫХ ЖИЛЫХ ДОМОВ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ

Сериков С.В.1, Мухамедов Р.Ю.1
1БГТУ им. Шухова

Аннотация
Рассмотрена возможность использования экологически чистых возобновляемых источников теплоты в системах создания микроклимата в малоэтажных жилых домах. Дан анализ источников низкопотенциального тепла для теплонасосной установки, указаны достоинства и недостатки различных способов съема теплоты и показана перспективность использования теплоты грунтов в системах отопления малоэтажных жилых домов.

Ключевые слова: малоэтажные жилые дома, отопление


PROSPECTS FOR THE USE OF HEAT PUMPS FOR HEATING LOW-RISE APARTMENT BUILDINGS OF THE BELGOROD REGION

Serikov S.V.1, Muhamedov R.Yu.1
1BGTU im. Shuhova

Abstract
The possibility of using ecologically clean renewable heat systems of microclimate in low-rise residential buildings is considered. The analysis of low-grade heat source for the heat pump system, are the advantages and disadvantages of different methods of heat removal and shows promising use of ground heat for heating of low-rise residential buildings is made.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Сериков С.В., Мухамедов Р.Ю. Перспективы использования тепловых насосов в системах отопления малоэтажных жилых домов Белгородской области // Современные научные исследования и инновации. 2011. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2011/06/964 (дата обращения: 30.09.2017).

Жилищная политика, проводимая правительством Белгородской области, направлена на создание условий для обеспечения всех категорий населения доступным, качественным и благоустроенным жильем. Решение жилищной проблемы является одним из основных направлений реализации программы улучшения качества жизни населения области. С 2003 года реализуется областная «Стратегия развития жилищного строительства на территории Белгородской области до 2010 года», приоритетом которой является строительство индивидуального жилья.

В настоящее время в области создана необходимая нормативная и законодательная база, действует структура управления индивидуальным жилищным строительством, составлен реестр земель, предназначенных для размещения индивидуального жилищного строительства, определены землепользователи. Под строительство жилья выделено 13,2 тыс. Га земли, сформировано около 90 микрорайонов застройки, на которых располагается более 30 тыс. участков под индивидуальное строительство. По каждому микрорайону разрабатываются планы застройки, которыми предусмотрены в обязательном порядке места под строительство объектов социально-культурного назначения.

По объему введенного жилья в расчете на 1000 человек населения Белгородская область занимает 1-е место среди регионов ЦЧР, среди регионов ЦФО – 2 место после Московской области. Динамика строительства отражена в табл. 1.

В 2011-2014 годах завершится формирование нового механизма регулирования тарифов и услуг, который характеризуется устранением перекрестного субсидирования между территориями и группами потребителей электроэнергии и повышением стоимости электроэнергии до 0,15-0,16 долларов США за кВт, и переходом с 2011 года к ценам на газ, определяемым на основе равной доходности для внутренних и внешних потребителей.

Таблица 1

Строительство жилья в Белгородской области в 2003-2007 годах

Показатели Годы
2003 2004 2005 2006 2007
Ввод в действие жилых домов, тыс.кв.м 671,2 807,4 830,8 938,8 1064,0
Темп роста к предыдущему году, % 101,2 120,3 102,9 113,0 113,3
В том числе
населением за счет собственных и заемных средств, тыс.кв.м 355,1 386,2 486,3 637,6 665,3
темп роста к предыдущему году, % 109,1 108,8 125,9 131,1 104,3
Удельный вес жилых домов, построенных населением за счет собственных и заемных средств, в общем вводе жилых домов, % 52,9 47,8 58,5 67,9 62,5
Ввод в действие жилых домов на 1000 человек населения, кв. м общей площади 444 534 550 621 702
Темп роста к предыдущему году, % 101,1 120,3 103,0 112,9 113,0

Благодаря перспективным разработкам в сфере тепловой генерации стоимость энергоресурсов, необходимых для получения 1 кВт тепла, произведенного от сжигания углеводородного топлива и преобразованного из электрической энергии, сравняются в цене.

Исходя из того, что углеводороды являются не только топливом, но и технологическим сырьем, целесообразность использования его для преобразования в продукцию будет доминировать. К тому же углеводороды являются невозобновляемым источником энергии и в итоге конечны. Прогноз использования природного газа как топлива в долгосрочной перспективе не ясен, поэтому в нашей работе мы принимаем за основу генерацию тепла на основе электрической энергии.

При генерации тепла для целей отопления жилых помещений используются различные параметры теплоносителя. Исходя из того, что малоэтажное жилье обогревается в основном за счет индивидуальных источников теплоснабжения, рассматриваются в основном два параметра теплоносителя – высокотемпературный 90/70 и низкотемпературный – 40/35.

Температурный график 40/35 используется в основном в панельных системах отопления – напольном отоплении, стеновых и потолочных панелях. Наиболее практичными в настоящем случае являются напольные системы отопления – удобны в монтаже, эффективны с точки зрения распределения тепла по помещению, технологичны в обслуживании. Теплогенератором могут быть газовые конденсационные котлы с КПД 97-98%, электрокотлы с КПД 98%, тепловые насосы.

Использование температурного графика 40/35 благодаря напольному отоплению позволяет снизить температуру внутри помещения на 2-3 градуса без потери ощущения комфорта, что ведет к экономии газа для стандартных котлов на 8-11%. Наилучший эффект в экономии энергоресурсов достигается при использовании теплонасосной установки с напольной системой отопления.

Теплонасосная установка представляет собой систему, состоящую из трех элементов:

- источник низкопотенциального тепла;

- тепловой насос, преобразующий низкопотенциальную энергию в тепловую энергию теплоносителя;

- система нагрева помещений до состояния комфорта.

Тепловой насос – устройство для переноса тепловой энергии от источника с более низкой температурой к источнику с более высокой температурой. В процессе работы теплового насоса действуют два процесса:

- рабочее вещество (хладагент) снимает энергию при испарении и отдает энергию при конденсации;

- температура кипения рабочего вещества изменяется в зависимости от давления.

Принцип работы теплового насоса основан на том, что хладагент испаряется в камере с невысоким давлением и низкой температурой и конденсируется в камере с высоким давлением и большой температурой, осуществляя перенос энергии.

В процессе работы компрессор затрачивает электроэнергию. На каждый затраченный киловатт-час электроэнергии тепловой насос вырабатывает 2,5-5 киловатт-часов тепловой энергии. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (преобразования) теплоты и служит показателем эффективности теплового насоса. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина.

Поэтому, при проектировании системы теплоснабжения с использованием теплового насоса необходимо учитывать следующее условие: масса низкотемпературного источника теплоты должна быть больше, чем масса нагреваемого тела. Это позволить не переохлаждать низкотемпературный источник и выдержать требуемую разность температур.

Отличие теплового насоса от топливных источников тепла состоит в том, что для работы, кроме энергии для компрессора, ему нужен также источник низкопотенциального тепла, в то время как в традиционных источниках тепла вырабатываемое тепло зависит исключительно от теплотворной способности топлива.

Проблема привязки теплового насоса к источнику низкопотенциального тепла, имеющего большую массу, может быть решена введением в тепловой насос системы массопереноса, например, системы прокачки воды.

Различают несколько режимов работы теплового насоса [1]:

- моновалентный режим: тепловой насос является единственным теплогенератором для отопления и приготовления горячей воды. Источник тепла должен быть рассчитан на круглогодичную эксплуатацию оборудования;

- моноэнергетический режим: теплоснабжение обеспечивается двумя теплогенераторами, снабжаемыми одним и тем же энергоносителем. Тепловой насос используется в комбинации с устройством дополнительного электронагрева для покрытия пиковой нагрузки. При этом устройство дополнительного нагрева устанавливается в подающей лини установки утилизации тепла. При необходимости к нему подключается регулятор. Доля потребности в теплоте, покрываемая устройством дополнительного электронагрева, не должна превышать 15%;

- бивалентный альтернативный режим: наряду с тепловым насосом для покрытия потребности в теплоте установлен второй теплогенератор, использующий энергоноситель, отличный от используемого тепловым насосом. При этом тепловой насос работает только до так называемой «бивалентной точки» (например, температура наружного воздуха 0 градусов), а при более низких температурах передает теплоснабжение второму теплогенератору (например, газовому или жидкотопливному котлу). Данный режим работы часто применяется для установок утилизации тепла с высокими температурами подающей линии. При этом тепловой насос может покрывать 60-70% годовой работы (в климатических условиях центральной Европы);

- бивалентный параллельный режим: наряду с тепловым насосом для покрытия потребности в теплоте установлен второй теплогенератор, использующий энергоноситель, отличный от используемого тепловым насосом. Начиная с определенного значения температуры наружного воздуха, для покрытия потребности в теплоте дополнительно включается второй теплогенератор. Этот режим требует возможности работы теплового насоса вплоть до самых низких температур наружного воздуха.

Источниками низкопотенциального тепла для преобразования теплонасосной установкой являются: воздух, вода в водоемах, грунт, грунтовые воды, техногенное вторичное тепло.

Воздух как источник низкопотенциального тепла представляет самую дешевую систему нагрева. В основном используется схема воздух-воздух в системах кондиционирования воздуха помещений с помощью «Сплит» агрегатов с функцией теплового насоса. Однако эффективность такой системы очень сильно зависит от температуры наружного воздуха. С достижением порога -5 оС тепловой насос перестает обеспечивать тепловой фактор, позволяющий вести экономию энергоносителя и начинает работать как нагреватель прямого действия, а при достижении температуры воздуха -10 оС система перестает работать вследствие технических ограничений оборудования. Такие параметры воздушной среды не позволяют рассматривать теплонасосные установки как основные источники теплоснабжения объектов в связи с высокими погодными рисками. При создании бивалентных систем нагрева воздуха в помещениях, где используется два вида теплоагрегатов – газовый котел и воздушный тепловой насос, такая комбинация оборудования может дать ощутимый эффект, однако он достаточно капиталоемок и не позволяет системе быть моноэнергетической.

Вода в водоемах является оптимальным источником тепловой энергии, так как обеспечивает максимальный теплообмен между системами теплового насоса. Существует две системы отбора тепла: открытая и закрытая. Открытая – с подачей воды из водоема непосредственно к тепловому насосу. Стоимость такой системы невелика, однако обслуживание достаточно трудоемко, так как включает затраты на насосы и фильтры в водоеме, теплообменники низкопотенциального контура теплонасосной установки. Дополнительным риском является возможность замерзания воды во время транспортирования к тепловому насосу. Для регионов центральной и северной части России такая система неприемлема. Закрытая система состоит из замкнутого контура, представляющего группу трубопроводов, опущенных на дно водоема. Теплообмен ведется через стенки трубопроводов, что позволяет использовать антифризы для предотвращения замерзания теплоносителя в зимнее время и снижения рисков. При расчете систем необходимо учитывать глубину водоема и возможность его полного промерзания.

Использование грунтовой воды в качестве низкопотенциального источника теплоты дает максимальный эффект, а наличие водоносных горизонтов представляет собой наиболее емкий источник термального тепла. Обычно температура грунтовых вод составляет 8-10 градусов. Для выработки тепла теплонасосной установке требуется получить порядка 5 градусов. Обратная вода имеет температуру 3-5 градусов. Основными требованиями к грунтовым водам являются – их нейтральный химический состав, нейтральная кислотность, отсутствие взвешенных и абразивных веществ, требуемый дебет скважины для покрытия пиковых нагрузок системы отопления. К факторам риска относится гарантированный дебет водоносных скважин. Высоко расположенные водоносные горизонты характеризуются нестабильным расходом воды, а практическая эксплуатация водоразборных скважин показывает их средний срок службы 15-20 лет.

Перспективным направлением является использование техногенного вторичного тепла. К техногенному вторичному теплу можно отнести – нетехнологичное тепло от производственных процессов, обратные трубопроводы пара перед конденсатосборниками, тепло обратных трубопроводов котельных, тепловых сетей, стоки промышленной и бытовой канализации предприятий, городская канализация, тепло отходящего воздуха от технологических процессов, тепло вытяжной вентиляции промышленных, общественных, жилых зданий.

Особенностью такого рода тепла является его привязанность к технологическому процессу его возникновения и как следствие – неравномерность поступления и гарантированность образования первичного тепла. К постоянным источникам можно отнести – тепловые сети и котельные социально значимых объектов, городская канализация.

Сложность исполнения теплонасосных систем в данном случае заключается в интеграции низкопотенциальных контуров в существующие технологические процессы и системы. К тому же проблемным является транспорт тепла к месту его потребления.

Грунт является наиболее стабильной средой с точки зрения температуры. Верхний слои земли подвержены температурным колебаниям, в особенности в зоне глубины промерзания. Для Белгородской области глубина промерзания равна 1,2 м [2]. Далее идет зона нейтральных температур до 20 метров. Температура в этой зоне составляет 8-10 градусов и вполне пригодна для размещения мелкозалегающих контуров. Свыше 20 метров происходит повышение температуры, связанное с переносом геотермального тепла из более глубоких слоев. Повышение температуры составляет в среднем 3 градуса на каждые 100 м глубины. Рациональным считается использование грунтов до глубины 200 метров. При больших глубинах возрастает стоимость изыскательских и проектных работ, стоимость бурения, трудоемкость работ по опусканию теплосъемных зондов в скважину и повышается риск их повреждения. Для теплосъема низкопотенциального тепла существуют две схемы исполнения систем: горизонтальная и вертикальная.

Горизонтальная система представляет собой сеть замкнутых трубопроводов, укладываемых в почву ниже глубины промерзания грунта. Целесообразность данной схемы определяется рядом факторов – технологической возможностью проведения вскрышных работ на большой площади, низкой пригодностью грунта для сельскохозяйственных и садоводческо-декоративных работ, наличием требуемой площади земли, максимальной открытости используемой площади для дополнительной инсоляции. Выполнение работ не требует специализированной буровой техники. Вертикальная система является комплексом вертикальных трубопроводов – зондов, которые размещаются в скважинах от 20 до 200 метров глубиной. Зонд представляет собой гидравлическую петлю, имеющую специальный оголовок, обеспечивающий беспрепятственный спуск на требуемую глубину. Зонды бывают 2-х, 4-х трубные, коаксиальные. В настоящее время широкое применение получили 4-х трубные зонды.

Наиболее перспективным для исследований и применения в климатической зоне Центральной России является использование теплонаносных систем с отбором низкопотенциального тепла грунтовыми вертикальными зондами. Ценность черноземов, их достаточно большой слой (до 800 мм) определяет целесообразность использования скважинных методов заложения теплообменников.

Для обеспечения эффективной работы теплонасосной установки необходимо иметь относительную стабильность температур низкопотенциального источника тепла, достаточную теплоемкость источника на всем периоде работы системы, распространенность источника тепла.

Основное влияние на процесс теплопередачи тепла от грунта к зонду оказывают влажность грунта, наличие пустот и пор, теплопроводность грунтов, а так же материал зондов. Эти факторы необходимо предварительно исследовать для каждого случая применения теплонасосной системы. В табл. 2 приведены усредненные данные о количестве теплоты, получаемого с метра зонда при заложении в различных породах [3].

Таблица 2

Удельный отбор теплоты отдельных видов грунтов

Грунт Удельный отбор теплоты
Общие нормативные показатели
Сухая осадочная порода. (λ< 1,5 Вт/(м*К) 20 Вт/м
Твердая каменная порода и насыщенная водой осадочная порода (λ= 1,5-3,0 Вт/(м*К) 50 Вт/м
Твердая каменная порода с высокой теплопроводностью (λ> 3,0 Вт/(м*К) 70 Вт/м
Отдельные породы
Галька, сухой песок < 20 Вт/м
Галька, влажный песок 55-65 Вт/м
Влажная глина, суглинок 30-40 Вт/м
Известняк (массивный) 45-60 Вт/м
Песчаник 55-65 Вт/м
Гранит 55-75 Вт/м
Базальт 35-55 Вт/м
Гнейс 60-70 Вт/м

Для обеспечения равномерности теплопередачи между тепловым контуром и грунтом используют заполнение полостей бентонитовым наполнителем. Бентонит является монтмориллонитосодержащей глиной, что обуславливает его высокую влагоемкость и способность образовывать плотное монолитное тело вокруг зонда. Однако запасы высококачественных бентонитов ограничены. Они находят широкое применение в буровой технике, литейном производстве, горнорудном производстве при получении железорудных окатышей и т.д. Учитывая дефицит и относительно высокую стоимость бентонитов для заполнения грунтовых коллекторов целесообразно использовать местные каолинитовые глины.

В Белгородской области наиболее перспективными источниками возобновляемой теплоты являются грунты, сложенные глинистыми, суглинистыми и супесчаными породами. Как видно из табл. 2, насыщенные водой осадочные породы имеют более высокую теплопроводность, чем сухие породы. Наличие в грунтах глинистой составляющей обеспечивают повышенную влажность в течение года.

Одним из застраиваемых участков под ИЖС Белгородской области является пос. Северный Белгородского района. На глубине от 5,4 до 23 м, с шагом 1,8 м, были взяты пробы грунта, для которых определена плотность и теплопроводность. Результаты измерений представлены в табл. 3.

Таблица 3

Теплопроводность грунтов, залегающих на различной глубине

№ пробы Глубина залегания, м Размеры образца, мм Толщина образца, мм Масса образца, кг Плотность образца, кг/м3 Теплопроводность образца, Вт/(м*К)
1 5,4 150х150 24 1,019 1887 1,118
2 9 150х150 20 0,860 1911 1,174
3 12,6 150х150 20 0,888 1973 1,230
4 16,2 150х150 20 0,850 1888 1,200

 

Как видно из табл. 3, теплопроводность грунта возрастает с увеличением глубины залегания. Наибольшие значения коэффициентов теплопроводности имеют глинистые породы с глубиной залегания более 12 м. Согласно данным табл. 2, при расчете глубины и количества скважин необходимо использовать величину удельного отбора теплоты с 1 метра зонда, равную q = 20 Вт/м.

Таким образом, для внедрения теплонасосной установки в жилищное строительство целесообразно иметь более полную информацию о возможностях потенциальных источников теплоты в зависимости от расположения отапливаемого объекта.

 

Список литературы

  1. Хайнрих Г., Найорк Х., Нестлер В. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. – М.: Стройиздат, 1985. – 351с.
  2. СНиП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика / Госстрой СССР. – М.: ЦИТМ Госстроя СССР, 1986.
  3. Инструкция по проектированию теплонасосных установок: материалы компании Viessmann, 2004. – 96 с.


Все статьи автора «Serikov»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: