ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ОТОПЛЕНИИ ЗДАНИЙ В УСЛОВИЯХ СИБИРИ Чевычелов Михаил Александрович

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ
ОТОПЛЕНИИ ЗДАНИЙ В УСЛОВИЯХ СИБИРИ
Чевычелов Михаил Александрович
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение лицей
при ТПУ, 10 класс
Томская область, г. Томск
Руководитель: Шестакова В.В., доцент ЭНИН
В Сибирском регионе зима достаточно холодная и
продолжительная. В качестве систем отопления повсеместно
используется центральное теплоснабжение. Энергия для отопления
вырабатывается на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ). Но при таком виде
теплоснабжения происходят довольно большие теплопотери.
Существуют ли альтернативные источники энергии, пригодные для
условий Сибири? Конечно, существуют. Примером такого источника
является тепловой насос.
Цель работы: изучение тепловых насосов и оценка эффективности
их использования на территории Сибири.
Выполнение цели определило следующие задачи:
- изучение тепловых насосов и принципа их работы;
- проведение экспериментов на модельной установке теплового насоса;
- расчет и анализ эффективности использования тепловых насосов.
Объект исследования: тепловые насосы.
Предмет исследования: экономия энергии при использовании
тепловых насосов.
Методы исследования:
- анализ доступной литературы по изучаемому вопросу;
- экспериментальная работа с модельной установкой теплового насоса;
- математическая обработка полученных данных;
- сравнительный анализ расчетов.
Практическая значимость: полученные в ходе работы данные
доказывают, что в условиях Сибири в качестве отопительных систем
можно эффективно использовать тепловые насосы со значительной
экономией энергии.
Тепловой насос — устройство для переноса тепловой энергии от
низко потенциального источника тепла к потребителю с более высокой
температурой. Тепловые насосы бывают парокомпрессионные и
абсорбционные.
К
условиям
Сибири
наиболее
подходят
парокомпрессионные тепловые насосы, так как абсорбционные
тепловые насосы требуют регулярной поставки газа в качестве топлива,
что не всегда возможно в Сибири. Парокомпрессионные тепловые
насосы состоят из четырех основных узлов: испарителя (располагается в
среде низко потенциального тепла), компрессора, конденсатора
(располагается в помещении) и терморегулирующего вентиля. Все узлы
системы соединены трубопроводом (контуром: внешний контур
располагается в среде низко потенциального тепла, внутренний контур
располагается в помещении) и, как правило, представляют собой
единую герметичную систему, заполненную хладагентом (жидкостью,
имеющей низкую температуру кипения). Кратко о принципе работы:
1.Испаритель. Его располагают в среде, температура которой
круглый год положительна (2-6 и выше) и примерно постоянна (вода
озер, рек, непромерзающий слой грунта и т.д.).
2. Компрессор. Он отсасывает пары из испарителя, обеспечивая в
нем низкое давление, а затем сжимает эти пары, направляя их в
конденсатор.
3. Конденсатор. Его располагают в помещении; в конденсаторе
пары превращаются в жидкость, тем самым выделяя тепло и обогревая
здание.
4. Далее хладагент проходит через терморегулирующий вентиль
(дроссель) и цикл повторяется.
ТПУ предоставил возможность работать с экспериментальной
установкой теплового насоса фирмы 3B SCIENTIFIC PHYSICS серии
U8440600 (рис.1). На этой модели теплового насоса был проведен
эксперимент, а также происходило изучение принципа работы тепловых
насосов. Принцип работы этой установки достаточно достоверно
моделирует принцип работы реальных парокомпрессионных тепловых
насосов, использующихся для отопления зданий. В качестве сред, где
размещаются конденсатор и испаритель, используются емкости с водой.
Технические характеристики 3B SCIENTIFIC PHYSICS серии
U8440600 [3]:
Мощность компрессора: 120 Вт, в зависимости от рабочего
режима.
Хладагент: R134A (тетрафторэтан C2H2F4).
Температура кипения хладагента: -26 °C при давлении в 1 бар.
Резервуары с водой: 2000 мл. каждый.
Манометр: 160мм в диаметре, до 9 бар (испаритель), до 24 бар
(конденсатор).
Отсечка избыточного давления: отключение происходит при
давлении в 15 бар.
Напряжение питания: 230 В, 50 Гц.
Размеры: 750x350x540 мм3
Вес: примерно 21 кг.
Рис.1
Принцип работы 3B SCIENTIFIC PHYSICS серии U8440600.
Рис.2.
А – испаритель
В – компрессор
С – конденсатор
D – расширительный клапан
p0 – низкое давление в контуре испарителя
расширительного клапана к входу компрессора.
.
от
выхода
p – высокое давление в контуре конденсатора от выхода
компрессора к входу расширительного клапана.
T0 – температура среды, окружающей испаритель, откуда
поглощается количество тепла Qа .
Т – температура среды, окружающей конденсатор, которая
поглощает количество тепла Qz .
T0* – точка кипения хладагента в испарителе при давлении p0 .
Th – температура хладагента после сжатия.
T* – точка кипения хладагента в конденсаторе при давлении p.
Qа – тепло, поглощаемое испарителем.
Qz – тепло, выделяемое конденсатором.
W – работа, выполняемая компрессором.
Испарение.
В испарителе жидкий хладагент попадает под действие низкого
давления p0. Температура среды T0, окружающей испаритель,
превышает точку кипения хладагента T0*, соответствующую давлению
p0. Такой перепад температуры ведет к передаче тепла от окружающей
среды к хладагенту, вследствие чего он закипает и испаряется.
Количество тепла, необходимое для такого испарения Qa, берется из
окружающей среды, которая в результате охлаждается.
Сжатие.
Пар хладагента постоянно поступает в компрессор, где он
подвергается сжатию. В результате давление пара возрастает с p0 до p.
Точка кипения при давлении p составляет T*. Работа W, выполняемая
компрессором поднимает температуру пара до Th > T*. Th – температура
пара хладагента после того, как она выросла, то есть, температура
превышает точку кипения T*, соответствующую давлению p после
компрессора.
Конденсация.
Сжатый пар нагнетается в конденсатор. Температура среды,
окружающей конденсационный аппарат, составляет T, что ниже T*. Это
означает, что тепло передается от хладагента в окружающую среду. Это
соответствует меньшей доле Qz. Температура пара становится меньше
Th, но пар не конденсируется, пока температура конденсации не
достигнет T*. В этой точке пар начнет конденсироваться, и тепло от
конденсации (большая часть Qz) передается в окружающую среду,
вследствие чего температура растет.
Расширение.
Трубки, соединяющие конденсационный аппарат и испаритель,
замыкают контур. Расширительный клапан, установленный на этой
трубке, обеспечивает выравнивание перепада давления. Жидкий
хладагент при температуре Т* свободно расширяется, и его давление
уменьшается от p в конденсаторе до p0 в испарителе. При этом также
охлаждается хладагент. Более низкое давление p0 ведет к более низкой
точке кипения Т0*. Таким образом, расширение также приводит к
снижению точки кипения так, что температура Т*,при которой
хладагент выходит из испарителя, теперь превышает точку кипения
расширившийся жидкости. Поэтому часть ее начинает испаряться.
Тепло, необходимое для испарения, поступает в результате охлаждения
самого хладагента, пока давление и температура не достигают значений
p0 и T0*. Хладагент возвращается в свое первоначальное состояние, тем
самым завершая цикл.
Проведенные измерения на модели теплового насоса.
Содержание
эксперимента:
согласно
рекомендациям
производителя эксперимент осуществлялся следующим образом:
10 минут – разогрев запущенного и подготовленного к работе
теплового насоса.
10 минут – снятие показаний температуры воды в сосудах
конденсатора и испарителя, температуры и давления хладагента в
разных областях контура, мощности, потребляемой компрессором, для
дальнейшей математической обработки.
По итогам десятикратного проведения эксперимента был вычислен
средний КПД модельной установки:

Q cmT

 0,71 ,
Pt
Pt
где с – удельная теплоемкость воды в сосуде конденсатора, m –
масса воды в сосуде конденсатора,
- разница температур воды в
сосуде конденсатора, P – мощность компрессора,
- время работы
насоса.
С помощью построенного цикла превращений хладагента в
диаграмме Молье (рис.3) [3] также был произведен расчет среднего
теоретического коэффициента эффективности:
COP 
h2  h3
 4,5 ,
h 2  h1
где hx – значения соответствующей энтальпии в диаграмме Молье.
Также был вычислен средний массовый расход хладагента:
m Q
1


 0,3 кг/с.
t
t h2  h3
Рис.3. Диаграмма Молье (зависимость давления р от энтальпии h).
Определение расхода угля при центральном теплоснабжении и
при отоплении тепловым насосом.
Для наглядности были произведены расчеты расхода угля для
отопления здания
при центральном теплоснабжении и при
использовании тепловых насосов.
Исходные данные: полезная площадь помещения – 380 кв. м
(среднестатистический коттедж); достаточно теплоизолированное
здание; норматив потребления электроэнергии – 0,0256 Гкал/кв. м в
месяц (в соответствии с положением мэра г. Томска [1]); длительность
отопительного сезона в г. Томске – 8 месяцев. 8 месяцев = 240 дней =
5760 ч.
1. Расчет расхода угля при центральном теплоснабжении.
Q = 0, 0256 Гкал/кв.м∙8∙380 кв.м = 77, 8 Гкал = 77, 8∙109 кал =
= 325,7∙109Дж = 90, 4∙103 кВт∙ч,
где Q – потребление тепловой энергии.
Q 90,4  10 3 кВт  ч
P

 15,7 кВт,
t
5760 ч
где Р – необходимая мощность тепловых насосов для выработки
данной энергии (рассчитана для последующего сравнения).
На 2012 год стоимость 1 кВт∙ч электроэнергии 2,16 руб.
90,4∙103∙2,16 руб. = 195264 руб.
Для получения 2,44 кВт∙ч электроэнергии нужно сжечь 0,3 кг угля
[2].
0,3кг  90,4  10 3 кВт  ч
 11114,7кг  11,1 т угля необходимо сжечь.
2,44кВт  ч
2. Расчет процесса отопления при использовании тепловых
насосов.
Средняя
температура
радиаторов
центрального
теплоснабжения 80 . Производители при монтаже тепловых насосов
рекомендуют располагать в помещении контур по полу, а объем
контуров превышает объем радиаторов; значит, температуру можно
взять около 60
[5] и [6]. Следовательно, необходимая мощность
насосов требуется на 25% меньше:
P=11,775кВт
И необходимая энергия тоже на 25% меньше:
Qтн = Q∙0,75 = 90,4∙103∙0,75 = 67,8∙103 кВт∙ч,
где Qтн – энергия, которую вырабатывает тепловой насос.
Средний СОР реальных тепловых насосов 4 [5] и [6]. Значит,
компрессор потребляет:
67,8  10 3 кВт  ч
Qk 
 16,95  10 3 кВт  ч
4
Стоимость отопления составит:
16,95∙103∙2,16 = 36612 руб.
И необходимое количество угля требуется сжечь
0,3к,  16,95  10 3 кВт  ч
 2084кг  2 т
2,44кВт  ч
Сравним полученные данные:
- экономия финансовых средств: 195264 - 36612 = 158652 руб.
- экономия угля для выработки необходимой энергии: 11,1 - 2= 9,1 т
Полученные результаты свидетельствуют об экономичности
использования тепловых насосов. Тонны угля будут рационально
использоваться, тем самым нанося меньший вред окружающей среде
выделением продуктов сгорания, имеющих химическую активность.
Заключение.
Тепловые
насосы
являются
достаточно
эффективными
источниками энергии. В Сибири природные условия подходят для
использования таких способов теплоснабжения. Действительно,
рассмотрим город Томск. График среднемесячной температуры за 2011
год представлен на рис.4 [7]. По среднестатистическим данным глубина
промерзания грунта в Томске около 2,2 метра в самые холодные зимы
[8]; также в городе имеется озеро Белое, которое не промерзает зимой
(толщина льда составляет около 0,6 м [9]); множество
административных зданий расположены возле реки Ушайка, которая не
замерзает круглый год.
Рис.4.
Таким образом, эти зоны низко потенциального тепла можно
использовать в качестве среды для расположения испарителя
парокомпрессионного теплового насоса. Если перевести хотя бы часть
зданий (той же администрации) на отопление тепловыми насосами, то
снижение затрат на теплоснабжение будет достаточно значительным.
К сожалению, тепловые насосы пока не относятся к дешевому
оборудованию. Затраты на установку системы очень внушительны.
Однако если рассматривать эксплуатационные расходы, то
первоначальные вложения в геотермальный обогрев будут
сравнительно быстро окупаться за счет энергосбережения. Используя
тепловые насосы в качестве системы отопления, можно экономить
достаточно значительное количество энергии, а значит, и средств.
«Бережливость — важный источник благосостояния.» Цицерон.
Список используемой литературы:
1. Постановление Мэра города Томска №689 от 20.12.2006 г.
2. Веников В.А., Путятин В.В. Введение в специальность. – М.:
Высшая школа, 1978 – 294 с.
3 Инструкция по тепловому насосу 3B SCIENTIFIC PHYSICS
U8440600.
4.Учебное пособие для 10 кл. шк. И классов с углубл. изуч. Ф50
физики/Ю.И.Дик, О.Ф. Кабардин, В.А.Орлов и др.; под редакцией А. А, Пинского – М.: Просвещение, 1993 – 416 c.
5. URL: http://www.ecoklimat.tomsk.ru/
6. URL: http://www.geoteplo.ru/
7. URL: http://pogoda.ru.net
8. URL: http://lestomsk.ru/index.php/poleznie-sovet
9. URL: http://www.tv2.tomsk.ru/