Авторы И.И. Пуховой, к.т.н., М.К. Безродный, д.т.н. (Национальный технический университет Украины «КПИ»), Н.М. Мхитарян, член-корр. НАН Украины, С.О. Кудря, д.т.н. (Институт возобновляемой энергетики НАН Украины)

В статье предложено использовать подогрев атмосферного воздуха для теплового насоса теплотой кристаллизации воды в зимние месяцы. Это позволяет повысить коэффициент трансформации и уменьшить затрату электроэнергии в тепловом насосе за отопительный сезон на 14-16%, а в зимние месяцы — до 35% для климатических условий Украины. Рассчитаны затрата воды и объем аккумуляторов льда на 100 м 2 отапливаемой площади. Рассчитана экономия природного газа при замене котлов на тепловые насосы как в разные температурные периоды отапливаемого сезона, так и в сезон для городов Украины.

Стоимость природного газа стремительно растет как в мире, так и в Украине. Его ресурсы могут быть исчерпаны в течение 80-120 годов. В Энергетической стратегией Украины до 2030 г. [1] предусматривается сокращение потребления этого благородного топлива. Природный газ должен использоваться только для технологий, где без газа нельзя обойтись, и для приготовления еды. Всячески нужно избегать сжигания газа в котлах для теплоснабжения и производства электроэнергии. В настоящее же время в котлах сжигается значительное количество природного газа [2]. В энергетической программе большое внимание уделяется атомной энергетике для обеспечения производства электроэнергии. В настоящий момент атомные блоки работают не на полную нагрузку и даже останавливаются (блок на ЗАЭС, апрель 2006 г.), потому что не хватает потребителей в Украине. При этом прогнозируется строительство новых атомных блоков в Украине и в других странах [3]. Приведенные аргументы свидетельствуют о привлекательности увеличения потребления электроэнергии в целях теплоснабжения. Энергетики подталкивают потребителей к использованию электроэнергии путем снижения тарифов, особенно в ночное время (с 00.00 до 06.00), когда особенно уменьшается ее потребление.

Но прямое использование электроэнергии не является эффективным; гораздо лучше, когда процесс теплоснабжения базируется на тепловых насосах (ТН).

Состояние проблемы и постановка задачи исследования

Использование тепловых насосов имеет уже более чем 50-летнюю историю. Наиболее известной систематизированной работой по ТН является [5]. Важным в использовании ТН есть выбор «холодного» источника.

Вода из естественных и техногенных источников является наилучшим низкопотенциальным теплоносителем, но ее количество не всегда достаточно.

В последнее время внедрено множество проектов теплоснабжения коттеджных зданий с использованием теплоты почвы, которая является теплее воздуха в наиболее холодный период отапливаемого сезона. Но из одного квадратного метра грунтового теплообменника можно взять не более 250-500 Вт [5]. Горизонтальные теплообменники на глубине 1-2 м требуют значительной площади (до 400 м 2 на коттедж) и отрицательно влияют на растительность из-за значительного переохлаждения почвы.

Вертикальные теплообменники более дорогие. Их глубина достигает 30-40 м и требует буровых работ. Заметим, что приблизительно в марте температура почвы вокруг скважины становится ниже 0 °С, и эффективность таких систем снижается [4] изза уменьшения величины коэффициента трансформации.

Известны системы с использованием воздуха как «холодного» источника. Преимуществом воздуха является его доступность в любой точке Земли. Часто используют отработанный воздух из систем вентиляции, а также воздух, предварительно подогретый в солнечных коллекторах. В Украине в зимний период количество солнечных дней незначительно на большинстве территории, и от рассеянного излучения поступает не больше 1,5-2,5 кВт . ч/день, поэтому нужна значительная площадь солнечных коллекторов.

Известны работы [6, 7] по подогреву воздуха для систем вентиляции теплотой кристаллизации воды. При этом температура воздуха после охладителей — кристаллизаторов воды — может достигать -5…+5 °С в наиболее морозный период, и поэтому такой воздух может служить «холодным» источником для ТН. Затрата воды при этом значительно ниже, чем при использовании энтальпии охлаждения воды. Целью настоящей работы является анализ эффективности подогрева воздуха для ТН теплотой кристаллизации и нахождения удельной затраты воды для температурных условий Украины.

Эффективность подогрева воздуха для ТН в морозный период

В течение 60-100 дней температура воздуха в Украине опускается ниже 0 °С, что дает возможность производить лед и подогревать воздух теплотой кристаллизации, которая выделяется при этом. Пользуясь полученной в [7] зависимостью для коэффициента трансформации:

где Т Г и Т Х — конечные температуры теплоносителей, а m = 0,5…0,7.

Рассчитаем ϕ ( табл. 1 ) при m = 0,5 (наихудший вариант — воздушный «холодный» теплообменник) для температур на входе и выходе из него в диапазоне -40...0 °С и 0...+25 °С. Конечная температура горячего теплоносителя принята равной 50 °С.

Если принять, что воздух в испарителе ТН охлаждается на разницу:

Ä t = t Х ВХ – t Х ВЫХ = = 20 °С,

то для условий подогрева воздуха теплотой кристаллизации ( t Х ВХ = 0...7 °С) величина ϕ будет лежать в пределах 2,3...2,92, а при отсутствии подогрева воздуха теплотой кристаллизации для условий Украины — в пределах 1,78...2,15.

Затрата электроэнергии:

где N — электрическая мощность ТН;

Q Г — тепловая мощность ТН;

ô — время работы ТН.

Е может уменьшиться на 30-35% по сравнению с непосредственным использованием атмосферного воздуха. Заметим, что без подогрева воздуха t Х ВХ = t A , где t A — температура атмосферы.

Тепловой насос, который имеет ϕ = 2,3...2,92, по коэффициенту первичной энергии, который рассчитывается умножением ϕ на КПД производства и передачи электроэнергии ( ç ТЭС = 0,3; ç ЛЭП = 0,9), будет эквивалентен котлу с КПД около 0,70...0,88.

Рассчитаем тепловую мощность и затрату холодной воды на отопление 100 м 2 многоэтажного здания с помощью ТН. Результаты расчетов можно использовать и для коттеджа, только мощность на отопление коттеджа нужно увеличить в 1,5-2 раза в зависимости от термического сопротивления ограждений.

Мощность «холодного» источника может быть выражена через ϕ и Q Г :

Рассчитаем тепловые потери помещения высотой 3 м и площадью 100 м 2 (необходимую мощность сжигания ) для многоэтажного здания:

где q V — потери теплоты на единицу объема помещения, Вт/(м 3 . К). Примем q V = 0,5 Вт/(м 3 . К) (строения объемом до 3000 м 3 ) [9].

В табл. 2 приведены расчеты тепловых потерь, которые будут одинаковыми для обоих вариантов (с использованием тепла кристаллизации и без него) и значения мощностей холодного источника и электродвигателя ТН в зависимости от температуры атмосферного воздуха t A . Для каждого значения t A = t Х ВХ принималось свое значение ϕ из табл. 1 .

Расчеты с использованием теплоты кристаллизации отмечены индексом «КР». В табл. 2 также показана экономия Ä N мощности ТН в расчете на 100 м 2 при использовании теплоты кристаллизации. Значение Q X отвечает мощности холодного источника без подогрева воздуха теплотой кристаллизации воды.

Затрата холодной воды на кристаллизацию будет зависеть от ее длительности и от внешней температуры. При принятом значении разницы температур воздуха Ä t Х = t A – t ВЫХ (охлаждение воздуха в испарителе ТН) чась энергии, полученной от кристаллизации и охлаждение воды, зависит от величины:

Для отопления примем Ä t Х = 20 °С (последнее значение может быть и другим, при его уменьшении коэффициент трансформации будет расти, но при этом увеличиваются расходы на перемещение большого объема воздуха).

Величина t KP ВЫХ может принимать значение от -5 °С до +7 °С.

С увеличением температуры окружающей среды она будет расти.

Поэтому при t A = -25 °С примем ϕ = 2,2 и t KP ВЫХ = -5 °С, a для остальных случаев, кроме t A = -5 °С, t KP

ВЫХ = 0 °С. При t A = -5 °С имеем t KP ВЫХ = 5 °С.

В табл. 3 приведены значения Z в зависимости от t A при принятых выше предположениях и рассчитана тепловая мощность кристаллизатора Q KP и затраты воды m В KP .

Количество энергии, полученной от охладителей-кристаллизаторов:

Массовый расход воды зависит от t A и от времени работы кристаллизатора. Она может быть найдена, если пренебречь разницей энтальпии при охлаждении воды:

где L = 335 кДж/кг — теплота кристаллизации воды.

Затраты воды за каждый период являются функцией длительности периода с температурами ниже -5 °С, когда может быть целесообразным использование тепла кристаллизации. Пользуясь многолетними средними величинами t A и считая, что средняя температура ночью на Ä t = = 6...8 °С ниже дневной, найдем ночные температуры:

где ô H = 12...16 часов — продолжительность ночи.

Для упрощения примем ô H = 14 и Ä t СУТ = 8 °С. Тогда

Например, при средней температуре января в Киеве t M = -5,9 °С, температура (среднемесячная) в ночное время будет -10,4 °С. Как известно, расчетная температура для севера и востока Украины (-18...-25 °С) бывает 1 раз в 7-10 лет и длится до 7-10 дней, поэтому мощность теплового насоса на нее не рассчитывают.

По климатическим условиям зимы, с точки зрения отопления зданий, территория Украины разбита на ІV зоны.

К первой зоне относятся: Винницкая, Донецкая, Житомирская, Киевская, Кировоградская, Луганская, Харьковская, Хмельницкая, Черкасская и Черниговская области с количеством градусо . суток на отопление больше 3500.

Ко второй — Днепропетровская, Волынская, Запорожская, Ивано-Франковская и Черновицкая области с 3001-3500 градусо . сутками.

К третьей — Закарпатская, Крым (степная часть), Николаевская, Одесская и Херсонская области с 2500-3000 градусо . сутками.

К четвертой — Южный берег Крыма и Феодосия (меньше 2500 градусо . суток).

В табл. 4 приведены взятые из климатических таблиц интервалы дли тельностей отрицательных температур по 5-градусным промежуткам для зон и некоторых городов (в часах).

Как видно из табл. 4 , температуры ниже -25 °С длятся в I и ІІ зонах 4-10 часов в году, ниже -20 °С — 25-55 часов и в диапазоне -15...-20 °С — 95-190 часов. Вообще, чтобы не делать капиталовложения в электронагреватели, тепловой насос сможет работать с подогревом воздуха теплотой кристаллизации и при температурах t A ниже -20 °С, но мы этот вариант не рассчитывали, принимая во внимание небольшую длительность периода.

Рассчитаем потребность в воде и производство льда на 100 м 2 многоэтажного здания, условно считая, что длительность периода является максимальной, а значение температуры из отрицательного диапазона длиной 5 °С возьмем более высокую (например, из диапазона -24,9...-20 °С принимаем -20 °С, а из диапазона -9,9...-5 °С принимаем -5 °С). Количество воды и полученного льда (в тоннах) приведено в табл. 5 .

Как видно из табл. 5 , при использовании в ТН теплоты кристаллизации нужно потратить за сезон около 15-18 тонн воды. При этом будет получено около 14-17 тонн льда, учитывая, что при подогреве воздуха до +5 °С в тепловой мощности Q X учитывается и позитивнаю энтальпия воды, которая тратится на нагревание воздуха до положительных температур. Емкость аккумулятора льда, если лёд сохранять до лета для целей хладоснабжения, должна быть около 15-20 м 3 на 100 м 2 . Кристаллизатор может также подогревать вентиляционный воздух, тогда объем аккумулятора несколько увеличится. При раздельном выполнении канализации фекальных и условно-чистых вод из умывальников, ванны и кухни для кристаллизаторов может быть использована вода любой положительной температуры, даже предварительно охлажденная в ТН. Если считать помещение площадью 100 м 2 квартирой, то в канализацию ежедневно выбрасывается около 0,3 тонн воды, а за 100 дней — 30 тонн, потому проблемы с водой для кристаллизатора отсутствуют.

Затрату электроэнергии при мощности N ( табл. 2 ) для ТН в зимние месяцы также найдем по времени длительности отрицательных температур (из табл. 4 ) ниже -5 °С (для того, чтобы рассчитать экономию от использования теплоты кристаллизации). Также найдем затрату электроэнергии на отапливаемый сезон, включая диапазон положительных температур в 8 °С, когда низкопотенциальное тепло поступает в испаритель ТН непосредственно из атмосферы. Для Киева длительность периода температур в диапазоне 0...+5 °С составляет 1480 часов, а в диапазоне 5,1...+8 °С — 654 часа. В Харькове, соответственно, 1255 часов и 692 часа. При 5 и 8 °С величина ϕ соответственно равняется 3,57 и 4. Значения Q Г , Q Х и N имеем для +5 °С (см. табл. 2 ), а для +8 °С условно примем их такими же. В табл. 6 приведены результаты расчетов затрат электроэнергии Е , например, для Харькова и Киева в соответствующие периоды (в кВт . ч) и экономия энергии Ä Е = Е - Е КР , которая рассчитана по Ä N из табл. 2 .

Экономия электроэнергии в наиболее холодный период составляет до 35%. Экономия природного газа при использовании ТН (1 м 3 газa эквивалентeн 8,73 кВт . ч при КПД котла ç К = 0,9) может быть рассчитана путем использования Q Г из таблицы и времени длительности температур t A из табл. 4 .

В табл. 7 приведены результаты расчетов количества V сэкономленного природного газа на 100 м 2 многоэтажного здания при КПД тепловых сетей ç ТМ = 1 (при замене котлов на ТН). В случае ç ТМ < 1 экономия газа будет еще больше.

Таким образом, для многоэтажного здания объемом до 3000 м 3 на 100 м 2 площади при переходе на тепловые насосы в Украине можно экономить, за исключением нескольких областей и АР Крым, от 1000 до 1400 м 3 газа за отапливаемый сезон.

Выводы

1. Использования теплоты кристаллизации воды как «холодного» источника для теплового насоса уменьшает затрату электроэнергии за отапливаемый сезон на 12-17% для 14 областей I климатической зоны и 5 областей II климатической зоны Украины, а в наиболее холодные месяцы — до 35%.

2. Полученный зимой при работе ТН лёд может быть использован в системах хладоснабжения летом. На 100 м 2 отапливаемой площади для I и ІІ климатических зон нужно предусмотреть аккумулятор льда ёмкостью соответственно 15-20 м 3 .

3. Количество воды из условно-читой системы канализации является достаточным (с избытком) для работы ТН с использованием теплоты кристаллизации воды.

4. За отапливаемый сезон тепловой насос на 100 м 2 отапливаемой площади замещает около 1000-1400 м 3 природного газа для многоэтажных зданий и возле 1500-2800 м 3 для коттеджей, не учитывая горячего водоснабжения.* ■

Литература

1. Енергетична стратегія України до 2030 року. — Міненерго України, 2006.

2. Забарний Г.М., Шурчков А.В. Енергетичний потенціал нетрадиційних джерел енергії в Україні. — Київ: ІТТФ НАНУ, 2002. — С. 211.

3. Ядерна енергія: Міф і реальність // Під ред. Ф. Маттес. Фонд Генріха Бьоля. Укр. Версія. Рівне: Екоклуб. — C. 244.

4. Денисова А.О. Інтегровані системи альтернативного теплопостачання для енергозберігаючих технологій // Автореф. дис. на здоб.наук.ступеня канд.техн.наук. — Одеса, 2003. — C. 27.

5. Рей Д. Макмайл Д. Тепловые насосы. — М.: Энергоиздат, 1982. — C. 219.

6. Бобков В.А. Производство и применение водного льда. М.: Госториздат, 1961. — C. 167.

7. Пуховий І.І. Безпосереднє використання теплоти довкілля в системах тепло і холодопостачання // Технічна електродинаміка. Тем. Випуск. — 2003. — 31-33 c.

8. Patry Y. Stockage par chaleur latente. Paris. — PYC Edition. — P. 280.

9. Пешехонов Н.И. Проектирование теплоснабжения. — Киев: Вища школа. — C. 228.