Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии разработано ОАО "инсолар-инвест" (Васильев Г.
| Вид материала | Руководство |
- Рекомендации участников международного Круглого Стола «Опыт применения энергоэффективных, 54.29kb.
- Эффективность и перспектива использования тепловых насосов в городском хозяйстве Москвы, 103kb.
- Программа повышения квалификации профессорско-преподавательского состава высших учебных, 183.06kb.
- Виды нетрадиционных возобновляемых источников энергии и технологии их освоения Пицунова, 95.83kb.
- Учебный курс «Экология инженерных систем» Модуль 3 «Использование возобновляемых источников, 57.39kb.
- Программа подготовки: Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии Квалификация, 130.18kb.
- Рабочей программы дисциплины Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (наименование), 32.41kb.
- Нормативно-техническое регулирование в области возобновляемых источников энергии, 182.94kb.
- Краевая целевая программа "энергосбережение, развитие возобновляемых источников энергии, 349.61kb.
- Рабочая учебная программа дисциплины для специальности 43. 01. 02 00 "Электроэнергетические, 78.42kb.
2.7. Комбинированное использование низкопотенциального тепла вытяжного воздуха, условно-чистых стоков и грунта
2.7.1. Принципиальная схема системы, использующей комбинацию теплоты вытяжного воздуха, условно-чистых стоков и грунта, представлена на Рис. 9.
Рис. 9. Система, использующая комбинацию теплоты вытяжного воздуха, условно-чистых стоков и грунта
1 - вытяжные шахты; 2 - теплоутилизатор; 3 - вентилятор; 4 - расширительный бак;
5 - испаритель; 6 - компрессор; 7 - бак аккумулятор; 8 - конденсатор; 9 - теплообменник на сточных водах; 10 - система сбора тепла грунта
Система предназначена для полного замещения нагрузки горячего водоснабжения всего жилого дома с температурой горячей воды 55 °С и рассчитана на средний часовой расход (в соответствии со СНиП 2.04.01-85*) за счет установки баков - аккумуляторов горячей воды.
2.7.2. Основным источником низкопотенциального тепла является вытяжной воздух, охлаждаемый в воздухо-жидкостном теплоутилизаторе до 10-12 °С.
2.7.3. Дополнительными источниками низкопотенциального тепла служат система утилизации сбросного тепла условно-чистых сточных вод и система сбора тепла грунта.
Сточные воды, подобно внешнему воздуху, являются низкотемпературным источником тепла, который особенно удобен для использования тепловыми насосами. Сточные воды при температуре около +20 °С летом и редко менее +8 °С зимой имеются, как правило, во всех городских застройках. В очищенном либо необработанном виде они могут использоваться как источник тепла. Неочищенные сточные воды обычно имеют большую температуру, их источник расположен, как правило, вблизи расположения теплого насоса, но их применение часто приводит к засорению трубопроводов и блокированию теплообменных поверхностей.
Тепловые насосы, предназначенные для извлечения тепла сточных вод, целесообразно размещать либо вблизи городских очистных сооружений, либо в больших зданиях, где имеется большое количество относительно чистых сточных вод. Сезонный коэффициент преобразования тепла таких установок весьма высок (2,53,5), и, соответственно, экономические показатели достаточно хорошие. Пока трудно оценить общие возможности таких установок, но их создание возможно почти на всех станциях по обработке сточных вод. Теоретически количество утилизированного тепла может быть сопоставлено с полным энергопотреблением на производство горячей воды.
3. СИСТЕМЫ СБОРА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ГРУНТА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЗЕМЛИ
Грунтовые теплообменники систем сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта, или систем теплосбора, могут укладываться в земле горизонтально, в траншеи, и вертикально, в буровые скважины. Поскольку их функциональные характеристики одинаковы, то различаются они только по стоимости монтажа и занимаемой площади.
При горизонтальной системе трубы грунтового теплообменника укладывают в земляные траншеи глубиной 1,5-2 м, соединяя ветви, последовательно или параллельно.
Существуют множество конфигураций вертикальной укладки теплообменника, но здесь большая доля затрат приходится на буровые работы. При параллельной укладке труб можно использовать трубы меньшего диаметра (а, соответственно, и скважины). А чем меньше диаметр скважины, тем выше скорость проходки. Таким образом, параллельная укладка труб требует наименьших затрат на монтаж при вертикальной конфигурации.
Движение влаги является основным фактором, влияющим на теплообмен между землей и теплообменником. Когда тепло извлекают из земли, то влага в порах грунта движется к теплообменнику, улучшая тем самым теплообмен между трубопроводом и окружающим грунтом. При работе в режиме охлаждения сброс тепла в грунт вызывает отток поровой влаги, замедляя при этом перенос тепла.
Другим важным фактором является замораживание воды, заключенной в порах грунта. Использование теплоты фазового перехода позволяет извлекать энергию практически при постоянной температуре. Средняя температура теплоносителя повышается, что увеличивает эффективность работы теплового насоса. Подробнее вопрос теплофизических свойств грунта при различных условиях рассмотрен в ПРИЛОЖЕНИИ 5.
Размеры грунтового теплообменника определяются исходя из расчетных тепловых и холодильных нагрузок на ТСТ. Все тепловые насосы рассчитаны на максимальную и минимальную температуру жидкости, являющейся источником энергии.
Длина теплообменника зависит от его конструкции (вертикальная, горизонтальная и т.д.) и производительности теплового насоса. Наилучшей считается конструкция с наименьшими затратами на монтаж.
Теплообменники в земле могут работать при температурах от -10 до +45 °С. При отрицательных температурах необходимо использовать незамерзающий теплоноситель.
В качестве незамерзающего теплоносителя могут быть использованы водные растворы хлористого кальция, метанола и этиленгликоля. Каждая из этих жидкостей не вступает в реакцию с пластмассой.
Самый дешевый - хлористый кальций. Он также имеет наилучшие теплообменные характеристики, однако с ним могут возникнуть проблемы, если из системы не полностью откачан кислород. В этом случае может возникнуть коррозия металлических частей в петлях теплообменника, если они выполнены из неподходящих металлов, например, из желтой латуни.
Метанол проявляет себя очень хорошо при минимальных температурах, но подвержен возгоранию, если не разбавлен водой.
Этиленгликоль обладает хорошими теплообменными свойствами и не вызывает коррозии, но он токсичен.
3.1. Устройство горизонтальных грунтовых теплообменников
Монтаж горизонтальных грунтовых теплообменников производят в предварительно прорытые траншеи. Выбор механизмов при этом зависит от почвенных условий.
Сначала делается разметка трассы теплообменника и намечается место ввода в дом. По мере рытья траншеи грунт вынимается, и на дно траншеи укладывают трубопровод. Через каждые несколько метров трубопровод присыпается землей. Затем трубопровод вставляется в специально сделанное отверстие в фундаменте и заделывается.
После полной укладки проводится испытание трубопровода под давлением и засыпка траншеи. Причем первые 15 см засыпаются вручную. Дальнейшая работа по обратной засыпке выполняется бульдозером или другими механизмами.
3.2. Устройство вертикальных грунтовых теплообменников
На практике применяются следующие две конструктивные схемы вертикальных грунтовых теплообменников:
- "труба в трубе" - внутри обсадной трубы коаксиально располагается подающая теплоноситель труба, а поток теплоносителя, возвращающийся по межтрубному зазору, отбирает тепло грунта через стенку обсадной трубы;
- U-образная труба - по одной ветви теплоноситель подается вниз, а по другой возвращается обратно, при этом теплообмен с грунтом происходит по всей длине трубы, однако из-за меньших диаметров труб (при том же диаметре скважины) поверхность теплообмена получается существенно меньше, чем в предыдущем варианте.
Для большей гарантии все стыки труб, укладываемых в землю, должны соединяться термической сваркой, а не соединяться чисто механическими способами. Существуют два вида сварки - встык и с соединительными муфтами. При сварке в стык ровные концы труб нагревают, затем прикладывают друг к другу и сплавляют. При сварке с соединительными муфтами концы труб и поверхность муфты нагревают, а затем конец трубы вставляется в муфту и приваривается там. Полиэтиленовые трубы можно соединять обоими способами.
Вертикальные грунтовые теплообменники опускаются в предварительно пробуренные скважины. Чаще всего применяется мокрое вращательное или шнековое бурение.
При мокром вращательном бурении необходимо предусмотреть меры (использование стальных обсадных труб, глинизация), чтобы скважины оставались открытыми довольно значительное время до того, как в них будут вставлены трубы.
Герметичный грунтовый теплообменник (U-образный, или типа труба в трубе), предварительно испытанный под давлением, погружается в скважину. Перед погружением в заполненную буровым раствором скважину U-образный теплообменник заполняется водой, чтобы предотвратить его всплытие (см. ПРИЛОЖЕНИЕ 4). Для глубоких скважин к нижнему концу теплообменника подвешивается дополнительный груз.
Отверстия в выступающих над землей частях труб закрываются, чтобы в трубу не попал грунт.
Для обратной засыпки скважин можно использовать промытый песок или песчано-гравийную смесь. При опасности заражения водоносного горизонта грунтовыми водами, перетекающими вдоль стенки грунтового теплообменника, применяются герметики или цементные растворы.
Заключительный этап работ включает соединение выпусков вертикальных теплообменников в коллекторы и их ввод в здание через отверстия в фундаменте.
В ПРИЛОЖЕНИИ 1 приведен пример общих указаний по выполнению вертикальных систем сбора низкопотенциального тепла грунта (ССНТГ).
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ С ТЕПЛОНАСОСНЫМИ СИСТЕМАМИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
4.1. При проектировании зданий и сооружений с применением энергосберегающих технологий, в том числе с применением тепловых насосов, использующих теплоту вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных источников энергии, необходимо рассматривать объект как единое целое. На ранних стадиях проектирования необходимо добиваться согласованности технических решений по архитектуре, конструкции и инженерным системам с целью выбора оптимальных схем внедрения энергосберегающих технологий, обеспечивающих минимальные сроки окупаемости дополнительных капитальных затрат.
4.2. Теплонасосные системы теплоснабжения проектируются для каждого конкретного объекта в зависимости от энергетических нагрузок, почвенно-климатических условий района строительства и стоимости энергоносителей.
Как указывалось выше (см. раздел 2), использование теплоты окружающего воздуха и солнечной энергии в качестве единственных источников низкопотенциальной теплоты малоэффективно, но в сочетании с другими, более стабильными, источниками (например, теплотой грунта) вполне возможно.
Грунт в районе Москвы характеризуется расположением на глубинах 5060 м известняков, что ограничивает глубину бурения термоскважин. На глубинах утилизации теплоты (от 5 до 50 м), как правило, расположены пески, суглинки, глины. Водонасыщенность нормальная. Эти грунты позволяют утилизировать теплоту грунта. Однако при проектировании конкретных объектов необходимо проанализировать более подробные геологические данные по участку застройки и, при необходимости (как правило, для крупных объектов), произвести разведочное бурение.
4.3. Решение об использовании энергосберегающих теплонасосных систем целесообразно принимать на стадии разработки и утверждения задания на проектирование.
Предпосылками для применения таких систем могут служить следующие обстоятельства:
- удаленность от систем централизованного теплоснабжения;
- ограничение в использовании электроэнергии для прямого нагрева при теплоснабжении;
- наличие вторичных энергетических ресурсов (вентиляционных выбросов, сбросной теплоты технологических процессов, серых канализационных стоков и т.п.);
- наличие холодильной нагрузки;
- относительно низкий температурный потенциал тепловых нагрузок (напольное отопление, вентиляция, подогрев воды в бассейнах и т.п.);
- большой объем требований технических условий на подключение к внешним источникам теплоснабжения.
Этапы проектирования обязательно должны содержать стадию ТЭО.
На этой стадии наряду с архитектурой должны быть достаточно глубоко проработаны инженерные разделы, согласованы различные инженерные системы между собой и с теплонасосной системой теплоснабжения в части использования вторичных энергетических ресурсов и покрытия различных тепловых нагрузок с учетом графиков их изменения во времени.
4.4. ТСТ, как правило, состоят из системы сбора низкопотенциального тепла, собственно тепловых насосов и традиционных источников тепловой энергии для покрытия пиковых нагрузок. В некоторых случаях применяются аккумуляторы тепловой энергии. Такие схемы, как правило, применяются для систем горячего водоснабжения с целью выравнивания суточной неравномерности потребления горячей воды.
4.5. Системы сбора низкопотенциального тепла представляют собой различные теплообменные аппараты, утилизирующие ВЭР и НВИЭ и включенные в единый с испарителями тепловых насосов контур, по которому циркулирует теплоноситель. Если по режимным параметрам температура в этом контуре может быть ниже 0 °С, то в качестве теплоносителя используются антифризы, например, на основе водных растворов этиленгликоля. Система должна постоянно обеспечивать испарители тепловых насосов низкопотенциальной тепловой энергией. В связи с этим в системе целесообразно комбинировать различные виды низкопотенциальных источников теплоты.
4.6. Тепловые насосы, как наиболее дорогое оборудование, подбираются по мощности на величину базовых нагрузок по графику их изменения. Это обеспечивает максимальное использование тепловых насосов и более стабильный режим их работы.
Для обеспечения надежности работы системы в схеме предусматривается несколько агрегатов, за исключением случаев, когда надежность агрегатов обеспечивается их внутренним устройством.
4.7. В качестве дополнительных традиционных источников тепловой энергии, предназначенных для покрытия пиковых нагрузок, целесообразно применять нагреватели, легко поддающиеся автоматизации работы, например, электрические или газовые. Нагреватели могут устанавливаться по отношению к тепловым насосам как параллельно (со смешиванием потоков теплоносителя), так и последовательно (догревание теплоносителя).
4.8. На стадии ТЭО необходимо рассмотреть комплекс традиционных мероприятий по энергосбережению:
- рациональные архитектурно-планировочные решения по конфигурации зданий и сооружений и расположению их на местности;
- применение энергосберегающих ограждающих конструкций;
- использование энергосберегающей системы вентиляции, в том числе с возможностью рекуперативного подогрева приточного воздуха вытяжным;
- создание рациональной системы отопления с применением автоматизированных узлов управления и учета тепловой энергии;
- установка экономичных устройств водоразбора в системе горячего водоснабжения с применением регуляторов давления;
- применение энергоэкономичных светильников и других электроприборов, устройств для частотного регулирования электрических машин и т.п.
Целесообразно рассмотреть 2-3 варианта схем ТСТ для выбора наиболее оптимального решения. Принципиальные схемы ТСТ выбираются на основе тепловых и технико-экономических расчетов.
4.9. Одной из основных проблем, решаемых при проектировании теплонасосных систем теплоснабжения, является проблема выбора установленной тепловой мощности системы.
4.9.1. Выбор установленной мощности должен производиться на основе технико-экономического расчета, рассматривающего наряду с энергосберегающей теплонасосной системой теплоснабжения все здание или сооружение со всеми инженерными системами.
4.9.2. Специфика эксплуатационных особенностей теплонасосных систем теплоснабжения, использующих низкопотенциальное тепло грунта, существенно влияет на эффективность дальнейшей эксплуатации рассматриваемых систем. Отбор (или сброс) тепловой энергии из грунтового массива в процессе эксплуатации системы теплосбора может вызывать значительные изменения температуры грунта в годовом цикле относительно его естественной. Это в значительной степени осложняет задачу прогнозирования теплового поведения системы теплосбора в годовом цикле и вынуждает использовать при проектировании систем теплосбора сложные пространственные математические модели, учитывающие процессы распространения тепла по трем координатным осям.
4.10. В результате проведенных на компьютерных моделях исследований по оценке эксплуатационных воздействий систем теплосбора на естественный температурный режим грунта было установлено, что эксплуатация характеризуется тремя основными периодами.
Первый период, с начала отопительного сезона продолжительностью до 200 часов (8 суток), характеризуется ярко выраженной нестационарностью теплового режима грунтового массива и, вследствие этого, значительными изменениями температур грунта вблизи труб грунтового теплообменника. Для этого периода весьма характерным является тот факт, что грунтовый теплообменник оказывает весьма существенное тепловое влияние на слои грунта, находящиеся в непосредственной близости от него. Поэтому путем искусственного повышения теплопроводности и объемной теплоемкости (замена грунта, его увлажнение и т.д.) незначительного объема грунта вблизи труб грунтового теплообменника можно существенно улучшить эксплуатационные параметры системы теплосбора, эксплуатируемой в малотеплопроводных и не теплоемких грунтах.
Второй период - от 200 до 500 часов (с 8-х до 21-х суток) - характеризуется более плавным изменением интенсивности удельного теплосъема с единицы длины грунтового теплообменника во времени, которое имеет менее крутой, но все же экспоненциальный характер. Причем, наиболее интенсивно изменение удельного теплосъема во времени происходит, как и во время первого периода, в грунтах с малой теплопроводностью. Изменение интенсивности удельного теплосъема в течение периода - в пределах 15% от начального значения.
Третий период начинается с 500 часов (или с 22-х суток) и продолжается до конца отопительного сезона. Для этого периода характерно линейное изменение интенсивности удельного теплосъема во времени. Однако, несмотря на значительно более пологий характер зависимости удельного теплосъема от времени, на протяжении этого периода она все же имеет ярко выраженный нестационарный характер.
4.11. Значительное влияние на эффективность эксплуатации систем теплосбора оказывают теплопроводность и теплоемкость грунтового массива. Чем выше теплопроводность и объемная теплоемкость грунта, тем выше интенсивность удельного теплосъема с единицы длины грунтового теплообменника и, соответственно, выше эффективность системы теплоснабжения.
Наиболее существенное влияние на эффективность эксплуатации системы теплоснабжения оказывает изменение теплопроводности грунта в пределах от 0,4-2 Вт/(м·°С) и его объемной теплоемкости от 400-1000 кДж/(м3·°С). Дальнейшее их увеличение сказывается на эффективности системы менее заметно. Следовательно, при эксплуатации систем теплосбора в малотеплопроводных и не теплоемких грунтах имеется реальная возможность за счет незначительного повышения влажности грунта (путем создания дренажа, задержки дождевой влаги на участке теплосбора и т.д.) значительно повысить эффективность эксплуатации системы теплосбора и, соответственно, системы теплоснабжения в целом.
4.12. Согласно действующим нормативным документам (например, СНиП 2.04.05-91* "Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха", п.п. 6.13 и 8.2, МГСН 2.01-99 "Энергосбережение в зданиях, нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению", п.4.2.4) применение новых технологий теплоснабжения, в том числе с применением тепловых насосов, связанных, как правило, со значительными капитальными вложениями, требует предварительного технико-экономического обоснования.
4.13. На стадии разработки ТЭО для объектов с теплонасосными системами теплоснабжения должны быть проработаны следующие вопросы:
- определены основные архитектурно-планировочные решения;
- определены расчетные тепловые, холодильные и электрические нагрузки объекта с учетом всех внутренних бытовых и технологических тепловыделений;
- рассмотрены возможные мероприятия по снижению энергетических нагрузок традиционными способами;
- определена структура потребления энергии (тепловой и электрической);
- определены суточные и годовые графики потребления тепловой и электрической энергии;
- проработана схема традиционного (централизованного или автономного) теплоснабжения и определены затраты на ее создание (с учетом выполнения требований выставленных технических условий);
- определен энергетический потенциал вторичных энергетических ресурсов объекта (мощность и график их поступления);
- определен энергетический потенциал доступных нетрадиционных возобновляемых источников энергии и потребная мощность для покрытия тепловых нагрузок здания;
- выбрана принципиальная схема системы энергоснабжения с помощью тепловых насосов и выполнена предварительная проектная проработка;
- рассчитаны капитальные затраты, связанные с созданием ТСТ, с учетом технических условий на подключение к внешним энергетическим источникам;
- рассчитаны годовые эксплуатационные затраты по традиционному варианту теплоснабжения и варианту с тепловыми насосами;
- рассчитан срок окупаемости ТСТ.
В случае если срок окупаемости приемлем и к реализации принят вариант ТСТ, следующие этапы проектирования выполняются в соответствии с существующими нормами с обязательным расчетным обоснованием выбора структуры и технических характеристик применяемого оборудования.
4.14. Применение теплонасосных систем теплоснабжения в городском хозяйстве Москвы может рассматриваться в двух аспектах: как один из путей решения стратегической задачи энергосбережения и как энергосберегающая технология решения локальных задач энергоснабжения отдельных зданий и сооружений.
В ПРИЛОЖЕНИИ 6 рассмотрены перспективы внедрения тепловых насосов в систему теплоснабжения Москвы. В ПРИЛОЖЕНИИ 7 приведены примеры принципиальных технических решений по теплонасосным системам теплоснабжения отдельных конкретных объектов.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМЫ СБОРА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА ГРУНТА (ССНТГ)
1.1. ССНТГ должна быть оборудована циркуляционными насосами и механическими проточными фильтрами, рассчитанными на максимальный суммарный расход теплоносителя. Подающий и обратный трубопроводы ССНТГ снабжаются задвижками.
1.2. Для компенсации температурного расширения теплоносителя, а также для подпитки системы в процессе эксплуатации ССНТГ должна быть оснащена расширительной емкостью, снабженной, в зависимости от ее расположения, подпиточным насосом соответствующей мощности.
1.3. В автоматической системе управления (АСУ) и контроля ТСТ должны быть предусмотрены подсистемы для измерения и контроля температур, расходов и давления теплоносителя ССНТГ, а также возможность защиты от аварийных ситуаций, например, внештатного понижения температуры теплоносителя или его утечки.
1.4. Термоскважины и трубопроводы ССНТГ должны быть защищены от коррозии методом катодной защиты или иным методом в соответствии со СНиП 2.04.07-86* "Тепловые сети". Станции катодной защиты разрабатываются в составе общего Проекта катодной защиты инженерных сетей объекта теплоснабжения. В местах разрыва электропроводящих участков трубопроводов (муфты, фланцы и т.п.) должны быть установлены шунтирующие кабели для системы катодной защиты.
1.5. Производство работ по устройству термоскважин (бурение, установка обсадных колонн, корпусов термоскважин и пр.) должны выполняться только в соответствии с конструкторской и проектной документацией.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2