Файл: Пояснювальна записка до дипломного проекта на здобуття освітньокваліфікаційного рівня Спеціаліст" за фахом 000008 Енергетичний менеджмент".doc

Опыт эксплуатации миллионов теплонасосных установок в различных странах мира подтверждает, что на сегодняшний день они, без сомнения, являются альтернативой энергорасточительным теплогенераторам, традиционно используемым в децентрализованных системах тепло- и хладоснабжения жилищно-коммунального сектора.

В США и Японии для отопления и кондиционирования воздуха широкое применение получили реверсивные ТН класса «воздух-воздух». К 2000 году в США исследованиями и производством тепловых насосов занималось более пятидесяти крупных фирм. Общее количество работающих ТН к 2003 году превысило 25 млн. единиц. В Японии ежегодно производится и продаётся до 500 тысяч ТН различного функционального назначения, и около 5 млн. теплонасосных систем являются основным оборудованием в обеспечении теплотой жилищного фонда.

Самые крупные ТН эксплуатируются в Швеции и странах Скандинавии. Из 110 тысяч теплонасосных станций, работавших в Швеции в 2000 году, около ста имели мощность 100 МВт и более, а наиболее мощный в мире ТН с установленной тепловой мощностью 320 МВт успешно работает в Стокгольме, используя в качестве низкотемпературного источника теплоту морской воды.

К сожалению, если в развитых и развивающихся странах счёт работающих ТН ведётся на миллионы или сотни тысяч, в Украине работают единичные установки, созданные, в основном, на элементной базе холодильного оборудования, ввозимого из стран Западной Европы. Очень низкие темпы внедрения отечественных ТН объясняются не только худшими их показателями по экономичности, надежности и дизайну по сравнению с зарубежными аналогами, но и отсутствием должной подготовки отечественного потребителя к применению новой высокоэффективной теплонасосной технологии преобразования тепла.

Для успешного продвижения и внедрения в народное хозяйство тепловых насосов необходима государственная программа с выделением бюджетного финансирования. Анализ ситуации в экономике и ЖКХ Украины показывает, что имеются колоссальные неиспользованные потенциальные возможности сбережения дорогостоящего органического топлива и снижения загрязнения окружающей среды продуктами сгорания и/или технологическими сбросами при внедрении теплонасосных установок различного функционального назначения в областях, где это внедрение целесообразно. Областями наиболее рационального внедрения являются:

• применение ТН в жилищно-коммунальном секторе для горячего водоснабжения и отопления зданий;

---

• применение ТН в системах создания оптимального микроклимата в крупных общественных зданиях, спортивных и киноконцертных комплексах, где наряду с проблемами термостатирования и утилизации теплоты сбросных воздушных и водяных потоков создаются условия, исключающие условия конденсации влаги на металлических и железобетонных строительных конструкциях и провоцирующие их коррозию и разрушение;

• применение ТН в различных технологических процессах промышленности и сельского хозяйства.

Выполненный краткий анализ проблем и возможностей использования теплонасосной технологии преобразования низкопотенциальной теплоты позволяет сделать следующие выводы:

1. Теплонасосная технология преобразования низкопотенциальной природной энергии или теплоты вторичных низкотемпературных энергоресурсов в высокопотенциальную тепловую энергию, пригодную для практического использования, представляет собой не очередную модернизацию традиционных энергоисточников, а внедрение относительно нового, прогрессивного, высокоэффективного и экологически чистого способа получения теплоты.

2. На сегодняшний день для решения проблем энергосбережения ТН являются наиболее перспективными среди источников «нетрадиционной энергетики» благодаря возможности «черпать» возобновляемую энергию из окружающей среды. В мировой практике для преобразования низкопотенциальной теплоты наибольшее распространение получили парокомпрессионные ТН с электрическим приводом и сорбционные с тепловым приводом.

3. В мире эксплуатируются миллионы теплонасосных установок различного функционального назначения, обеспечивая колоссальную экономию первичных энергоресурсов и значительное снижение эмиссии СО2 и других вредных выбросов в атмосферу. Области наиболее перспективного внедрения ТН - это системы тепло- и хладоснабжения промышленных технологических процессов, отопления, кондиционирования, горячего водоснабжения объектов жилищно-коммунального комплекса, энергетика.

4. Украина существенно отстает от стран мирового сообщества, как по производству, так и по внедрению ТН в различные области экономики. В Украине нет промышленного производства ТН, внедренные установки производятся, как правило, в единичных экземплярах, но даже при своих не оптимальных параметрах подтверждают достоинства и уникальность применения ТН как эффективных энергосберегающих источников теплоты в различных отраслях экономики.

5. Конкурентоспособность ТН зависит от большого числа факторов термодинамического, конструктивного, экономического характера, от их функционального назначения и экологического воздействия на окружающую среду и др. В каждом конкретном случае на основании технико-экономических расчетов определяется целесообразность внедрения ТН конкретного типа в качестве источника теплоты для конкретного потребителя. Упрощенный подход к подбору мощностей и комплектующих, выбору схемных решений, к монтажу и сервисному обслуживанию относительно дорогих ТН может привести к дискредитации идеи внедрения теплонасосных технологий у отечественного потребителя.

---

6. Без государственной поддержки, заключающейся в надлежащем финансировании программ создания отечественных ТН, конкурентоспособных по отношению к импортным аналогам, без введения специальных тарифов на электроэнергию для пользователей ТН, без льгот и выгодных кредитов при покупке, без уменьшение НДС при ввозе комплектующих отечественными производителями ТН-техники и т.п. проблемы внедрения ТН останутся декларативными.
1.3 Обзор литературы
Многократное повышение стоимости добываемых и производимых топливно-энергетических ресурсов, истощение запасов традиционного органического топлива и экологические последствия его сжигания, возрастающая с каждым годом потребность в тепловой энергии жилищно-коммунального и промышленного хозяйства, ужесточающиеся требования по обеспечению экологической чистоты технологических процессов и охраны окружающей природной среды обусловили все более широкое использование эффективного энергосберегающего оборудования - тепловых насосов (ТН) и технологий на их основе. В последние десятилетия наблюдается значительный интерес к этим технологиям практически во всех развитых странах мира. Анализ возможных областей применения в экономике Украины теплонасосных технологий показывает, что на первом этапе в Украине наиболее перспективной областью их внедрения являются системы жизнеобеспечения зданий.

Тепловым насосом называется техническое устройство, реализующее процесс переноса низкотемпературной теплоты, не пригодной для прямого использования, на более высокотемпературный уровень. По аналогии с водяными насосами, перекачивающими воду, тепловые насосы «перекачивают» теплоту. Иными словами, ТН являются трансформаторами теплоты, в которых рабочие тела совершают обратный термодинамический цикл, перенося теплоту с низкого температурного уровня на высокий. Таким образом, из низкопотенциальной теплоты различного происхождения (природной возобновляемой теплоты грунтовых и поверхностных вод, теплоты грунта, атмосферного воздуха, а также сбросной техногенной теплоты технологических процессов промышленных производств, сточных вод биологических и других очистных сооружений) с температурой 0-50°С вырабатывается тепло.

При этом количество получаемой полезной тепловой энергии среднего потенциала, за исключением потерь, равно сумме тепловых энергий низкого и высокого потенциалов, что обуславливает энергетическую и, как следствие, экономическую и экологическую эффективность тепловых насосов.

---

В настоящее время в индустриально развитых зарубежных странах и России определилось два основных принципиальных направления в развитии тепловых насосов:

1) парокомпрессионные тепловые насосы (ПТН);

2) абсорбционные тепловые насосы (АБТН).
1.3.1 Парокомпрессионные тепловые насосы ПТН
Принцип работы ПТН

Принцип действия парокомпрессионного теплового насоса аналогичен принципу действия домашнего холодильника. В нем морозилка (испаритель) забирает тепло из охлаждаемых продуктов. Это тепло и выделяется в помещение из радиатора (конденсатора), который расположен на задней стенке снаружи холодильника. «Перекачиваемое» тепло несколько раз превосходит затраченную энергию. Точно так же и ПТН забирает тепло из природного (вода, грунт, воздух) или постоянного техногенного источника низкопотенциальной теплоты и, затрачивая некоторую энергию на свою работу, преобразует энергию низкого потенциала в тепловую энергию среднего потенциала, пригодную для потребителей.

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ПТН

---

Рис. 1.1 – Упрощенный термодинамический цикл парокомпрессионного теплового насоса с процессами:

1-2 – сжатие паров рабочего тела (хладона) в компрессоре; 2-3 – охлаждение и конденсация паров хладона в конденсаторе; 3-4 – переохлаждение жидкого хладона в переохладителе; 4-5 – охлаждение жидкого хладона в регенеративном теплообменнике; 6-1 – кипение (испарение) хладона в испарителе; 1-1’ – подогрев паров хладона в регенера­тивном теплообменнике.


Рис. 1.2 – Принципиальная схема парокомпрессионного теплового насоса

К – компрессор; КД – конденсатор; П – переохладитель; РТ – регенаритивный теплообменник; РУ – регулирующее устройство; И – испаритель; Тs₁ и Тs₂ – низкотемпературная вода; Tw_1, Tw₂ – нагреваемая вода
На рис. 1.2 приведена принципиальная схема ПТН типа «вода-вода» с наименованиями основных элементов, а на рис. 1.2 изображен упрощенный термодинамический цикл ПТН в Т-Б диаграмме. Состояния рабочего тела после процессов, происходящих в основных элементах ПТН, обозначены соответствующими цифрами цикла. В отличие от парокомпрессорного домашнего холодильника и от любой другой парокомпрессорной холодильной машины, ПТН типа «вода-вода» имеет на один аппарат больше (остальные типы, за редким исключением, имеют те же самые основные аппараты, что и холодильные машины). Это переохладитель П жидкого хладона. ПТН работает следующим образом: в межтрубное пространство испарителя И подается низкотемпературная вода, где она охлаждается за счет кипения (испарения) в трубном пространстве испарителя И хладона (рабочего тела, которым являются низкокипящие фторхлор-содержащие углеводороды, т.н. фреоны). Пары хладона из испарителя И постоянно отсасываются компрессором К и, проходя регенеративный теплообменник РТ, подогреваются вследствие теплообмена с протекающим внутри труб теплообменника жидким хладоном. Компрессор К сжимает подогретые пары хладона до давления конденсации и направляет их в межтрубное пространство конденсатора КД. В трубное пространство конденсатора КД подается нагреваемая вода теплосети. На наружной поверхности труб в межтрубном пространстве КД пары хладона охлаждаются и конденсируются, превращаясь в жидкость, которая затем поступает в

---