XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Экологичный тепловой насос как источник альтернативной энергии в бытовых условиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сулейменов А.Ж. 1

---

1ГУ "Гимназия №3 для одаренных детей" г. Павлодар, Республика Казахстан

Брус Т.М. 1

---

1ГУ "Гимназия №3 для одаренных детей" г. Павлодар

Работа в формате PDF

1.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Проблемы отопления крупного промышленного города, каким является наш город Павлодар, оказывается, стояли еще более 40 лет назад. Об этом я узнал из газеты «Звезда Прииртышья» от 1 июля 1982 года в рубрике «Взгляд на проблему» в статье «Как отапливать город?» (1)

Но через более 40 лет спустя проблема не исчезла, а, наооборот, усугубилась. В средствах массовой информации, в интернет источниках постоянно выходят статьи об экологической проблеме, о загрязнении воздуха в Павлодаре с такими названиями, как: «В депертаменте экологии планируют постепенно переводить частные дома Павлодара на централизованное отопление» [1,2], «Печки и выхлопные газы: экологи назвали причины смога в Павлодаре»[3], «Туман со специфическим запахом опустился на Павлодар» [4], «Павлодарцы снова гадают в соцсетях, кто же портит воздух над городом»[5] и др. Проводятся очередные совещания в департаменте экологии о губительном для чистоты воздуха воздействии выбросов печного отопления в черте города, проходят общественные экологические советы по жалобам павлодарцев на смог и повышенное содержание выбросов в воздухе, которые учащаются зимой, проводятся внеплановые мониторинги на стационарных экологических постах и т.д. В итоге, одной из причин увеличения содержания углекислого газа в атмосферном воздухе в Павлодаре называют не только выбросы промышленных предприятий (3), но и отопление [4,5],которым обогреваются в нашем городе 12500 домов частного сектора [1] (2,4).

Моя бабушка проживает в частном доме в центре г. Павлодара и знакома с этой проблемой еще и с другой стороны. Дом у бабушки большой – 200 кв.м. Отопление печное на твердом топливе. За осенне-зимний сезон расход угля на обогрев дома выходит 17-18 тонн, дров – 5-9 кубометров. От сжигания твердого топлива дым от частного сектора поднимается и стелется над городом, а в безветренную погоду весь район затянут смогом(4). Кроме того, после сжигания золу из печки нужно выносить, утилизировать, периодически чистить печь и дымоход, а это очень трудоемкая работа (5). Да и экономические расходы очень большие: 1 тонна угля марки Шаборколь стоит на октябрь месяц 2023 года - 22500 тенге за тонну, а один кубометр дров около 5 тысяч тенге.

Таким образом, экологические проблемы всего города сочетаются с экономическими, материальными и трудовыми затратами 12500 горожан частного сектора, которые в 21 веке в центре областного города вынуждены топить печи, так как техусловий для подключения к центральному отплению АО «Тепловые сети» из-за дефицита тепловых мощностей и износа тепловых сетей не дают, а альтернативного газового отопления в Павлодаре нет.

И я подумал, а не найти ли информацию и в дальнейшем сконструировать такую «волшебную» печку, где угля и дров не нужно, материальные и трудовые затраты будут минимальные, а экологические выбросы в атмосферу не просто уменьшатся, а сведутся практически к нулю. Так родился мой очередной цикл проектов «Волшебная печка для бабушки». Закончив цикл моих проектов «Волшебный огород для бабушки», с которыми я работал в 1-7 классах, я приступил к новому.

Яознакомился с литературой и узнал, что при проектировании и строительстве дома можно сэкономить на отоплении, если подключить геотермальное отопление. Геотермальное отопление – это отопление, при котором используются природные источники тепла. Работа системы геотермального отопления сравнима с работой холодильной установки. Одно отличие – рефрижератор холодильника перерабатывает энергию, охлаждая воздух [6], а геотермальный насос генерирует тепловую энергию. Геотермальное отопление имеет простой принцип действия: в доме или в другой постройке устанавливается тепловой насос[7], способный превращать энергию грунта, воды, воздуха в тепло, необходимое для отопления дома, подогрева воды. Он может работать даже при низких температурах. «80% необходимой для обогрева дома и подогрева воды энергии получается из окружающей среды. Такая энергия, бесплатна. Расходы на отопление образуются только потому, что надо платить за электроэнергию, необходимую для работы теплового насоса»,

На сегодняшний день считают, что геотермальный тепловой насос является наиболее эффективной энергосберегающей системой отопления и кондиционирования.

Цель работы: изучение альтернативных источников энергии с целью в дальнейшем использовать их в быту для улучшения экономической и экологической обстановки в регионе;

- изготовление макета для преобразования тепловой энергии Земли в полезную работу для отопления и охлаждения частных жилых домов.

Задачи исследования:

1.Изучить устройство тепловых насосов, их виды и принципы работы;

2. Проанализировать вопрос об экологической безопасности геотермального отопления и тепловых насосов, плюсы и минусы тепловых насосов.

3.Изготовить макет теплового насоса, который можно использовать в домашних условиях, как первоначальный этап в работе над установкой альтернативного отопления частного дома.

Актуальность исследования обусловлена потребностью современного владельца частного дома или дачных построек в альтернативном отоплении дома, т.к. с каждым годом наблюдается рост цен на различные теплоносители, а также существует реальная нехватка тепловых мощностей города для подключения частных жилых домов к центральному отоплению.

Любой вариант отопительной системы, которая не входит в категорию стандартных систем, имеет как свои достоинства, так и недостатки. Геотермальное отопление и тепловые насосы должны иметь следующие критерии:

- быть экологически чистыми;

- быть общедоступными и безопасными в обращении и обладать одной из важнейших характеристик, неисчерпаемость;

- иметь высокий КПД.

Изучая литературу по геотермальному отоплению, я выделил преимущества геотермального отопления, которые включают несколько пунктов, обусловливающих распространение такой системы:

а) энергия земли для отопления дома не может быть исчерпана;

в) здесь не существует риска возгорания;

с) покупать топливо и хранить его – не требуется;

d) cистема полностью экологична и безопасна;

е) работает автономно;

f) на обслуживание отопления не приходится тратиться;

h) высокая производительность.

И я решил такое альтернативное отопление изучить, создать макет и в дальнейшем оборудовать частный дом бабушки, ведь отопление за счет энергии земли – это удобно, экономично и безопасно.

II. Основная часть 2.1 Тепловой насос

Технология использования внутреннего тепла Земли давно освоена и используется в местностях без сетей центрального отопления. Необязательно, чтобы рядом были горячие подземные воды. Такую возможность предоставляет геотермальный тепловой насос [9]. Это устройство, занимает немного места. Источником тепла для данного оборудования является любая среда, температура которой зимой выше 0 °C. Используются непромерзающие водоемы, речки, колодцы. Даже в грунте ниже уровня промерзания температура всегда положительная.

Тепловой насос забирает тепло из окружающей среды и передает в систему отопления и горячего водоснабжения. В данной системе энергия тратится на перекачку и преобразование тепла из окружающей среды.

Как работает геотермальный насос

Подземные воды проходят по теплообменнику-испарителю. Теплоноситель (вода) отдает тепло находящемуся в контуре хладагенту (вещество, начинающее кипеть при температуре выше -5 °C), обычно это фреон. Когда установка выключена, фреон пребывает в жидком состоянии. По мере поступления тепла от термальных источников, он нагревается, испаряется и переходит в состояние газа с температурой +5 °C.

Затем газ сжимается в компрессоре. При сжатии выделяется большое количество тепла, из компрессора газ выходит с температурой от +35 °C до +65 °C. Горячий газ поступает в еще один теплообменник — конденсатор, где отдает тепловую энергию в систему отопления.

Отдав большую часть тепла, фреон частично остывает, но еще находится в газообразном состоянии при повышенном давлении. Хладагент поступает на сбросный клапан, там давление резко падает, фреон охлаждается и сжижается, после чего снова поступает в испаритель, и цикл начинается заново [9].

Источники тепла и способы доставки энергии

Источником тепла для теплового насоса становится любой не замерзающий зимой источник воды. Многие из таких объектов низкопотенциальные. Но даже подобные источники можно эффективно использовать, если сделать длинный контур сбора энергии. Подобные системы занимают значительную площадь и требуют больших расходов на специальное оборудование и наружный контур сбора тепла.

Виды источников тепла делятся на два типа:

Вода. Даже зимой вода под ледяной коркой сохраняет положительную температуру. Для получения тепловой энергии используются система трубопроводов. Чтобы эту энергию перенести к тепловому насосу, в водоем укладывают полимерные трубы, заполненные незамерзающей жидкостью (соляной раствор, иногда антифриз). Один метр водопровода приносит около 30 Вт тепла. Для расчета нужной длины коммуникаций необходимое количество ватт делится на 30.

Грунт. Ниже уровня промерзания земли грунт всегда остается положительной температуры. Системы отопления с помощью грунта делятся на два вида — с горизонтальным коллектором и вертикальным.

Выделяют следующие способы доставки геотермальной энергии:

1.Горизонтальный геотермальный контур. Для данной системы необходимо минимум 200 м² площади. При ее строительстве сначала снимается промерзающий слой грунта глубиной около 1,5 м (зависит от местности). Снимать больше бессмысленно, поскольку летнее тепло дальше не проникает.

2.Вертикальные зонды эффективней, поэтому их требуется меньшее количество. Зонды опускаются в скважины на глубину ниже 20 м к стабильной температуре выше 100 °C (глубина зависит от местности и вида почвы).

Кластерное бурение. Если площади участка недостаточно для вертикальных зондов, используется технология кластерного бурения, для которой необходимо минимальное пространство от 4 м². На участке снимают верхнюю часть почвы и строят колодец, в котором устанавливаются зондовые трубы. Скважины расходятся в разные стороны под землей горизонтально[10].

Рисунок 1. Способы доставки геотермальной энергии

Технология геообмена для получения энергии. Тепловые насосы используют накопившееся в почве тепло. Температура почвы глубже 6 м равняется средней в году температуре воздуха на данной широте. Температура под верхним слоем в среднем равна 14 °C.

Преимущества геотермальной системы:

+ Экологичность. Геотермальный тепловой насос не сжигает ресурсов, портящих окружающую среду. Он работает на естественном тепле недр земли.

+ Надежность и долговечность. Производители дают гарантию до 100 лет на зонды и до 30 лет на компрессор и другое оборудование.

+ Высокая эффективность. Тепловые насосы эффективнее других альтернативных способов получения энергии. Из 1 кВт потраченной энергии получается 5 кВт тепла для отопления, теплых полов и горячего водоснабжения.

+ Независимость и долговечность. Геотермальные системы независимы от внешних факторов или поставок топлива, поэтому стабильно работают долгое время.

Недостатки:

— Долгая окупаемость. В зависимости от технических параметров и конкретных условий местности срок окупаемости варьируется от 3 до 10 лет. Высокая стоимость снижает спрос на данную технологию.

— Занимаемая площадь. Система геотермальных тепловых насосов занимает значительную территорию. Для кластерного бурения требуется всего 4 м², но оно стоит дороже горизонтального геотермального контура.

— Сложное подключение. Данный вид теплонасосов представляет собой сложную систему из множества труб. Поэтому непросто подключить даже один дом. Если отапливается группа расположенных близко друг к другу домов, подключение окажется проще.Виды геотермальных насосов

Геотермальные насосы забирают энергию из грунта или подземных вод. Подобные установки отличаются друг от друга сочетанием используемых элементов: грунт-вода или вода-вода.

Тип вода-вода. Данная геотермальная установка использует стабильно высокую температуру, сохраняющуюся в течение всего года на большой глубине под землей. Оборудование используется с открытыми водоемами, скважинами, колодцами и промышленными сточными водами. Подобный тип самый легкий и дешевый, но устанавливается только рядом с водоемом. Когда водоема поблизости нет, бурятся две скважины: вода из первой, проходя теплообменник, попадает во вторую сонаправлено с грунтовыми потоками. Между скважинами должно быть минимум 6 метров; принимающая бурится ниже по течению, чем отдающая.

Тип грунт-вода. Тепловой насос грунт-вода использует тот же принцип работы. Тепловая энергия из почвы собирается зондами или коллекторами, затем передается в водяную отопительную систему дома. Система работает и на охлаждение [11].

На работу всех компонентов геотермального отопительного комплекса (циркулярного насоса, управляющего блока и компрессорной установки) электричества расходуется в среднем вчетверо меньше получаемой энергии.

Любой проект геотермального теплового насоса сугубо индивидуален. Даже для соседних участков стоимость работ и компонентов может значительно различаться.

2.2 Принцип работы теплового насоса

1. Теплоноситель, проходя по трубопроводу, уложенному, например, в землю нагревается на несколько градусов. Внутри теплового насоса теплоноситель, проходя через теплообменник, называемый испарителем, отдает собранное из окружающей среды тепло во внутренний контур теплового насоса.

2. Внутренний контур теплового насоса заполнен хладагентом. Хладагент, имея очень низкую температуру кипения, проходя через испаритель, превращается из жидкого состояния в газ. Это происходит при низком давлении и низкой температуре.

3. Из испарителя газообразный хладагент попадает, в компрессор, где он сжимается, его температура повышается.

4. Далее горячий газ поступает во второй теплообменник (конденсатор). В конденсаторе происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам.

5. При прохождении хладагента через редукционный клапан - давление понижается, хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова.

2.3 Виды тепловых насосов

• По виду передачи энергии тепловые насосы бывают двух типов:•Компрессионные.

Основные элементы установки – это компрессор, конденсатор, расширитель и испаритель. Используется цикл сжимания-расширения теплоносителя с выделением тепла. Этот тип тепловых насосов прост, высокоэффективен и наиболее популярен.

•Абсорбционные.

Это теплонасосы нового поколения, использующие в качестве рабочего тела пару абсорбент-хладон. Применение абсорбента повышает эффективность работы теплового насоса.

• По источнику тепла выделяют тепловые насосы:

Схема. Принципиальная схема работы теплового насоса

• Геотермальные.

Тепловая энергия берется из грунта или воды.

• Воздушные.

Тепло извлекается из атмосферы.

• Использующие вторичное тепло.

В качестве источника тепла используются воздух, вода, канализационные стоки.

2.4. Практическая часть. Расчеты выбросов в окружающую среду вредных отходов от печного отопления, расчеты эффективности альтернативного отопления.

Чтобы посчитать количество выбросов СО2 в атмосферу от отопления 1 частного дома площадью 200 кв.м. в г. Павлодаре за отопительный сезон (6 месяцев) я сделал следующий расчет:

E = M × Ky x TH3 × K2 x 44/12

где

Е - годовой выброс СО2 в весовых единицах (тонн/год);

М - фактическое потребление топлива за год (тонн/год);

Кл - коэффициент окисления углерода в топливе (показывает долю сгоревшего углерода), таблица 2;

ТНЗ - теплотворное нетто-значение (Дж/ тонн), таблица 3;

Кг - коэффициент выбросов углерода (тонн/Дж), таблица 3;

44/12 - коэффициент пересчета углерода в углекислый газ (молекулярные веса соответственно: углерод - 12 г/моль, О2 = 2 × 16 = 32 г/моль, СО2 = 44 г/моль).

E = M • K1 • TH3 • K2 • M(CO2)/M(C)

CO2 - углекислый газ

С - углерод

М - масса угля

3,5 тонны • 6 месяцев = 21 • 10³

М(СО2) = 44 • 10^-3 кг/моль

М(С) = 12 • 10^-3 кг/моль

К1 = 0,98 - коэффициент окисления угдерода

ТН3 - теплотворная нетто-значение ТДж/тонн

ТН3 = 17,62 • 10⁹/10³ Дж/кг

К2 - коэффициент выброса углерода

25,58 тонн/ТДж = 25,58 • 10³/10⁹ кг/Дж

E = 21 • 0,15 • 2,93 • 4,26 • 3,66 (кг) = 143,9(кг)

E = (3,5 • 10^-3 кг • 6) • 0,98/6 • 17,62 • 10⁹/6 • 10³ Дж/кг • 25,58/6 • 10³/10⁹ кг/Дж • 44 • 10^-3 кг/моль / 12 • 10^-3 кг/моль

E = M • K1 • TH3 • K2 • M(CO2)/M(C)

CO2 - углекислый газ

С - углерод

М - масса угля

3,5 тонны • 6 месяцев = 21 • 10³

М(СО2) = 44 • 10^-3 кг/моль

М(С) = 12 • 10^-3 кг/моль

К1 = 0,98 - коэффициент окисления угдерода

ТН3 - теплотворная нетто-значение ТДж/тонн

ТН3 = 17,62 • 10⁹/10³ Дж/кг

К2 - коэффициент выброса углерода

25,58 тонн/ТДж = 25,58 • 10³/10⁹ кг/Дж

E = (3,5 • 10^-3 кг • 6) • 0,98/6 • 17,62 • 10⁹/6 • 10³ Дж/кг • 25,58/6 • 10³/10⁹ кг/Дж • 44 • 10^-3 кг/моль / 12 • 10^-3 кг/моль

E = 21 • 0,15 • 2,93 • 4,26 • 3,66 (кг) = 143,9(кг)

В итоге я получил 143,9 кг выбросов СО2 за отопительный сезон делает один дом. В нашем городе12500 домов отапливаются печами с твердым топливом. Если перемножить эти величины с коэффициентом 1,5 (большинство отапливаемых домов менее 100 кв.м.), то получим следующий расчет:

143,9 кг/дом * 12500 домов * 1,5 = 2698125 кг или 2698 тонн выбросов СО2 в атмосферу производят печи частного сектора, отапливаемые углем, в Павлодаре. А значит, 2698 тоннами вредных выбросов дышат жители нашего города.

Далее, для понимания эффективности альтернативного отопления я сравнил несколько видов отопления в доме бабушки по затратам электроснабжения в квт и денежном выражении и отобразил это в следующей таблице 1.

Таблица 1. Затраты на отопление 1 кв.м. площади частного дома площадью 200 кв.м. разными системами

В первом и третьем варианте отопления я посчитал расход электроэнергии в квт. из расчета среднего потребления с учетом того, что во время процесса работы отопительного котла периодически насосы останавливаются, набрав нужную температуру, и когда температура падает, включаются вновь. Я взял среднее приблизительное значение времени работы насоса как 2/3 часов в сутки. Потребление может меняться в зависимости от температуры наружного воздуха: при сильном понижении температуры воздуха на улице потребление электроэнергии увеличивается, при повышении – уменьшается. А в твердотопливном котле длительного горения температура воды в котле устанавливается постоянная, так как уменьшение температуры в котле влечет за собой забивание колодцев (из опыта работы с нашим котлом). Далее я рассчитал затраты в месяц на каждый вид котла из расчета, что каждый из них будет эксплуатироваться 5 лет и соответственно потреблять определенное количество материальных средств в виде амортизации, расходов на топливо и электричество.

1.Итак, электрокотел 24 квт стоит в среднем 500000 тенге: 5 лет : 12 мес = 8333тнг./мес. К этому числу прибавляем 232474 тенге – расход на электричество в мес. Итого, 8333тнг + 232474тнг = 240807 тенге

2.Твердотопливный котел длительного горения стоит также в среднем 500000 тенге : 5 лет : 12 мес.= 8333 тнг./мес. К этому числу прибавляем 75600 тенге – расход на закуп угля в месяц. Итого, 8333 тнг + 75600 тнг = 83933 тен./мес.

3.Геотермальный тепловой насос (4 квт электрической мощности) стОит на 13.102023 г – 2062370 тенге + 2000000 (монтаж с буровыми работами) : 5 лет : 12 мес = 67706 тен./мес. Плюс шеф-монтаж 100000 тенге в год : 12 мес. = 8333 тенге/мес. К этому числу прибавляем расход электроэнергии в мес.38140 тенге. Итого: 67706 + 8333 тенге + 38140 тнг.= 114179 тенге.

Делаем вывод: самый экономичный по материальным вложениям из рассмотренных котлов отопления для частного дома площадью 200 кв.м. стал котел длительного горения на твердом топливе, расход материальных средств 83933 тенге в месяц. На втором месте – геотермальный тепловой насос – 114179 тенге в месяц. На третьем месте – электрокотел мощностью 24 квт. с расходом 240807 тенге в месяц. Следует учесть, что средства за покупку всех котлов вкладываются сразу в зависимости от его стоимости, и чем дороже котел, тем больше средств за его приобретение нужно вложить сразу единовременно, что сможет позволить себе не каждый пользователь, если котел очень дорогой.

Самым экологически чистым стал тепловой геотермальный насос, который не наносит никакой вред окружающей среде в виде вредных выбросов в атмосферу. Тепловой насос не только сэкономит деньги, но и сбережет здоровье обитателям дома и их наследникам. Агрегат не сжигает топливо, значит, не образуются вредные окислы типа CO, СO₂, NO_х, SO₂ , PbO₂. Потому вокруг дома на почве нет следов серной, азотистой, фосфорной кислот и бензольных соединений. Да и для планеты применение теплового насоса благо. Ведь по большому счету на ТЭЦ сокращается расход топлива на производство электричества. Применяемые же в тепловых насосах фреоны не содержат хлоруглеродов и озонобезопасны. Хотя на участке установки данного насоса при горизонтальной прокладке труб грунт промерзает, так как насос забирает тепло земли, особенно в сильные морозы и, посаженные на участке деревья могут замерзнуть.

Самым трудоемким по обслуживанию стал котел длительного горения на твердом топливе. В физические затраты вошли загрузка котла углем, чистка трубы и колодцев печи в течение отопительного сезона, вынос отработанной золы, вывоз шлака. На второе место я поставил тепловой геотермальный насос, так как при его монтаже в первоначальной стадии понадобится бурение скважин на участке. На первое место электрокотел, у которого практически трудовые затраты минимальные.

Самым безопасным стал тепловой геотермальный насос. Эти агрегаты практически взрыво- и пожаробезопасны. Нет топлива, нет открытого огня, опасных газов или смесей. Взрываться здесь просто нечему, нельзя также угореть или отравиться. Ни одна деталь не нагревается до температур, способных вызвать воспламенение горючих материалов. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей. В сущности, тепловой насос опасен не более, чем холодильник.

Проанализировав эффективность альтернативных источников энергии по экономическим затратам, экологической безопасности, трудоемкости в монтаже и обслуживании, безопасности в работе, я составил следующую таблицу, в которой каждому источнику энергии распределил место в зависимости от его эффективности от 1 до 3, распределил соответственно местам баллы ( 1 место – 3 балла, 2 место – 2 балла, 3 место – 1 балл) и в итоге определил самый эффективный источник энергии из рассмотренных в данной работе по наименьшему количеству баллов (Таблица 2).

Таблица 2. Эффективность источников энергии в зависимости от экономических затрат, экологической безопасности, трудоемкости в монтаже и обслуживании, безопасности в работе(место/балл)

Таким образом, если во главу угла ставить безопасность в монтаже и обслуживании, экологическую безопасность, трудовые затраты и материальные, то геотермальный тепловой насос будет стоять на первом месте среди других источников энергии.

2.5. Конструирование и моделирование макета малогабаритного теплового насоса.

Итак, я начал изготовление макета теплового насоса, основные детали которого показаны на рисунке и прилагаемых фотографиях.

Деталь 1— испаритель – (рис ). Испаритель  — теплообменный аппарат, в котором осуществляется процесс фазового перехода жидкого теплоносителя в парообразное и газообразное состояние за счёт подвода от более горячего теплоносителя. 

Деталь 2 — компрессор- (рис.). Самый простой способ обзавестись подходящим компрессором — снять его с кондиционера, например, со сплит-системы марки Almacom. Семиваттный компрессор имеет мощность в 2.75кВт при производстве тепла и 2.5 кВт — при охлаждении. Дополнительное достоинство таких компрессоров — низкий уровень шума при работе. Компрессор для теплового насоса вода-вода можно снять со старого кондиционера. Предпочтительнее выбирать модель, подходящую по мощности и работающую бесшумно. Во многих компрессорах используется фреон R22, температура кипения которого составляет -10, конденсирования - +55.

Деталь 3—конденсатор – 3 (рис. ). Этот агрегат состоит из теплообменника и вентиляторного блока, оснащенного электродвигателем. По трубкам теплообменника движется хладагент, а вентилятор обдувает их, таким образом охлаждая. Скорость потока обычно составляет 1-3,5 м/с. 
При этом теплообменник состоит из оребренных трубок, имеющих диаметр в пределах 6-20 мм (выбирать нужный диаметр следует в зависимости от ряда факторов, включая потери давления, легкость обработки и др.) и расстояние между ребрами на уровне 1-3 мм. Как правило, трубки являются медными, и этот материал используется потому, что он не окисляется и обладает высокой теплопроводностью. Ребра при этом чаще всего изготавливают из алюминия. 

Деталь 4 – дроссельное устройство для понижения давления

Деталь 5 –трубопровод

Деталь 6 – контур отопления и горячего водоснабжения (рис.2).

Рисунок 2. Макет теплового насоса

Фото. Изготовление макета теплового насоса

Фото. Макет изготовленного теплового насоса

Заключение

В нашем городе Павлодаре очень тяжелая экологическая ситуация. Я выяснил, что экологические проблемы всего города сочетаются с экономическими, материальными и трудовыми затратами 12500 горожан частного сектора, которые в ХХI веке в центре областного города вынуждены топить печи, так как техусловий для подключения к центральному отоплению АО «Тепловые сети» из-за дефицита тепловых мощностей и износа тепловых сетей не дают, а альтернативного газового отопления в Павлодаре нет. И я нашел, изучил и проанализировал информацию о геотермальном отоплении и в дальнейшем хочу сконструировать такую «волшебную» печку, где угля и дров не нужно, материальные и трудовые затраты будут минимальные, а экологические выбросы в атмосферу не просто уменьшатся, а сведутся практически к нулю.

В своей работе «Экологичный тепловой насос как источник альтернативной энергии в бытовых условиях» я путем расчетов выделения углекислого газа СО2 в атмосферу от печей частного сектора г. Павлодара, отапливаемых углем, подтвердил большое количество вредных выбросов.

Далее я сравнил разные системы отопления по экологичности, трудоемкости, безопасности, экономичности, выделил плюсы и минусы данного отопления и пришел к выводу, что геотермальное отопление является наиболее эффективным в условиях дефицита тепловых мощностей и износа тепловых сетей нашего города. Данное отопление, очень распространенное в других странах, не получило своего развития у нас, и работа над его внедрением будет уникальна.

В заключении я изготовил макет теплового насоса, в котором показан его принцип, такой насос можно использовать для отопления частных домов, дач и других отдаленных населенных пунктов. Проделав данную работу, я убедился в необходимости эксплуатации тепловых насосов в частных домах - это очень экологичный и безотходный способ отопления помещений. Тепловые насосы переносят, а не вырабатывают энергию. Эти агрегаты практически взрыво- и пожаробезопасны. Нет топлива, нет открытого огня, опасных газов или смесей. Остановки агрегата не приводят к его поломкам или замерзанию жидкостей.

В итоге, я пришел к выводу, что данная тема очень актуальна в нашем регионе при большом износе традиционных тепловых сетей и плохой экологической ситуации, и, если уменьшить материальные затраты на изготовление и установку такого альтернативного источника энергии, то это станет большим плюсом в улучшении экологии и облегчит жизнь жителям частного сектора. А над уменьшением экономических затрат на изготовление и установку геотермального отопления я планирую начать работу в своем следующей проекте из цикла «Волшебная печка для бабушки».

Список литературы:

1. https://ok.ru/group/51354270105820/topic/155424517813212

2. https://pavon.kz/post/view/73805 «Подключить одноэтажную часть города к тепловым сетям предлагают для улучшения качества воздуха», 10 апреля 2023 г., Новости Павлодара

3. https://pavon.kz/post/view/73365 «Печки и выхлопные газы: экологи назвали причины смога в Павлодаре», 2 февраля 2023 г., Pavon.kz

4. https://pavon.kz/post/view/70829 «Не нашли оборудования...», 28.01.2022 г. , Pavon.kz

5. https://pavon.kz/post/view/70751 «Павлодарцы снова гадают в соцсетях, кто же портит воздух над городом», 19.01.2022 г., Pavon.kz

6. Учебник физики 10 класс. Г. Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский.

7. .Альтернативные источники энергии. Тепловой насос[Электронный ресурс]. URL:https://superbotanik.net/referati/referaty.../referat-alternativnye-istochniki- energii-tepl.

8. Тепловой насос — Википедия [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Тепловой_насос

9. Принцип действия тепловых насосов. [Электронный ресурс]. URL: http://plusteplo.ru

10. Альтернативное теплоснабжение. Везде. Области применения тепловых насосов [Электронный ресурс]. URL: http://izbapremium.ru

11. Геотермальные системы отопления [Электронный ресурс]. URL: https://realproducts.ru/geotermalnoe-otoplenie/

ПРИЛОЖЕНИЕ

1. Фото областной газеты от 1 июля 1982 г о проблемах отопления в Павлодарской области

2. Фото Смог от частного сектора в Павлодаре в 2023 г.

Фото 3. Смог от Павлодарского алюминиевого завода и ТЭЦ в Павлодаре

Фото 4. Дым от печи и вредные выбросы от отопления в частном доме в центре города Павлодар

Фото5, 6. Трудовые затраты при эксплуатации печки в бабушкином доме – погрузка, переноска угля до печки, загрузка в печку, вывоз золы