ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИЕЙ ЧАСТНОГО ДОМА

EFFICIENCY OF HEAT PUMP PLANTS TO PROVIDE THERMAL ENERGY OF PRIVATE HOUSE

Yuliya Rybakova

undergraduate, Department of heat and gas supply, ventilation and hydraulics, Vladimir state University named after Alexander Grigoryevich and Nikolai Grigoryevich Stoletov,

Russia, Vladimir

Al'bert Starikov

scientific adviser, Ph.D. tech. Sciences, Assoc., associate professor, Vladimir state University named after Alexander Grigoryevich and Nikolai Grigoryevich Stoletov,

Russia, Vladimir

АННОТАЦИЯ

Использование теплонасосных установок для теплоснабжения частных домов является актуальным направлением для ресурсосбережения в области малой энергетики. Использование теплоты грунта в таких установках наиболее распространенное решение. Функционировать тепловой насос должен в таком режиме, чтобы охлажденный грунт успевал за теплый период восстанавливать потенциал. Это необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации.

ABSTRACT

The use of heat pump installations for heating private homes is an urgent direction for resource conservation in the field of small energy. The use of ground heat in such installations is the most common solution. The heat pump must function in such a mode that the cooled soil has time to restore its potential during the warm period. This must be taken into account when designing and operating.

Ключевые слова: тепловой насос; грунтовый змеевик; тепловая энергия; потенциал; энергосбережение.

Keywords: heat pump; ground coil; heat energy; potential; energy saving.

Рациональное расходование топлива и энергии является проблемой общепланетарного характера. Поэтому применение энергосберегающих технологий актуально для современной действительности.

Применение нетрадиционных источников энергии взамен или параллельно с традиционными системами, основанными на использовании ископаемого топлива ведут не только к экономии первичной энергии и топлива, но и к снижению загрязнения природы от их сжигания, оздоровления среды обитания.

В России самой обширной областью внедрения ресурсосберегающих технологий являются системы теплового обеспечения строений [1, с. 3]. Для целей теплоснабжения все чаще используются тепловые насосы.

Тепловой насос представляет собой устройство для передачи тепловой энергии с более низкого температурного потенциала на более высокий. Например, если имеется избыточная теплота в диапазоне температур 3 ÷ 5°С, то ее можно использовать в системах с более высокими температурами, например, для отопления или горячего водоснабжения [4, с. 28]. Тепловой насос представляет собой термодинамическую машину, которая за счет изменения агрегатного состояния рабочего тела позволяет трансформировать тепловую энергию на другой потенциальный уровень.

Источников низкопотенциального тепла много. Грунт, вода, воздух – теплота содержится буквально везде. В природе теплота условно бесплатна. Если охлаждать грунт на глубине два или три метра и использовать это тепло на нагрев воды в системе отопления, то оплачивать теплоту не придется.

Имеется мнение, что использование грунтового змеевика для теплового насоса приводит к более глубокому промерзанию грунта, сдвигу глубины промерзания в большую сторону [2, с. 291], что приводит к заболачиванию местности и нарушения скорости прогрева грунта в весенне-летний период. Однако, при небольших мощностях тепловых насосов, снижение температуры грунта ничтожно мало, особенно, если использовать вертикальные зонды для съема тепловой энергии.

При работе теплового насоса охлаждаемый грунт подвергается постоянному замораживанию и оттаиванию. Причем, это происходит при сезонном колебании температур и при функционировании самого грунтового змеевика. Влага, содержащаяся в почве, тоже постоянно меняет свое агрегатное состояние. Рассматриваемая система теплообменных процессов настолько сложна, что практически не поддается моделированию. Влажная почва вокруг трубок грунтового змеевика является сложной полидисперсной трехфазной гетерогенной структурой, которая состоит из частиц в трех агрегатных состояниях, имеющих различные формы и размеры.

В ОАО «Инсолар-Инвест» проводились научные исследования, которые показали, что использование тепловой энергии грунта приводит к его переохлаждению до такого уровня, когда не происходит полной компенсации в теплый период, что приводит к тому, что к началу нового отопительного периода, температура почвы ниже, чем расчетная. Дальнейшее использование системы только усугубляет ситуацию.

Исследования показали, что процессы эти экспоненциальный характер [1, с. 3]. При постоянном функционировании системы на пятый сезон почвенный теплообменник выходит на периодический режим и устанавливается равновесный режим охлаждения и нагрева грунта. Это падение температуры грунта необходимо учитывать при проектировании грунтовых змеевиков. Этой проблемы избегают, когда тепловой насос используют на нагрев зимой и на охлаждение летом. Охлажденный за зиму грунт нагревается летом, тогда процессы изначально носят четкий, периодический характер.

Грунт является самым доступным и повсеместным источником теплоты для теплонасосной установки. Однако, далеко не единственным. Можно использовать теплоту подземных или сточных вод, воздуха. В сельской местности можно использовать теплоту силосных ям.

Множество обсуждений ведется вокруг выгоды от использования теплового насоса на различные нужды и окупаемости затрат на сооружение установки. Действительность такова, что при наличии магистрального газа, теплонасосная установка не конкурентна [2, с. 88]. Если рассматривать теплоснабжение автономных объектов, где природный газ не поступает по газопроводу, а электроэнергия дорога, тогда окупаемость тепловых насосов уже приемлема.

Высокие сроки окупаемости связаны с большой стоимостью оборудования установок. При использовании грунтовых контуров, кроме затрат на трубы и фитинги, необходимо еще учитывать земляные работы, которые производятся специальной техникой, поскольку укладку змеевиков нужно производить на большую глубину. Все это приводит к большим денежным затратам. Экономия, достигаемая при этом, не слишком велика. Часто получается, что суммарные затраты могут окупиться через 15 ÷ 20 лет, что превышает срок эксплуатации теплового насоса.

С другой стороны, в мире давно взят прицел на энергосбережение во всех областях жизни. И это важное направление принятия решений. Внедряя в жизнь любые технологии, приводящие к экономии первичной энергии, мы защищаем природу и делаем немного чище и здоровее. Конечно, это не выразить в денежном эквиваленте, но важности вопроса это не отменяет.

При использовании комбинированных систем теплоснабжения, когда обеспечение тепловой энергии осуществляется от нескольких источников, тепловой насос может быть основной установкой, которая резервируется электрокотлом или агрегатом на жидком топливе. Особенно это актуально для теплоснабжения автономных объектов, удаленных от систем централизации.

Повышение степени автономности объектов можно достичь с применением тепловых насосов. При его использовании расходуется гораздо меньшее количество электричества, по сравнению с прямым электроподогревом воздуха в жилище. А если электрическую энергию получать от солнца или ветра, то теплоснабжение автономного объекта можно сделать бесплатным. Однако, все оборудование будет стоить даже дороже, чем собственно частный дом, например. причем намного.

Несмотря на высокую стоимость, системы теплообеспечения и холодоснабжения частного дома, функционирующие за счет низкопотенциальной теплоты грунта, являются весьма надежным источником энергии, использовать который можно практически везде. Теплота грунта, так же как и энергия солнца, является возобновляемой, при условии ее грамотного использования (недопуска переохлажения и перемерзания почвы).

Список литературы:

1. Васильев Г. П. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах // АВОК. 2003. № 2 https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=1991 (дата обращения: 02.12.2020)
2. Киприянов М.Е., Низямова Э.Н. Выгоден ли тепловой насос на самом деле в сфере малого строительства // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки: сб. ст. по мат. LIX междунар. студ. науч.-практ. конф. № 11(58). URL: https://sibac.info/archive/technic/11(58).pdf (дата обращения: 02.12.2020)
3. Мешкевич Е.А. Альтернативное отопление частного дома // Научное сообщество студентов XXI столетия. Технические науки: сб. ст. по мат. XCV междунар. студ. науч.-практ. конф. № 11(94). URL: https://sibac.info/archive/technic/11(94).pdf (дата обращения: 02.12.2020)
4. Трубаев П.А. Тепловые насосы: Учеб. пособие / П.А. Трубаев, Б.М. Гришко. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. – 142 стр.