Реферат - Філіппов А.В. - Енергосбереження з використанням теплових насосів

ДонНТУ ||Портал магістрів ДонНТУ

Філіппов Олексій Володимирович

Електротехнічний факультет

Кафедра електропостачання промислових підприємств і міст

Спеціальність «Електротехнічні системи енергоспоживання»

Енергосбереження при використанні теплових насосів

Керівник: к.т.н., доц. Чурсінов Віктор Іванович

Енергосбереження з вікористанням теплових насосів

Вираз «геотермальна енергія» буквально означає, що це енергія тепла землі. Основним джерелом цієї енергії є потік тепла з розпечених надр, спрямований до поверхні землі. Цього тепла достатньо, щоб розплавляти гірські породи під земною корою, перетворюючи їх у магму, яку ми можемо іноді бачити на поверхні. Велика частина магми залишається під землею і нагріває породу навколо. При цьому також нагріваються підземні води до 371° С. Це відбувається на краях тектонічних плит материків, а також у так званих «гарячих точках», де тепло знаходиться близько до поверхні і його можна отримувати за допомогою геотермальних бурових свердловин.
Геотермальної вважається енергія, перенесена з глибин Землі за допомогою різних видів теплообміну (теплопровідність і конвекцією). Допускається, що тепло магми переноситься теплопровідністю через структурні пласти Землі.
Проявом геотермальної теплоти, яка має практичне значення, є запаси гарячої води в підземних резервуарах і гейзери, що виходять на поверхню.
Геотермальна енергія сьогодні використовується для теплопостачання і вироблення електроенергії.

Пристрої, що служать для перенесення теплової енергії від тіла з низькою температурою Тн (тепловіддачика) до тіла з високою температурою Тв (теплоприймачу), називаються трансформатори теплоти.
Щоб здійснити перетворення теплоти, необхідно витрачати зовнішню енергію (механічну, електричну і т. д.).

Трансформатори теплоти поділяються на холодильні та теплонасосні установки.

Зі збільшенням енергоємності обладнання встановленого в житлових будинках і соціальних будівлях (електрокотли, кондиціонери великої потужності, велика кількість електроустаткування). Все більш актуальним стає питання енергозбереження.
Технічний стан об'єктів енергетики характеризується критичним рівнем зношеності основних фондів (від 60 до 70%), збільшенням питомих витрат палива на виробництво електроенергії, зростанням втрат в мережах під час транспортування енергопродуктів (в електроенергетиці витрати електроенергії під час транспортування в мережах у 1991 році становили 9% , на даний час – 14%) [1].

Підвищити рівень енергозбереження можливе за умови зменшення енергоємності.Система теплопостачання вимагає докорінної технологічної перебудови з переважним використанням комбінованого виробництва теплової та електричної енергії, підвищення економічної ефективності.
У скандинавських країнах, де клімат суворіший нашого, енерговитратність житлових будинків становить 120 – 150 кВт·рік /м в рік, а енергоефективних – 60÷80 кВтч/м² (житлові будинки забудови останніх років в Україні споживають 300 – 400 кВт*ч/м² на рік). Щоб досягти таких показників, будинок, крім енергозберігаючих огороджень, повинен бути обладнаний останніми досягненнями енергоекономної техніки: сонячними колекторами, тепловими насосами, системами акумуляції тепла, економними автоматизованими системами опалення, вентиляції, гарячого водопостачання, кондиціонування повітря.
Сьогодні тепловий насос – це перспективний і практичний спосіб опалення. І при встановлення теплового насоса, для опалення і підігріву води, можна значно скоротить витрати електроенергії майже 60%, а також при цьому не використовувати споживання газу, вугілля і т.д.

Метою роботи є дослідження енергозбереження традиційними методами і порівняння їх з енергозбереженням при використанні теплових насосів. А також розгляд варіантів використання теплових насосів.

Встановлення теплового насоса, для опалення і підігріву води, дозволяє значно скоротить витрати електроенергії. Витрати на встановлення системи опалення за допомогою теплового насоса в два рази дорожче вартості самого насоса. Але в процесі експлуатації ці витрати окуповуються вже за 2 роки у зв'язку з тим витрата електроенергії знижується до 60%.

Також при цьому не вдаються до використання опалювальних систем за допомогою газових або вугільних установок, а тим самим не витрачати ці ресурси.

– Аналіз енергозбереження традиційними методами, і його ефективність.

– Аналіз можливих варіантів використання теплових насосів.

– Аналіз комбінованих систем опалення, теплового насоса і електрокотлів.

– Порівняння енергозбереження за допомогою теплового насоса і з допомогою традиційних методів.

Всеукраїнська науково-технічна конференція «Електротехніка, електроніка та мікропроцесорна техніка».

У теплових насосах, так само як і в холодильних установках, здійснюється так званий зворотний цикл передачі теплоти від джерела з низькою температурою до джерела з більш високою температурою. При цьому необхідно затратити деяку кількість механічної енергії.

Баланс енергії для обох циклів виражається рівнянням:

де QBA – енергія, яка відводиться від робочого тіла;

Qdc – підводиться до робочого тіла теплова енергія;

W_CD – робота, яка витрачається на передачу теплоти від низькотемпературного до більш високотемпературному джерела.
На рис. 1.1 показані цикл Карно і схема ідеального теплового насосу.

Рисунок 1.1. Цикл Карно і схема пристрою ідеального теплового насоса

Цикл Карно складається з ізотермічного процесу DC підведення теплоти Q_DC на низькому температурному рівні Тн, відповідаючий умовам теплообміну з навколишнім середовищем, ізоентропічного стиснення СВ, в процесі якого до робочого тіла підводиться робота W_CD , ізотермічного процесу ВА відведення теплоти Q_BA на високому температурному рівні Тв , що відповідає умовам теплообміну з обігрівається простором, і ізоентропічного розширення AD, в процесі якого робоче тіло повертає енергію W_AD, в результаті чого до компресора подається зовнішня енергія W, що дорівнює різниці енергій W_CD і W_AD.

Розглянемо на прикладі енергетичний баланс теплового насоса (рис. 1.2), де приймаємо, що до ТН підведена електрична потужність, що дорівнює 51 кВт. Корисна потужність теплового насоса, що передається споживачеві від конденсатора Q_BA = 100 кВт, являється сумою теплової потужності випарника Q_DC = 57 кВт, отриманої з навколишнього середовища, і механічної потужності компресора на стиск хладогенту Р = 43 кВт. Причому, з підведеною до теплового насосу електричної потужності втрати потужності у електродвигунів компресора становлять 5 кВт і 3 кВт на приводі вентилятора охолодження [1].

Рис. 1.2. Приклад схеми енергетичного балансу парокомпресорного теплового насоса

Ефективність теплового насоса прийнято визначати за допомогою декількох різних коефіцієнтів.

Найбільш часто в практиці зіставлення різних циклів і конструкцій теплових насосів використовується коефіцієнт перетворення (φ), який визначається як відношення корисної теплової енергії, одержаної на виході з теплового насоса Q_BA, до енергії, витраченої компресором на стиск хладогенту W:

Наочно цей теоретичний коефіцієнт перетворення виражається відношенням заштрихованої на рис. 1.1 площі прямокутника ЕFВА до площі прямокутника CBA.[3]

Теоретичні коефіцієнти перетворення ідеального циклу Карно для теплового насоса, обчислені для значень Тв = 313К (40° С), 333 К (60° С) і 353К (80° С) представлені на рис. 1.3 [1].

Рис. 1.3. Теоретичний коефіцієнт перетворення ідеального теплового насоса

Дійсні коефіцієнти перетворення істотно нижче теоретично можливих, що пов'язано з необоротністю процесів теплообміну в апаратах, а також з їх механічною недосконалістю.

Теплові насоси можна класифікувати за такими ознаками:

• за поєднанням використовуємого низькопотенційного тепла з нагріваючим в теплових насосах середовищем;

За принципом дії використовують три типи теплових насосів:

Джерелами низькопотенційного тепла можуть бути:

• низькопотенційне тепло штучного походження (скидні води, нагріті води або інші рідини технологічних процесів та ін.).

По поєднанню використовуємого низькопотенціального тепла з нагріваємим в теплових насосах середовищем розрізняють наступні варіанти:

За видами затраченої енергії розрізняють теплові насоси, що використовують електроенергію (найчастіше), паливо того чи іншого виду, вторинні джерела енергії.

Найбільш часто використовується тепло грунту, який приблизно на глибині 2-х метрів нижче поверхні має відносно постійну протягом усього року температуру 8 ... 10° С, що набагато вище температури зовнішнього повітря протягом зими і нижче температури навколишнього середовища влітку, що й робилося раніше людьми [2]. При використанні теплового насоса взимку останній використовує тепло грунту або води для теплопостачання будівлі, а влітку тепло з будівлі відводиться в грунт або воду, тобто грунт діє як джерело тепла взимку і приймач тепла влітку.

З точки зору теплофізики грунт є невичерпним джерелом теплової енергії. При «відборі» тепла Землі використовують її верхній шар, що знаходиться на глибині до 100 метрів від поверхні. З точки зору теплообміну цей шар грунту находиться під впливом променевої енергії Сонця, радіогенного тепла з глибинних шарів Землі, конвективного теплообміну з атмосферним повітрям і теплопереносу за рахунок різних масообмінних процесів (дощ, тане сніг, грунтові води і т.д. ).

Принцип опалення геотермальним тепловим насосом заснований на зборі тепла з природи, що оточує будівлю, та передачі зібраного тепла в систему опалення (або гарячого водопостачання) будівлі.

Рисунок 1.4. Принцип опалення будинку за допомогою теплового насоса.

Для збору тепла незамерзаюча рідина протікає по трубі, розташованій у грунті або водоймищі біля будівлі, до теплового насосу. Тепловий насос, подібно до холодильника, відбирає тепло і, відповідно, охолоджує рідину приблизно на 5° С [3]. Відібрані тепловим насосом градуси віддаються системі опалення та / або на підігрів гарячої води та / або басейну ... Рідина знову тече по трубі у грунті або воді, відновлює свою температуру, і знову надходить до теплового насосу.

Тепловий насос може використовувати накопичену в скелях, грунті, воді теплову енергію для нагріву будівлі: опалення, підігріву гарячої води, басейну, зимового саду, систем проти обмерзання і т.д. Перетворення накопиченої в природі низькотемпературної теплової енергії в тепло для нагрівання відбувається в трьох контурах. У грунтовому контурі (1) вільне тепло переходить від навколишнього середовища до незамерзаючої рідини, і подається при температурі близько нуля градусів до теплового насосу [6]. У контурі фреону (2) теплонасос збільшує температуру отриманого тепла до 100 градусів. У контурі гріючої сторони (3) тепло від фреону передається в систему опалення, і поширюється по будівлі.

A – У трубах незамерзаюча рідина - розсіл - циркулює від теплового насоса до джерела тепла (скеля / грунт / озеро / вода). Накопичена енергія джерела тепла нагріває розсіл на кілька градусів, наприклад від -3° C до ° C.

B – Розсіл по трубах повертається до випарника теплового насоса. Тут розсіл віддає теплову енергію, охолоджується на кілька градусів від 0° C до – 3° C. Потім розсіл повертається до джерела тепла, і отримує енергію знову.

C – Фреон циркулює в закритому контурі теплового насоса, і проходить через випарник. Фреон має дуже низьку температуру кипіння. У випарнику фреон отримує теплову енергію від розсолу, підігрівається від – 20° C до – 2° C, починає кипіти, і перетворюється на пару.

D – Пара поступає в компресор з електроприводом. Компресор стискає пар, тиск підвищується, і температура пари зростає від – 2° C до +100° C.

E – Від компресора пара поступає в теплообмінник - конденсатор, де він віддає тепло системі опалення, після чого пара охолоджується від +100° C до +70° C, і пар конденсує в рідкий фреон.

F – Тиск фреону ще залишився високим, і він проходить через розширювальний кран. Тиск фреону падає, і він повертається до своєї початкової температурі –20° C. Фреон пройшов повний цикл. Він повертається у випарник, і процес повторюється.

G – Теплова енергія, яку віддав фреон в конденсаторі, передається воді опалювальної системи, або на підігрів гарячої води, басейну і т.д.

H – Теплоносій системи опалення циркулює по замкнутому контуру. З температурою +40° C він підходить до теплового насосу, нагрівається в конденсаторі до +50° C, і транспортує тепло для нагрівання води або радіаторів опалювальних приладів. Віддавши тепло приладів, і охолонувши до +40° C, теплоносій повертається за наступною порцією тепла до теплового насосу.