XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Энергоэффективное оборудование - тепловой насос

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Грунев М.А. 1

---

1МАОУ "СОШ №10" г. Гай Оренбургская область

Пеньшина Г.Н. 1

---

1МАОУ "СОШ №10"

Работа в формате PDF

350.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Можно ли сэкономить на отоплении? Вопрос волнует многих, особенно с учетом постоянного роста тарифов на энергоносители. Более 30 лет назад была предложена альтернатива – извлекать энергию из окружающей среды. Разработаннаясхема получила название – тепловые насосы для отопления дома. Для нас это в новинку,но опытЕвропы и Япониидоказываетэффективность их использования.

При отсутствии подвода газа в современных коттеджных или дачных посёлкахдля отопления домов в большинстве случаев стараются использовать электричество. Несомненно, это удобно, однако дорого. Для отапливания дома электричеством требуется значительная выделенная мощность, и кроме этого, потребление электроэнергиидлявыработкитеплавелико,чтоможетвызватьотключениеэлектричестваи перегрузку локальных сетей. Кондиционирование дома также в большинстве случаев осуществляется с помощью электроэнергии. В результате всего вышеперечисленного затраты на отопление, горячее водоснабжение (ГВС), вентиляцию дома,кондиционированиедостигаютнемалыхсумм.

Решением проблемы является тепловой насос. Принцип его работы – «холодильник наоборот». Он работает на электрической энергии. Выдаваемаяобщая тепловая мощность насоса в 3-5 раз превосходит затрачиваемую электрическуюмощность.

Цельюданногоисследованияявляется: определение эффективности теплового насоса как альтернативного источника энергии.

Тепловыенасосымогутбытьактуальнывтомслучаеесли домнегазифицирован,иэлектроэнергияподаетсябезперебоев.Атакже,еслиможноиспользоватьночнойрежимоплатызаэлектричество,иосновноеотоплениепроизводитьночью.

Длявыполненияданнойцелинеобходимовыполнитьрядзадач:

1. Разобратьсявпринципедействиятепловогонасоса.

2. Найтипреимуществаинедостаткитепловыхнасосов.

3. Узнатьоразновидностяхтепловыхустановок.

4. Рассчитать эффективность теплового насоса в зависимости от разности температур тепловых резервуаров.

Глава 1. Теоретические сведения о работе тепловогонасоса

1.1 Принципдействиятепловогонасоса

Применение тепловых насосов для отопления любого объекта, как частногодома, так и промышленного здания экономически выгодно. На сегодняшний деньиспользование тепловых насосов в нашей стране не так популярно, как например вЕвропе. Там уже большинство предприятий и владельцев частных домов в полноймере оценили преимущество тепловых насосов для отопления и горячего водоснабжения.Ведьэкономия денежныхзатратнатепло уменьшаетсявразы.

Тепловой насос — это компактный аппарат, использующий тепло земли, водыили воздуха и обеспечивающий автономное отопление и/или горячее водоснабжение. Данные системы экологически чисты, так как работают без сжигания топлива ине производят вредных выбросов в атмосферу, а также чрезвычайно экономичны,поскольку при подводе к тепловому насосу, например, 1 кВт электроэнергии, в зависимости от режима работы и условий эксплуатации, производит до 3- 6 кВт тепловойэнергии.

Рисунок1.Схемаработытепловогонасоса.

Принцип работы теплового насоса базируется на «эксплуатации» естественныхнизко потенциальныхисточниковтеплаизокружающейсреды.

Имимогутбыть:

• простонаружныйвоздух;

• тепловодоемов(озер,морей,рек);

• теплогрунта,грунтовыхвод(термальныхиартезианских).

Тепловой насос интегрирован в систему отопления, которая состоит из 2-хконтуров + третий контур — система самого насоса. По внешнему контуру циркулирует незамерзающий теплоноситель, который забирает на себя тепло из окружающегопространства.

Попадая в испаритель, теплоноситель отдает в среднем от 4 до 7 °C хладагентутеплового насоса. А его температура кипения составляет 10°C. Вследствие этогохладагент закипает с последующим переходом в газообразное состояние. Теплоноситель внешнего контура, уже охлажденный уходит на следующий «виток» по системедлянаборатемпературы.

«Закипевший» в испарителе хладагент по трубопроводу поступает в компрессор, работающих от электроэнергии. Этот «трудяга» сжимает газообразный хладагент до высокого давления, что, соответственно, приводит к повышению его температуры.

Теперьужегорячийгаздалеепопадаетвдругойтеплообменник,который называется конденсатором. Здесь тепло хладагента передается теплоносителю, которыйциркулируетповнутреннемуконтурусистемыотопления.

Хладагент остывает, одновременно переходя в состояние жидкости. Затем онпроходит через капиллярный редукционный клапан, где «теряет» давление и вновьпопадаетвиспаритель. Циклзамкнулся и готовк повтору!

1.2 Преимуществаинедостаткитепловыхнасосов

• Экономичная эффективность. Принцип работы теплового насоса базируется не на производстве, а на переносе (транспортировке) тепловой энергии.

• Универсальная повсеместность применения. Даже при отсутствии доступных линий электропередач работа компрессора теплового насоса может бытьобеспеченадизельнымприводом.

• Экологическая чистота использования. В тепловом насосе отсутствуютпродукты горения, а его малое энергопотребление меньше «эксплуатирует» электростанции, косвенно снижая вредные выбросы от них. Хладагент, используемый втепловыхнасосах,озонобезопасен инесодержитхлоруглеродов.

• Двунаправленныйрежимработы.Тепловойнасосможетвзимнеевремяобогреватьпомещение,авлетнее—охлаждать.

• Безопасностьэксплуатации.

• Полнаяавтоматизацияпроцессаотопленияпомещения.

Наибольшую популярность тепловые насосы обретают у частных клиентов,которые хотят иметь в своем доме комфортную температуру в любое время года.Икруглыйгод снабжает горячей водой. Наибольшая эффективность достигаетсяза счет использования теплых полов в системе отопления с применением тепловогонасоса и не зависемость от сторонних энергоносителей (например, газ). Тепловой насосустанавливается от нескольких дней до 1 месяца и не требует никаких согласований.Стоимости отопления дома тепловым насосом сопоставима со стоимостью отопления магистральным газом, По потребляемому электричеству представьте, что дом в100м²потребляет на отопление от 1,5 до 2 кВт, что меньше, чем потребление электрическимчайникомимеющимсявлюбойквартире.Еслибыотапливалиэтотже дом в 100м² электрическими обогревателями или электрическим котлом, то потребовалосьбы примерно10кВт.

1.3 Виды тепловыхнасосов

Потипуиспользуемоговидарассеянноготепларазличаюттепловыенасосы:

• грунт-вода (используют закрытые грунтовые контуры или глубокие геотермальныезондыиводянуюсистемуотопления помещения);

• вода-вода (используют открытые скважины для забора и сброса грунтовых вод — внешний контур не закольцованный, внутренняя система отопления —водяная);

• вода-воздух(использованиевнешнихводяныхконтуровисистемыотоплениявоздушного типа);

• тепловой насос воздух-воздух (использование рассеянного тепла внешнихвоздушныхмассвкомплектесвоздушнойсистемойотоплениядома).

Глава 2. Использование теплового насоса в качестве альтернативного источника энергии

2.1. Определение эффективности теплового насоса в зависимости от разности температур тепловых резервуаров

Тепловой насос рис. 2) извлекает энергию из теплового резервуара с температурой Т₁ при испарении охлаждающей жидкости и передает энергию в резервуар с температурой Т₂ в процессе конденсации газа - теплоносителя. В результате разность температур ΔТ=Т₂ - Т₁ между двумя резервуарами увеличивается. Эффективность теплового насоса определяется следующим отношением (1), где Q₂ – количество теплоты, переданное тепловым насосом в резервуар с температурой T₂ за определенный промежуток времени и A – работа, затраченная на процесс передачи за тот же промежуток времени. Коэффициент полезного действия поршневого компрессора примерно равен 80%. Мы будем приближенно считать, что производимая компрессором работа A равна потребляемой им электрической энергии W.

Рис. 2 Схема теплового насоса

Эффективность теплового насоса может достигать значений больше единицы. На первый взгляд, это противоречит первому началу термодинамики. Но это не так. Речь идет об использовании электрической энергии (работы) для переноса тепловой энергии (теплоты), а не использование количества теплоты для производства работы, как в тепловых машинах. Запишем закон сохранения энергии для всего процесса (предполагается, что все величины положительные): Q₂=A+Q₁-Q_п (2), где Q₁ - энергия, полученная из резервуара с температурой Т₁ и Q_п - потери энергии в процессе, характеризующиеся потерей теплоты в нагреваемом резервуаре, в трубопроводе теплового насоса и компрессоре. Таким образом, эффективность теплового насоса может быть больше единицы, если тепловая энергия, взятая теплоносителем из резервуара с температурой Т₁ больше энергии потерь Q_п:

Для упрощения расчетов будем использовать две емкости с водой, в качестве резервуаров 1 и 2. Холодная вода имеет температуру Т₁, а теплая вода - температуру Т₂. Эффективность нагрева тепловым насосом можно записать как:

где Т₂=Т₂−Т₀, Т₀ - начальная температура воды в обеих емкостях, ∆t  промежутоквремени, соответствующий изменению температуры Т₂, m- масса воды и с - удельнаятеплоемкостьводы.

Сучетомвыражения(4),эффективностьтепловогонасосаопределяетсясоотношением:

Р – мощность компрессора.

2.2. Определение эффективности теплового насоса частного дома в Оренбургской области

Для начала проанализировали исходные данные для определения параметров эффективности цикла теплового насоса: предлагаемую температуру для помещения в отопительный период, размеры помещения, нагрузку на систему отопления, варианты отопления за счёт использования возобновляемых источников энергии, подходящие для данного помещения, географическое место расположения.

Рассчитаем эффективность использования теплового насоса воздух-вода, использующий для обогрева энергию воздуха. Установка не требует дорогостоящих расходных материалов (не потребуются масштабные земельные работы, бурение скважин, получение специальных разрешений), если подключить систему к солнечным батареям, то можно обеспечить полную ее автономность, , удобна в эксплуатации, безопасна.

Рис. 3. Воздушный тепловой насос

Дом расположен в г. Гае Оренбургской области. Площадь дома 100м², дом со средним типом изоляции, температура нагрева теплоносителя 45^оС, тариф на электроэнергии. 3,77 руб/кВт час, мощность компрессора 0,135 кВт.

Рис. 4 Среднемесячная температура воздуха в регионе

Производительность теплового насоса воздух-вода зависит от температуры наружного воздуха и установленной температуры нагрева воды. Расчеты для исследуемого объекта представлены в таблице.1

Таблица 1. Эффективность теплового насоса при нагреве теплоносителя +45^оС

Чем ниже температура наружного воздуха тем ниже производительность теплового насоса.

Таблица 2. Сравнение стоимости 1 кВт•ч тепловой энергии с насосом ибез

С мая по август средняя температура окружающей среды меньше допустимой (-25^оС и -20^оС для сплит-систем и моноблоков соответственно) или больше разумной для использования теплового насоса (+17 С) и насос не работает. Сравнение всех данных ведется только в месяцы эксплуатации теплового насоса.

Рис. 5. Сравнение стоимости 1 кВт•ч тепловой энергии с насосом ибез

Таблица 3. Примерные расходы на отопление с насосом и без насоса, в месяцы его эксплуатации

Рис. 6. Примерные расходы на отопление с насосом и без насоса

Таблица 4. Примерная окупаемость согласно используемому тарифу на электроэнергию

Рис. 7. Примерная окупаемость согласно используемому тарифу на электроэнергию

При использовании теплового насоса в регионе с отрицательными температурами окружающей среды (Оренбургская область), возможно замерзание теплоносителя в теплообменнике теплового насоса и трубах системы отопления, находящихся на улице. Это может привести к разрушению теплообменника или труб. Для предотвращения повреждений устройства и системы отопления, в качестве теплоносителя можно использовать антифриз с температурой кристаллизации ниже минимальной наружной температуры. Также необходимо непрерывное электрическое питание теплового насоса, что позволяет тепловому насосу использовать автоматическую функцию защиты от замерзания при низкой наружной температуре. Для снижения потерь тепла в зимний период, трубы системы должны быть теплоизолированы. Если тепловой насос не используется зимой, следует отключить тепловой насос, слить теплоноситель из теплообменника, закрыть подключения, электропитание отключить.

Заключение

Внедрение теплового насоса позволит выработать 30240 кВт в отопительный период (7мес.), при этом выработка тепла в час составит 6 кВт, затраты на насос составят 110000 р.

Тепловой насос позволяет получить на 10080 кВт тепловой энергии больше по сравнению с другими вариантами, при минимальных затратах на электроэнергию и отсутствии затрат на техническое обслуживание. Автоматизация работы насоса позволит работать в автономном режиме, регулировать температуру в зависимости от погодных условий, тем самым обеспечит дополнительное снижение, потребление электроэнергии.

Применение теплового насоса является наиболее экономически эффективным решением, которое позволит получить максимальное количество тепловой энергии, необходимое для отопления жилого дома.

Используемая литература

1. Topclimate.ru. Тепловые насосы для отопления вашего дома. // Публикация сайта. - Отопление. – Климатическая техника. http://www.topclimat.ru/publications/heat_pump_for_your_house.html

2. Дегтярёв К.С. Тепло Земли // Наука и жизнь. – 2013 – №9, №10.

3. Клюкин А.М., Кузнецов Н.М., Трибуналов С.Н. Повышение эффективности использования энергоресурсов в Мурманской области. // Журнал «Труды Кольского научного центра РАН». – 2016 – 12 с. https://cyberleninka.ru/article/n/povyshenie-effektivnosti-ispolzovaniya-energoresursov-v-murmanskoy-oblasti

4. Минин В. А. Теплоснабжение городов Мурманской области. // Журнал «Труды Кольского научного центра РАН». - 2014 – 10 с. https://cyberleninka.ru/article/n/teplosnabzhenie-gorodov-murmanskoy-oblasti-1

5. Тепловые насосы для дома: особенности технологии, сфера применения и стоимость оборудования. https://www.kp.ru/guide/teplovye-nasosy.html

6. Троценко А. А. Некоторые аспекты химизма самовозгорания и самовоспламенения // Современные технологии обеспечения гражданской обороны и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций: в 2-х ч. Ч. 1 / ФГБОУ ВО Воронежский институт ГПС МЧС России. - Воронеж, 2016. - 523 с. (С. 284-288).

7. Учебно-консультационный центр Университет Климата. Типы кондиционеров. // Принцип работы холодильной машины. – С. 55-76. https://hvac-school.ru/upload/files/folder_43/ananiev_55_76.pdf

8. Федосов С.В., Федосеев В.Н., Воронов В.А. Использование низкопотенциальной теплоты окружающего воздуха в испарительно- конденсационном блоке воздушного теплового насоса. // Приволжский научный журнал. – 2019 - №3 - С. 37-45.

9. Финны предлагают обогревать Мурманскую область тепловыми насосами. - 27.05.13. https://nordnews.ru/news/2013/05/27/?newsid=49113