Тепловые насосы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «БЕЛАРУССКИЙ ГОСУДАСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

Кафедра физикохимии материалов и производственных технологий

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

 

по дисциплине: Основы энергосбережения

на темы: Тепловые насосы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент УЭФ, 2-й курс	/////
Проверила	Л. М. Судиловская

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИНСК 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1 Понятие  теплового насоса, классификация  и область применения 4

2 Типы тепловых  насосов 6

3 Тепловые  насосы в системах отопления  и кондиционирования 8

4 Преимущества  и недостатки 10

Заключение 11

Список использованных источников 12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Теплоснабжение  требует  весьма больших затрат топлива, которые  превосходят почти в 2 раза затраты  на электроснабжение. Основными недостатками традиционных источников теплоснабжения являются низкая энергетическая (особенно на малых котельных), экономическая  и экологическая эффективность (традиционное теплоснабжение является одним из основных источников загрязнения крупных  городов). Кроме того, высокие транспортные тарифы на доставку энергоносителей  усугубляют негативные факторы, присущие традиционному теплоснабжению.

Нельзя не учитывать и  такой серьезный термодинамический  недостаток, как низкий эксергетический КПД использования химической энергии топлива для систем теплоснабжения, который в системах отопления составляет 6-10%.

Чрезвычайно велики затраты  на тепловые сети, которые являются, вероятно, самым ненадежным элементом  в системах централизованного теплоснабжения.

Все перечисленные негативные факторы традиционного теплоснабжения настоятельно требуют интенсивного использования нетрадиционных методов.

Одним из таких методов  является полезное использование рассеянного  низкотемпературного (5-30° C) природного тепла или сбросного промышленного  тепла для теплоснабжения с помощью  тепловых насосов.

Тепловые насосы в силу того, что они избавлены от большинства  перечисленных недостатков централизованного  теплоснабжения, нашли широкое применение за рубежом, если в 1980 г. в США работало около 3 млн. теплонасосных установок, в Японии 0,5 млн., в Западной Европе 0,15 млн., то в 1993 г. общее количество работающих теплонасосных установок (ТНУ) в развитых странах превысило 12 млн., а ежегодный выпуск составляет более 1 млн. Массовое производство тепловых насосов налажено практически во всех развитых странах. По прогнозу Мирового энергетического комитета к 2020 г. в передовых странах доля отопления и горячего водоснабжения с помощью тепловых насосов составит 75 %.

 

1 Понятие теплового насоса, классификация  и область применения

 

Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой. Термодинамически тепловой насос аналогичен холодильной машине. Однако если в холодильной машине основной целью является производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёма испарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Большую перспективу представляет использование тепловых насосов  в системах горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Известно, что в годовом  цикле на ГВС расходуется примерно столько же тепла, как и на отопление  зданий. Источником низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как естественного, так и искусственного происхождения. В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы:

• тепло земли (тепло грунта);

• подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные);

• наружный воздух.

В качестве искусственных  источников низкопотенциального тепла могут выступать:

• удаляемый вентиляционный воздух;

• канализационные стоки (сточные воды);

• промышленные сбросы;

• тепло технологических  процессов;

• бытовые тепловыделения.

Таким образом, существуют большие  потенциальные возможности использования  энергии вокруг нас, и тепловой насос  представляется наиболее удачным путем  реализации этого потенциала.

Ранее тепловой насос использовался  в первую очередь для кондиционирования (охлаждения) воздуха. Система была способна также обеспечить определенную отопительную мощность, в большей  или меньшей степени удовлетворяющую  потребности в тепле в зимний период. Однако характеристики этого  оборудования стремительно меняются: сейчас во многих странах Европы тепловые насосы используются в отоплении  и ГВС. Такое положение связано  с поиском экологичных решений: вместо традиционного сжигания ископаемого топлива - использование альтернативных источников энергии, например, солнечной. Для массового потребителя одним из наиболее предпочтительных вариантов использования нетрадиционных источников энергии является использование низкопотенциального тепла посредством тепловых насосов.

Существуют разные варианты классификации тепловых насосов. Ограничимся  делением систем по их оперативным  функциям на две основных категории:

• тепловые насосы только для  отопления и/или горячего водоснабжения, применяемые для обеспечения  комфортной температуры в помещении  и/или приготовления горячей санитарной воды;

• интегрированные системы  на основе тепловых насосов, обеспечивающие отопление помещений, охлаждение, приготовление  горячей санитарной воды и иногда утилизацию отводимого воздуха. Подогрев воды может осуществляться либо отбором  тепла перегрева подаваемого  газа с компрессора, либо комбинацией  отбора тепла перегрева и использования  регенерированного тепла конденсатора.

Тепловые насосы, предназначенные  исключительно для приготовления  горячей санитарной воды, зачастую в качестве источника тепла используют воздух среды, но равным образом могут  использовать и отводимый воздух.

 

2 Типы  тепловых насосов

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью  механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные  тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или  топлива).

В зависимости от источника  отбора тепла тепловые насосы подразделяются на:

1) Геотермальные (используют  тепло земли, наземных либо  подземных грунтовых вод

  а) замкнутого типа

• горизонтальные

 

Горизонтальный геотермальный  тепловой насос

Коллектор размещается кольцами или извилисто в горизонтальных траншеях ниже глубины промерзания  грунта (обычно от 1,20 м и более)[7]. Такой способ является наиболее экономически эффективным для жилых объектов при условии отсутствия дефицита земельной площади под контур.

• вертикальные

Коллектор размещается вертикально  в скважины глубиной до 200 м[8]. Этот способ применятся в случаях, когда площадь  земельного участка не позволяет  разместить контур горизонтально или  существует угроза повреждения ландшафта.

• водные

Коллектор размещается извилисто  либо кольцами в водоеме (озере, пруду, реке) ниже глубины промерзания. Это  наиболее дешевый вариант, но есть требования по минимальной глубине и объёму воды в водоеме для конкретного  региона.

  б) открытого типа

Подобная система использует в качестве теплообменной жидкости воду, циркулирующую непосредственно  через систему геотермального теплового  насоса в рамках открытого цикла, то есть вода после прохождения по системе возвращается в землю. Этот вариант возможно реализовать на практике лишь при наличии достаточного количества относительно чистой воды и при условии, что такой способ использования грунтовых вод не запрещён законодательством.

2) Воздушные (источником  отбора тепла является воздух)

3) Использующие производное  (вторичное) тепло (например, тепло  трубопровода центрального отопления). Подобный вариант является наиболее  целесообразным для промышленных  объектов, где есть источники  паразитного тепла, которое требует  утилизации.

 

3 Тепловые  насосы в системах отопления  и кондиционирования

Использование геотермальных  тепловых насосов для отопления, охлаждения и горячего водоснабжения  здания или комплекса зданий.

В соответствии с изображенным принципом действия, тепловой насос  берет тепловую энергию, перекачивает ее, и отдает в другое место.

Например, в обычном холодильнике тепло отбирается морозильной камерой  из холодильника и выбрасывается  в кухню, при этом задняя стенка холодильника становится горячей.

 В реверсивных кондиционерах,  работающих на отопление, расположенный  снаружи здания блок забирает  тепло из воздуха и отдает  внутреннему блоку в здание. Однако, при температурах около плюс  пяти градусов, наружный блок  кондиционера начинает покрыватся инеем и льдом из конденсата воздуха, что уменьшает эффективность теплопередачи. Для удаления льда кондиционер начинает периодически отапливать наружный блок электричеством, при этом мощность отопления падает, расход электроэнергии увеличивается. При дальнейшем снижении температуры в итоге эффективность отопления на кондиционерах становится равной нулю, отопление прекращается, кондиционер останавливается.

Большая часть геотермальных  тепловых насосов находится под  землей. Подземными теплообменниками геотермальной системы могут  быть траншеи, горизонтальные и вертикальные коллектора (обычные скважины), а  также действующие дренажные  или водоподъемные скважины. Для  надежной работы ГТН должна быть выполнена  качественная заливка бетона под  основу теплового насоса. Внутри помещения  геотермальные тепловые насосы занимают немного места для установки, не больше, чем обычные системы  обогрева или воздушного кондиционирования.

Геотермальные тепловые насосы могут как обогревать, так и  охлаждать здание, одновременно производя  подогрев воды простым переходом  с одного режима на другой с помощью  термостата. Режим подготовки горячей  воды позволяет сэкономить до 55% средств  за потребление горячей воды, при  этом функция подготовки горячей  воды может быть и дополнительной опцией в зависимости от модели теплового  насоса. Летом, когда геотермальные  тепловые насосы работают в режиме охлаждения, горячая вода при кондиционировании  воздуха производится бесплатно.

Геотермальные тепловые насосы очень просто интегрируются в  существующую отопительную систему, создавая резервируемую двойную отопительную систему здания. При этом основным источником теплоснабжения в двойных  отопительных системах выступают ГТНы, а топливные или электрические котлы выступают дополнительными источниками отопления в период сильных холодов (пиковые нагреватели).

 

4 Преимущества  и недостатки

К преимуществам тепловых насосов в первую очередь следует  отнести экономичность: для передачи в систему отопления 1 кВт·ч тепловой энергии установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт·ч электроэнергии. Так как преобразование тепловой энергии в электрическую на крупных электростанциях происходит с кпд до 50 %, эффективность использования топлива при применении тепловых насосов повышается. Упрощаются требования к системам вентиляции помещений и повышается уровень пожарной безопасности. Все системы функционируют с использованием замкнутых контуров и практически не требуют эксплуатационных затрат, кроме стоимости электроэнергии, необходимой для работы оборудования.

Ещё одним преимуществом  тепловых насосов является возможность  переключения с режима отопления  зимой на режим кондиционирования  летом: просто вместо радиаторов к внешнему коллектору подключаются фэн-койлы или системы «холодный потолок».

Тепловой насос надежен, его работой управляет автоматика. В процессе эксплуатации система  не нуждается в специальном обслуживании, возможные манипуляции не требуют  особых навыков и описаны в  инструкции.

Важной особенностью системы  является её сугубо индивидуальный характер для каждого потребителя, который  заключается в оптимальном выборе стабильного источника низкопотенциальной энергии, расчете коэффициента преобразования, окупаемости и прочего.

Теплонасос компактен (его модуль по размерам не превышает обычный холодильник) и практически бесшумен.

Хотя идея, высказанная  лордом Кельвином в 1852 году, была реализована  уже спустя четыре года, практическое применение теплонасосы получили только в 30-х годах прошлого века. В западных странах тепловые насосы применяются давно — и в быту, и в промышленности. В Японии, например, эксплуатируется около 3 миллионов установок, в Швеции около 500 000 домов обогревается тепловыми насосами различных типов.

К недостаткам тепловых насосов, используемых для отопления, следует  отнести большую стоимость установленного оборудования.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ