Реферат - Филиппо А.В. - Энергосбережение с ипользованием тепловых насосов

Выражение «геотермальная энергия» буквально означает, что это энергия тепла земли. Основным источником этой энергии являются поток тепла из накаленных недр, направленный к поверхности земли. Этого тепла достаточно, чтобы расплавлять горные породы под земной корой, превращая их в магму, которую мы можем иногда видеть на поверхности. Большая часть магмы остается под землей и нагревает породу вокруг. При этом также нагреваются подземные воды до 371° С. Это происходит на краях тектонических плит материков, а также в так называемых «горячих точках», где тепло находится близко к поверхности и ее можно получать с помощью геотермальных буровых скважин .

Геотермальной считается энергия, перенесенная из глубин Земли с помощью разных видов теплообмена (теплопроводностью и конвекцией). Допускается, что тепло магмы переносится теплопроводностью сквозь структурные пласты Земли.

Проявлением геотермальной теплоты, которая имеет практическое значение, являются запасы горячей воды в подземных резервуарах и гейзеры, выходящие на поверхность.

Геотермальная энергия сегодня используется для теплоснабжения и выработки электроэнергии.

Устройства, служащие для переноса тепловой энергии от тела с более низкой температурой Т_н (теплоотдатчика) к телу с более высокой температурой Т_в (теплоприемнику), называются трансформаторами теплоты.

Чтобы осуществить преобразование теплоты, необходимо затратить внешнюю энергию (механическую, электрическую и т. д.).

Трансформаторы теплоты подразделяются на холодильные и теплонасосные установки.

Повысить уровень энергосбережения возможно при условии уменьшения энергоемкости.

В скандинавских странах, где климат суровее нашего, энергозатратность жилых домов составляет 120 –150 кВт-ч/м в год, а энергоэффективных 60 – 80 кВтч/м² (жилые дома застройки последних лет в Украине потребляют 300 – 400 кВт*ч/м² в год). Чтобы достичь таких показателей, дом, кроме энергосохраняющих ограждений, должен быть оборудован последними достижениями энергоэкономной техники: солнечными коллекторами, тепловыми насосами, системами аккумуляции тепла, экономными автоматизированными системами отопления, вентиляции, горячего водоснабжения, кондиционирования воздуха.

Сегодня тепловой насос – это перспективный и практичный способ отопления. И при установки теплового насоса, для отопления и подогрева воды, можно значительно сократит расход электроэнергии почти 60%, а также при этом не использовать потребление газа, угля и т.д.

Целью работы является исследование энергосбережения традиционными методами и сравнение их с энергосбережением при использовании тепловых насосов. А также рассмотрение вариантов использования тепловых насосов.

Научная новизна и практическая ценность

Установка теплового насоса, для отопления и подогрева воды, позволяет значительно сократит расход электроэнергии. Затраты на установку системы отопления с помощью теплового насоса в два раза дороже стоимости самого насоса. Но в процессе эксплуатации эти затраты окупаются уже за 2 года в связи с тем расход электроэнергии снижается до 60 %.

Также при этом не прибегают к использованию отопительных систем с помощью газовых либо угольных установок, а тем самым не затрачивать эти ресурсы.

– анализ энергосбережения традиционными методами, и его эффективность

– анализ возможных вариантов использования тепловых насосов

– анализ комбинированных систем отопления , теплового насоса и электрокотлов.

– сравнение энергосбережения с помощью теплового насоса и с помощью традиционных методов.

Всеукраинская научно-техническая конференция «Электротехника, электроника и микропроцессорная техника»

В тепловых насосах, так же как и в холодильных установках, осуществляется так называемый обратный цикл передачи теплоты от источника с низкой температурой к источнику с более высокой температурой. При этом необходимо затратить некоторое количество механической энергии.

Баланс энергии для обоих циклов выражается уравнением:

где Q_BA – энергия, которая отводится от рабочего тела;

Q_dc – подводимая к рабочему телу тепловая энергия;

W_CD – работа, которая затрачивается на передачу теплоты от низкотемпературного к боле высокотемпературному источнику.

На рис. 1.1 показаны цикл Карно и схема устройств идеального теплового насоса

Рис. 1.1. Цикл Карно и схема устройства идеального теплового насоса

Цикл Карно состоит из изотермического процесса DC подвода теплоты Q_DC на низком температурном уровне Тн, соответствующем условиям теплообмена с окружающей средой, изоэнтропического сжатия СВ, в процессе которого к рабочему телу подводится работа W_CD, изотермического процесса ВА отвода теплоты Q_BA на высоком температурном уровне Тв, соответствующем условиям теплообмена с обогреваемым пространством, и изоэнтропического расширения AD, в процессе которого рабочее тело возвращает энергию W_AD, в результате чего к компрессору подается внешняя энергия W, равная разности энергий W_CD и W_AD.

Рассмотрим на примере энергетический баланс теплового насоса (рис1.2), где принимаем, что к ТН подведена электрическая мощность, равная 51 кВт. Полезная мощность теплового насоса, передаваемая потребителю от конденсатора Q_BA =100 кВт, является суммой тепловой мощности испарителя Q_DC = 57 кВт, полученной из окружающей среды, и механической мощности компрессора на сжатие хладагента Р = 43 кВт . Причем, из подведенной к тепловому насосу электрической мощности потери мощности в електродвигателе компрессора составляют 5 кВт и 3 кВт в приводе вентилятора охлаждения [1].

Рис. 1.2. Пример схемы энергетического баланса парокомпрессорного теплового насоса

Эффективность теплового насоса принято определять с помощью нескольких различных коэффициентов
Наиболее часто в практике сопоставления различных циклов и конструкций тепловых насосов используется коэффициент преобразования (φ), который определяется как отношение полезной тепловой энергии, получаемой на выходе из теплового насоса Q_BA, к энергии, затраченной компрессором на сжатие хладагента W:

φ = Q_BA/W = Тв/(Тв –Тн).

Наглядно этот теоретический коэффициент преобразования выражается отношением заштрихованной на рис. 1.1 площади прямоугольника ЕFВА к площади прямоугольника DCBA.

Теоретические коэффициенты преобразования идеального цикла Карно для теплового насоса, вычисленные для значений Тв = 313К (40° С), 333 К (60° С) и 353К (80° С) представлены на рис. 1.3 .

Рис. 1.3. Теоретический коэффициент преобразования идеального теплового насоса

Действительные коэффициенты преобразования существенно ниже теоретически возможных, что связано с необратимостью процессов теплообмена в аппаратах, а также с их механическим несовершенством.

Тепловые насосы можно классифицировать по следующим признакам:

• по принципу действия;

• по источникам низкопотенциального тепла;

• по сочетанию используемого низкопотенциального тепла с нагреваемой в тепловых насосах средой;

• по видам затрачиваемой энергии.

По принципу действия используют три типа тепловых насосов:

• парокомпрессорный тепловой насос;

• тепловой насос абсорбционного типа;

• гибридный тепловой насос.

Источниками низкопотенциального тепла могут быть:

• наружный воздух;

• поверхностные воды (река, море, озеро);

• подземные воды;

• грунт;

• солнечная энергия;

• низкопотенциальное тепло искусственного происхождения (сбросные воды, исходящее тепловентиляционных систем, нагретые воды или другие жидкости технологических процессов и пр.).

По сочетанию используемого низкопотенциалъного тепла с нагреваемой в тепловых насосах средой различают следующие варианты:

• воздух – воздух;

• воздух – вода;

• грунт – вода;

• грунт – воздух;

• вода – воздух;

• вода – вода.

По видам затрачиваемой энергии различают тепловые насосы, использующие электроэнергию (чаще всего), топливо того или иного вида, вторичные источники энергии.

Наиболее часто используется тепло грунта, который примерно на глубине 2–х метров ниже поверхности имеет относительно постоянную в течение всего года температуру 8... 10° С, что намного выше температуры наружного воздуха в течение зимы и ниже температуры окружающей среды летом, что и делалось ранее людьми [2]. При использовании теплового насоса зимой последний использует тепло грунта или воды для теплоснабжения здания, а летом тепло из здания отводится в грунт или воду, т.е. грунт действует как источник тепла зимой и приемник тепла летом.

С точки зрения теплофизики грунт является неиссякаемым источником тепловой энергии. При «отборе» тепла Земли используют ее верхний слой, находящийся на глубине до 100 метров от поверхности . С точки зрения теплообмена этот слой грунта находится под воздействием лучистой энергии Солнца, радиогенного тепла из глубинных слоев Земли, конвективного теплообмена с атмосферным воздухом и теплопереноса за счет различных массообменных процессов (дождь, тающий снег, грунтовые воды и т.д.).

Принцип отопления геотермальным тепловым насосом основан на сборе тепла из природы, окружающей здание, и передаче собранного тепла в систему отопления (или горячего водоснабжения) здания.

Рисунок 1.4. Принцип отопления дома с помощью теплового насоса.

Для сбора тепла незамерзающая жидкость протекает по трубе, расположенной в почве или водоеме возле здания, к тепловому насосу. Тепловой насос, подобно холодильнику, отбирает тепло и, соответственно, охлаждает жидкость приблизительно на 5 °С [3]. Отобранные тепловым насосом градусы отдаются системе отопления и/или на подогрев горячей воды и/или бассейна. Жидкость снова течет по трубе в грунте или воде, восстанавливает свою температуру, и снова поступает к тепловому насосу .

Рисунок 1.5 Принцип роботы системы отопления

Тепловой насос может использовать накопленную в скалах, грунте, воде тепловую энергию для нагрева здания: отопления, подогрева горячей воды, бассейна, зимнего сада, полотенцесушителей, системы антиобледенения и т.д. Превращение накопленной в природе низкотемпературной тепловой энергии в тепло для нагрева происходит в трех контурах. В грунтовом контуре (1) свободное тепло переходит от окружающей среды к незамерзающей жидкости, и подается при температуре около нуля градусов к тепловому насосу [6]. В контуре фреона (2) теплонасос увеличивает температуру полученного тепла до 100 градусов. В контуре греющей стороны (3) тепло от фреона передается в систему отопления, и распространяется по зданию.

A – В трубах незамерзающая жидкость – рассол – циркулирует от теплового насоса к источнику тепла (скала/грунт/озеро/вода). Накопленная энергия источника тепла нагревает рассол на несколько градусов, например от –3°C до 0 °C.

B – Рассол по трубам возвращается к испарителю теплового насоса. Тут рассол отдает тепловую энергию, охлаждается на несколько градусов от 0 °C до –3°C. Потом рассол возвращается к источнику тепла, и получает энергию снова.

C – Фреон циркулирует в закрытом контуре теплового насоса, и проходит через испаритель. Фреон имеет очень низкую температуру кипения. В испарителе фреон получает тепловую энергию от рассола, подогревается от –20°C до –2°C, начинает кипеть, и превращается в пар.

D – Пар поступает в компрессор с электроприводом. Компрессор сжимает пар, давление повышается, и температура пара возрастает от –2°C до +100°C.

E – От компрессора пар поступает в теплообменник – конденсатор, где он отдает тепло системе отопления, после чего пар охлаждается от +100°C до +70°C, и пар конденсирует в жидкий фреон.

F – Давление фреона еще осталось высоким, и он проходит через расширительный кран. Давление фреона падает, и он возвращается к своей начальной температуре –20°C. Фреон прошел полный цикл. Он возвращается в испаритель, и процесс повторяется.

G – Тепловая энергия, которую отдал фреон в конденсаторе, передается воде отопительной системы, или на подогрев горячей воды, бассейна и т.д.

H – Теплоноситель системы отопления циркулирует по замкнутому контуру. С температурой +40°C он подходит к тепловому насосу, нагревается в конденсаторе до +50°C, и транспортирует тепло для нагрева воды или
радиаторов/отопительных приборов. Отдав тепло приборам, и остыв до +40°C, теплоноситель возвращается за следующей порцией тепла к тепловому насосу.

Геотермальный тепловой насос по принципу работы похож на обычный кондиционер, но имеет высокую энергоэффективность и соответствующую мощность. В отличие от кондиционеров, геотермальный тепловой насос адаптирован для работы при любых погодных условиях и минусовых температурах. Главная проблема кондиционеров - уменьшение производительности и остановка кондиционеров при минусовых температурах, когда отопление наиболее важно - решена в геотермальных тепловых насосах.

Филиппов Алексей Владимирович

Электротехнический факультет

Кафедра электроснабжения промышленных предприятий и городов

Специальность «Электротехнические системы электропотребления»

Научный руководитель: к.т.н., доц. Чурсинов Виктор Иванович

Энергосбережение при ипользовании тепловых насосов

Научная новизна и практическая ценность

Рисунок 1.5 Принцип роботы системы отопления

Литература