https://www.high-endrolex.com/35

‘акторы, вли€ющие на эффективность трансформации теплоты тепловым насосом

‘акторы, вли€ющие на эффективность трансформации теплоты тепловым насосом

ѕереход в –оссии к малоэтажному строительству сопровождаетс€ трудност€ми организации гарантированного теплоснабжени€. » как следствие этого начинаетс€ использование “Ќ, которые имеют свои особенности в части достижени€ эффективности теплоснабжени€. 

ƒл€ “Ќ очень важен коэффициент трансформации теплоты, завис€щий в основном от температурных параметров аккумул€тора теплоты Ч грунта, воды, а также и воздуха. ¬ общем виде тепловой режим грунта формируетс€ под действием трех основных факторов Ч падающей на поверхность солнечной радиации, температуры воздуха и потока тепла из земных недр, который как правило, составл€ет не более 0,05 Ц 0,12 ¬т/м2. ѕри эксплуатации грунтового массива, наход€щегос€ в пределах зоны теплосбора/теплоотдачи, вследствие сезонного изменени€ параметров наружного климата, а также под воздействием эксплуатационных нагрузок на грунт он может подвергатьс€ многократному замораживанию и оттаиванию. 

јгрегатное состо€ние влаги, заключенной в порах грунта, измен€етс€. ¬ общем случае она находитс€ в жидкой, твердой и газообразной фазах одновременно. ¬ капилл€рно-пористых образовани€х, которыми €вл€етс€ грунтовый массив системы теплосбора/теплоотдачи, наличие влаги в поровом пространстве оказывает заметное вли€ние на процесс распространени€ тепла. ѕри наличии в толще грунтового массива температурного градиента молекулы вод€ного пара перемещаютс€ к местам, имеющим пониженный температурный потенциал. ќдновременно под действием гравитационных сил возникает противоположно направленный поток влаги в жидкой фазе.  роме этого, на температурный режим верхних слоев грунта оказывает вли€ние влага атмосферных осадков и грунтовых вод.

—в€занна€ в грунте вода не замерзает при 0 ⁰—, т.к. €вл€етс€ Ђтвердымї телом; прочносв€занна€ вода замерзает при температуре минус 78 Ц 186 ⁰—. ¬ода макрокапил€ров [r >10(в минус 7 степени)м] если не содержит растворенных солей, должна замерзать при 0 ⁰—; микрокапил€рна€ вода замерзает в температурном диапазоне от 0 до минус 50 ⁰—; капилл€рно-поглощенна€ вода замерзает при минус 4 ⁰—; 5 Ц 6 мономолекул€рных слоев вообще не могут кристаллизоватьс€, а переход€т в стеклообразное состо€ние; при очень низких температурах замерзает монослой .

¬ таблицах 2 Ц 5 приведены данные о среднемес€чных температурах грунта на различных глубинах дл€ некоторых городов –оссии.

“аблица 2 Ц —редние естественные температуры грунта (⁰—) по мес€цам на глубине 1,6 м дл€ некоторых городов –оссии

√орода

ћес€цы

≤≤

≤≤≤

≤V

V

V≤

V≤≤

V≤≤≤

≤’

’≤

’≤≤

јстрахань

Ѕарнаул

Ѕратск

»ркутск

ћагадан

ћосква

Ќовосибирск

ќренбург

ѕермь

—очи

—таврополь

’абаровск

ярославль

7,5

2,6

0,4

Ц0,8

Ц6,5

3,8

2,1

4,1

2,9

11,2

5,0

0,3

2,8

6,1

1,7

Ц0,2

Ц2,8

Ц8,0

3,2

1,2

2,6

2,3

9,8

4,0

Ц1,8

2,2

5,9

1,2

Ц0,6

Ц2,7

Ц8,8

2,7

0,6

1,9

1,9

9,6

3,8

Ц2,3

1,9

7,3

1,4

Ц0,5

Ц1,1

Ц8,7

3,0

0,5

2,2

1,6

11

5,3

Ц1,1

1,7

11

4,3

Ц0,3

Ц0,5

Ц3,9

6,2

1,3

4,9

3,4

13,4

5,3

Ц0,4

3,9

14,6

8,2

0,0

Ц0,2

Ц2,6

9,2

5,0

8,0

7,2

16,2

8,8

2,5

7,8

17,4

11

3

1,7

Ц0,8

12,1

9,1

10,7

10,5

18,9

12,2

9,5

10,7

19,1

12,4

6,8

5,0

0,1

13,4

11,3

12,4

12,1

20,8

15,7

13,3

12,4

19,1

11,6

7,2

6,7

0,4

12,5

10,9

12,6

11,5

21

15,1

13,5

11,5

17

9,2

5,4

5,6

0,1

10

8,8

11

9,0

19

13

11

9,5

13,6

6,2

2,9

3,2

Ц0,2

7,3

5,8

8,6

6,0

16,8

9,7

6,7

6,3

10,2

3,9

1,4

1,2

Ц2,0

5,0

3,6

6,0

4,0

13,5

6,8

3,0

3,9

“аблица 3 Ц “емпература грунта (⁰—) в —таврополе (почва Ч чернозем)

√лубина, м

ћес€цы

≤≤

≤≤≤

≤V

V

V≤

V≤≤

V≤≤≤

≤’

’≤

’≤≤

0,4

0,8

1,6

3,2

1,2

3,0

5,0

8,9

1,3

1,9

4,0

8,0

2,7

2,5

3,8

7,4

7,7

6,0

5,3

7,4

13,8

11,5

8,8

8,4

17,9

15,4

12,2

9,9

20,3

17,6

14,4

11,3

19,6

17,6

15,7

12,6

15,4

15,3

15,1

13,2

11,4

12,2

12,7

12,7

6,0

7,8

9,7

11,6

2,8

4,6

6,8

10,1

“аблица 4 Ц “емпература грунта (⁰—) во ¬ладивостоке (почва бура€ камениста€, насыпна€)

√лубина, м

ћес€цы

≤≤

≤≤≤

≤V

V

V≤

V≤≤

V≤≤≤

≤’

’≤

’≤≤

0,4

0,8

1,6

3,2

Ц3,7

Ц0,1

3,6

8,0

Ц3,8

Ц1,4

2,0

6,4

Ц1,1

Ц0,6

1,3

5,2

1,0

0,0

1,1

4,4

7,3

4,4

2,9

4,2

12,7

10,4

7,7

5,5

16,7

14,2

11,0

7,5

19,5

17,3

14,2

9,4

17,5

17,0

15,4

11,3

12,3

13,5

13,8

12,4

5,2

7,8

10,2

11,7

0,2

2,9

6,4

10,0

“аблица 5 Ц “емпература грунта (⁰—) в якутске (почва илисто-песчанна€ с примесью перегно€, ниже Ч песок)

√лубина м

ћес€цы

≤≤

≤≤≤

≤V

V

V≤

V≤≤

V≤≤≤

≤’

’≤

’≤≤

0,4

0,8

1,6

3,2

Ц16,8

Ц12,4

Ц5,6

Ц1,7

Ц17,4

Ц14,1

Ц7,4

Ц2,6

Ц15

Ц13

Ц7,9

Ц3,8

Ц8,4

Ц8,4

Ц7,0

Ц4,4

2,5

Ц1,4

Ц4,1

Ц4,2

11,0

5,0

Ц1,8

Ц3,4

15

9,4

0,3

Ц2,8

13,8

9,6

1,5

Ц2,3

6,7

5,3

1,1

Ц1,9

Ц1,9

0,0

0,1

Ц1,8

Ц8,0

Ц3,4

Ц0,1

Ц1,6

Ц13

Ц8,1

Ц2,4

Ц1,5


 ак видно из данных таблиц 2 Ц 5, характерной особенностью естественного температурного режима грунта €вл€етс€ запаздывание минимальных температур грунта относительно времени наступлени€ минимальных температур наружного воздуха (к моменту наступлени€ этих температур в грунте нагрузка на системы теплоснабжени€ снижаетс€).

»сследовани€, проведенные в ќјќ Ђ»Ќ—ќЋј–-»Ќ¬≈—“ї, показали, что потребление тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта. “емпература грунта в почвенно-климатических услови€х большей части территории –‘ не успевает восстановитьс€ в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. ѕотребление тепловой энергии из грунта в течение следующей зимы вызывает дальнейшее снижение его температуры, и к началу третьего отопительного сезона температурный потенциал грунта ещЄ больше отличаетс€ от естественного, и т.д, т.е. образуютс€ участки Ђвечной мерзлотыї.

ќгибающие графиков теплового вли€ни€ многолетней эксплуатации системы теплосбора на естественный температурный режим грунта имеют €рко выраженный экспоненциальный характер, и только к п€тому году эксплуатации колебани€ температуры грунта выход€т на новый режим, близкий, к периодическому. Ќачина€ с п€того года эксплуатации, многолетнее потребление теплоты из грунтового массива систем теплосбора сопровождаетс€ периодическими изменени€ми его температуры.

”читыва€ это обсто€тельство, при проведении районировани€ территории –‘ по эффективности применени€ теплонасосных систем (“Ќ—) теплоснабжени€ ќјќ Ђ»Ќ—ќЋј–-»Ќ¬≈—“ї в качестве критери€ эффективности выбран средний за 5-й год эксплуатации коэффициент трансформации теплоты.

ƒанные таблиц 2 Ц 5 и исследовани€  показывают, что российские почвы имеют очень низкие температуры, чтобы их тепловой потенциал мог бы обеспечивать высокий коэффициент трансформации теплоты “Ќ в течение длительных зим.

ѕри использовании массива грунта объемы извлекаемого из него низкопотенциального тепла должны быть соизмеримы с генерирующей мощностью “Ќ (“Ќ—), без учета глубинного тепла, т.к. поступающее из недр земли тепло, например, на участке площадью 200 м2 равно примерно 20 ¬т, это столько сколько выдел€ют 4 курицы-несушки (курица выдел€ет 5 ¬т теплоты). »спользование глубинной энергии грунта аналогично использованию нефти, газа и угл€, в том смысле, что этот локальный источник рано или поздно истощаетс€. ј дл€ потребител€ тепла (здани€) это угроза лишитьс€ дорогого по стоимости источника теплоснабжени€, поскольку перенести здание на новое место не реально.

»спользование “Ќ может быть (будет) намного эффективнее в приложени€х. 

Ќапример, когда используетс€ массив грунта, расположенный вблизи прокладки силовых электрокабелей. ¬едь при их эксплуатации всегда выдел€етс€ тепло (длительно допустима€ температура нагрева жил кабелей при эксплуатации + 70 Ц 90 ⁰—, допустима€ при перегрузке до + 90 Ц 130 ⁰—).

“акже реально использование массива грунта под коллектором, например, канализационных стоков на выходе из дома, где температура стоков наиболее высока€ и отсутствует опасность их замерзани€.

Ѕольша€ эффективность будет достигатьс€, если использовать в качестве источника низкопотенциальной теплоты проницаемый массив грунта, расположенный между двум€ колодцами, неглубокими скважинами и т.д. ¬ этом случае, при заборе из одного колодца воды в другом уровень понижаетс€, следовательно, вода, проход€ через грунт, подогревает его, восстанавлива€ температурный потенциал. –езко расшир€ютс€ границы (зона) теплосбора (съема тепла) охватыва€ области как расположенные между колодцами (скважинами), так и вокруг них и под ними.

¬ качестве источника энергии окружающей среды дл€ “Ќ актуально использование теплоты, замерзающей воды котлована, если р€дом нет малого водного потока, исход€ из того, что в частном доме (коттедже) стоков всегда мало. ”дельна€ теплота фазового перехода воды в лед, при замерзании составл€ет 334 кƒж/кг, в то врем€ как удельна€ теплоемкость дл€ грунтов в среднем равна 1,5 кƒж/кг∙⁰—.

”дельна€ теплоемкость окружающего воздуха 1 кƒж/кг∙⁰—. ѕлотность воздуха в 800 раз меньше плотности воды, а его температура зимой значительно ниже температуры замерзающей воды.

ћассив грунта можно зимой пополн€тьс€ энергией за счет теплоты удал€емого из помещений воздуха, если воздуховод проходит через этот массив. Ёффективность рекуперации в этом случае возрастает тогда, когда в воздуховоде происходит конденсаци€ испарившейс€ с поверхности листьев комнатных растений, кожи и легких людей воды, пара образовывающегос€ при приготовлении пищи, мытье посуды, приема душа, влажной уборке.

¬ этом случае обеспечиваетс€ аккумулирование грунтом значительного объема низкопотенциальной теплоты (при конденсации 1 кг пара воды аккумулируетс€ 0,63 к¬т∙ч теплоты).

¬ысока€ относительна€ влажность в жилых помещени€х обычно наблюдаетс€ во врем€ начала отопительного сезона, когда просушиваютс€ стены. “огда воздух сильно насыщаетс€ вод€ным паром. “емпература точки росы такого воздуха высока€ (таблица 6), что обеспечивает, при конденсации пара в воздуховоде Ђподогревї массива грунта.

“аблица 6 Ц “очка росы дл€ влажного воздуха при атмосферном давлении. ¬ зависимости от температуры t, сухого воздуха и относительной влажности

t, ⁰—

ќтносительна€ влажность, %

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

“очка росы, ⁰—

14

16

18

20

3,7

5,6

7,4

9,2

4,8

7,0

8,9

10,5

6,2

8,3

10,0

11,9

7,4

9,4

11,3

13,1

8,5

10,5

12,4

14,4

9,6

11,6

13,5

15,5

10,5

12,6

14,6

16,5

11,4

13,5

15,5

17,4

12,3

14,4

16,5

18,3

13,1

15,2

17,2

19,2

14,0

16,0

18,0

20,0


 ак видно из таблицы 6 эффективность аккумулировани€ теплоты, при конденсации паров воды из воздуха будет возрастать с повышением влажности.   сырым помещени€м не жилого сектора, относительна€ влажность в которых длительно превышает 75 %, относ€тс€: овощехранилища, доильные залы, молочные, кухни общественных столовых и т.п., а также при наличии установок микроклимата: животноводческие помещени€. ќсобо сырые помещени€ Ч это помещени€, где относительна€ влажность воздуха близка к 100 %; потолок, стены, пол и предметы, наход€щиес€ в помещении, покрыты влагой. Ёто моечные в мастерских, цеха дл€ приготовлени€ влажных кормов, коровники, свинарники, тел€тники, птичники и другие, при отсутствии в них установок по созданию микроклимата.

Ёффективность трансформации теплоты тепловым насосом также можно повысить, если дл€ обогрева помещений применить интенсивный съем тепла с конденсатора “Ќ за счет вентил€тора. “огда температура конденсатора может быть снижена до 25 Ц 35 ⁰—.

ƒл€ теплоснабжени€ большое значение имеет стоимость тепла. ќсобое значение в этом случае имеет вид топлива, используемого дл€ выработки теплоты. “ак не редко, дл€ воздушного отоплени€ производственных, складских помещений, ферм, агропромышленных комплексов, строительных объектов, в том числе и при проведении чистовых отделочных работ примен€ютс€ воздухонагреватели использующие дизельное и газовое топливо (таблица 7).

“аблица 7 Ц характеристика воздухонагревател€ модели SP-60

Ќоминальна€ теплова€ мощность, к¬т

ѕодача воздуха, м3

ѕерепад температур, ⁰—

–асход дизельного топлива, кг/ч

ѕотребл€ема€ электрическа€ мощность, к¬т

63,3

4300

44

5,88

1,6

 ак следует из таблицы 7 дл€ выработки 1 к¬т∙ч тепловой энергии расходуетс€ около 0,1 л дизельного топлива. ѕри его цене 24 рублей/литр, стоимость 1 к¬т∙ч тепловой энергии с учетом стоимости только топливной составл€ющей равна 2,4 рублей, т.е. равна стоимости электроэнергии.

Ќесмотр€ на это часто фермеры вынуждены примен€ть такой дорогой вид теплоснабжени€, поскольку от микроклимата в фермах напр€мую завис€т надои молока (рисунок 1). Ёто св€зано с тем, что длительна€ селекци€ пород животных по продуктивному признаку привела к некоторому ослаблению энергосберегающих механизмов адаптации (физической терморегул€ции) и, наоборот, развитию энергорасточительных процессов приспособлени€ (химической терморегул€ции), что сказываетс€ на продуктивности животноводства.

аналитика 7.jpg

–исунок 1 «ависимость надоев молока и удельного расхода кормов от температуры воздуха при влажности 75 Ц 80 % в зоне размещени€ коров

 ак следует из рисунка 1, потери в молочном животноводстве могут быть достаточно большими при отсутствии инженерного оборудовани€ поддержани€ микроклимата на фермах (системы холодотеплоснабжени€).

»спользование электроэнергии дл€ генерации теплоты “Ќ в эпоху социализма показало следующее (таблица 8).

“аблица 8 Ц Ёлектропотребление на теплоснабжение сельского дома заводского изготовлени€ при использовании “Ќ дл€ извлечени€ теплоты грунта в услови€х Ћатвийской ——–

ѕотребители энергии

–асход электроэнергии, QЁ

ѕолученна€ теплота из грунта Q (к¬т∙ч)

Q/ QЁ

к¬т∙ч

%

ќтопление

√ор€чее водоснабжение

Ѕытовые расходы кроме приготовлени€ пищи

8700

3553

1824

61,8

25,2

13,0

Ч

Ч

Ч

Ч

Ч

Ч

¬—≈√ќ

14077

100

30427

2,483


 ак следует из таблицы 8, при стоимости 1 к¬т∙ч электроэнергии в 3 Ц 5 раз выше, чем 1 к¬т∙ч тепловой, теплоснабжение “Ќ от естественной теплоты грунта экономически не выгодно, конечно по сравнению с пр€мым использованием электроэнергии на обогрев.

Ќо не везде, т.к. в российской электроэнергетике длина линий электропередачи Ч 2,5 млн км. “ранспортна€ составл€юща€ в общем тарифе на электроэнергию достигает 45 Ц 50 % и выше. √енераци€ электроэнергии неравномерна по территори€м. »з-за этого разница в цене электрической энергии, например, дл€ жителей —ибири в 2010 году достигала п€ти раз. ¬ »ркутской области Ч 62 коп./к¬т∙ч (дл€ сельского населени€ 43,4 коп./к¬т∙ч). ѕри одноставочном тарифе жители јлтайского кра€ платили 2,56 руб./к¬т∙ч, а при использовании дифференцированного тарифа жители, имеющие газовые плиты, за электроэнергию в пиковые часы платили 3,8 руб./к¬т∙ч, а в ночные часы Ч 1,94 руб./к¬т∙ч.

ѕоскольку экономическа€ эффективность использовани€ “Ќ в основном зависит от стоимости электроэнергии, то электроприводные “Ќ должны примен€тьс€ когда:

  • температура стоков (грунта) большую часть года выше 20 ⁰— (коэффициент трансформации “Ќ электроэнергии в теплоту более 5);

  • потребитель теплоты децентрализован;

  • отопительный сезон краток (когда строительство разветвленных теплотрасс экономически не выгодно);

  • имеетс€ значительный избыток дешевой электроэнергии (√Ё—, ¬Ё—);

  • производство электроэнергии не св€зано со сжиганием органического топлива, с параллельным производством теплоты, например, на √Ё—, ‘Ё—, ¬Ё—.

ќднако и здесь есть противоречи€.  огда электроэнерги€ дешева€, то зачем покупать дорогой “Ќ, не выгоднее ли с финансовой точки зрени€ жителю дома использовать электроэнергию на обогрев напр€мую. Ёто аналогично тому: зачем покупать дорогие энергосберегающие электрические лампочки, если они не окупаютс€ за врем€ эксплуатации.

ќтработка эффективного теплоснабжени€ проводилась и на комбинированных системах теплоснабжени€ ( —“), с использованием солнечной и ветровой энергии.

»сследование по использованию  —“ показало еЄ затратность из-за большого количества дублирующих друг друга устройств, капиталоемкости и малых  »”ћ (табл. 9)

“аблица 9 Ц Ёнергопотребление сельского дома на теплоснабжение при  —“ с широким использованием нетрадиционных источников энергии в услови€х Ћатвийской ——–

–асход и покрытие теплопотреблени€

тыс. к¬т∙ч

%

ѕотребность в тепловой энергии на теплоснабжение дома

“о же, с улучшенной теплоизол€цией

“о же, при установке рекуперативного теплообменника

ѕокрытие потребности на теплоснабжение дома

от солнечного коллектора

от ¬Ё—

от электрического котла

от пиковой топливной тепловой установки

50

40

32

3

9

12

8

Ч

Ч

100

9,4

28,1

37,5

25,0

¬ представленной  —“ по мнению исследователей  в принципе возможна еЄ работа при работе солнечного коллектора, ¬Ё— и электрического котла (использующего ночную электроэнергию) на общий аккумул€тор.

јвтор: ќсадчий √еннадий Ѕорисович, инженер, автор 140 изобретений ———– 

  • ƒата публикации: 13.07.2015
  • 1144
ќќќ Ђƒ≈Ћќ¬џ≈ —»—“≈ћџ —¬я«»ї
ќтраслевой информационно-аналитический портал, посв€щЄнный энергетике Ѕеларуси. јктуальные новости и событи€. ѕодробна€ информаци€ о компани€х, товары и услуги.
220013
–еспублика Ѕеларусь
ћинск
ул. ул. Ѕ. ’мельницкого, 7, офис 310
+375 (17) 336 15 55 , +375 (25) 694 54 56 , +375 (29) 302 40 02 , +375 (33) 387 08 05
+375 (17) 336 15 56
info@energobelarus.by
ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

ЁнергоЅеларусь

191611654
5
5
1
150
150