Рациональное использованиетопливно-энергетических ресурсов представляет собой одну из актуальных проблем.Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающихтехнологий и оборудования, использующих нетрадиционные источники энергии.
В качестве приоритетногонаправления более широкого использования нетрадиционных источников энергиинаибольший интерес представляет область тепло-хладоснабжения, являющаясясегодня одним из наиболее емких мировых потребителей топливно-энергетическихресурсов. Преимущества технологий тепло-хладоснабжения, использующихнетрадиционные источники энергии, в сравнении с их традиционными аналогамисвязаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системахжизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а такженовыми возможностями в области повышения степени автономности системтеплоснабжения. Представляется, что именно эти качества будут иметьопределяющее значение в формировании конкурентной ситуации на рынкетепло-хладогенерирующего оборудования как в нашей стране, так и за рубежом.
Тепло-хладоснабжение спомощью тепловых насосов относится к области энергосберегающих экологическичистых технологий и получает всё большее распространение в мире. Эта технологияпо заключению целого ряда авторитетных международных организаций, наряду сдругими энергосберегающими технологиями (использование солнечной, ветровойэнергии, энергии Океана и т.п.), относится к технологиям XXI века.
В общем случае тепловойнасос — это устройство, используемое для обогрева и охлаждения. Он работает попринципу передачи тепловой энергии от холодной среды к более теплой, в то времякак естественным путём тепло перетекает из теплой области в холодную (см. Рис. 1).
Таким образом, тепловойнасос заставляет двигаться тепло в обратном направлении. Например, при обогреведома тепло забирается из более холодного внешнего источника, и передается вдом. Для охлаждения (кондиционирования) дома тепло забирается из более теплоговоздуха в доме и передается наружу. Тепловой насос в чём-то подобен обычномугидравлическому насосу, который перекачивает жидкость с нижнего уровня наверхний, тогда как в естественных условиях жидкость перетекает с верхнегоуровня на нижний.
В основу принципа действиянаиболее распространенных парокомпрессионных тепловых насосов положены двафизических явления:
· поглощение и выделение тепла веществом приизменении агрегатного состояния — испарении и конденсации соответственно;
· изменение температуры испарения (иконденсации) при изменении давления.
Соответственно, основныеэлементы парокомпрессионного контура — теплообменник-испаритель,теплообменник-конденсатор, компрессор и дроссель. В испарителе рабочее тело,обычно хладон, находится под низким давлением и кипит при низкой температуре,поглощая теплоту низкопотенциального источника. Затем рабочее тело сжимается вкомпрессоре, приводимом в действие электрическим или иным двигателем, ипоступает в конденсатор, где при высоком давлении конденсируется при болеевысокой температуре, отдавая теплоту испарения приёмнику тепла, например,теплоносителю системы отопления. Из конденсатора рабочее тело через дроссель вновьпоступает в испаритель, где его давление снижается и снова начинается процесскипения.
Тепловой насос можетзабирать тепло из нескольких источников, например, воздуха, воды или земли. Итаким же образом он может сбрасывать тепло в воздух, воду или землю. Болеетеплая среда, воспринимающая тепло, называется теплоприёмником. В зависимостиот типа источника и приёмника тепла испаритель и конденсатор могут выполнятьсякак теплообменники типа «воздух-жидкость», так и «жидкость-жидкость».
Рис. 1. Принципиальная схемаработы компрессионного теплового насоса
Регулирование работы системтеплоснабжения с применением теплового насоса в большинстве случаевпроизводится его включением и выключением по сигналам датчика температуры,установленного в приёмнике (при нагреве) или источнике (при охлаждении) тепла.Настройка теплового насоса обычно производится изменением сечения дросселя(терморегулирующего вентиля — ТРВ).
В зависимости от сочетания видаисточника низкопотенциальной теплоты и нагреваемой среды тепловые насосыделятся на следующие типы:
· воздух — воздух;
· воздух — вода;
· грунт — воздух;
· грунт — вода;
· вода — воздух;
· вода — вода.
Эти типы тепловых насосовотличаются конструктивным исполнением теплообменной части (испарителя иконденсатора) и температурными режимами реализуемых термодинамических циклов.
Настоящее Руководстворазработано ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» в развитие СНиП 2.04.05-91*«Отопление, вентиляция и кондиционирование» и МГСН 2.01-99 «Энергосбережение взданиях» и освещает вопросы применения теплонасосных систем теплохладоснабжения(ТСТ), использующих вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) и нетрадиционныевозобновляемые источники энергии (НВИЭ).
Руководство имеет своейцелью оказание помощи заказчикам и проектировщикам в выборе рациональныхэнергосберегающих технических решений систем тепло-хладоснабжения,предусматривающих применение тепловых насосов, и предназначено дляиспользования при проектировании новых и реконструкции существующих объектов.
При разработке Руководстваиспользован опыт применения тепловых насосов в зарубежной и отечественнойпрактике, в частности опыт работы предприятий группы «ИНСОЛАР» по внедрению вРоссии теплонасосных систем тепло-хладоснабжения в различных областяхгражданского и промышленного строительства, включая результатынаучно-исследовательских работ, выполненных ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» в рамкахГосударственной научно-технической программы России «Экологически чистаяэнергетика».
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. При проектированиисистем тепло-хладоснабжения (отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха,горячего водоснабжения) зданий и сооружений с использованием тепловых насосов итепловых узлов к ним следует руководствоваться следующими нормативнымидокументами:
— СНиП 2.04.05-91 *«Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха»;
— СНиП 2.04.01-85*«Водоснабжение и канализация»;
— СНиП 2.04.07-86* «Тепловые сети»;
— МГСН 2.01-99«Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению»;
— СП 41-101-95 Свод правил«Проектирование тепловых пунктов»,
а также другими нормативнымидокументами федерального и регионального (московского) уровня, касающимисяэнергосбережения при проектировании объектов индивидуального и общественногожилищного строительства, объектов коммунального и промышленного строительства.
1.2. Термодинамическитепловой насос представляет собой обращённую холодильную машину и, по аналогии,содержит испаритель, конденсатор и контур, осуществляющий термодинамическийцикл. Основные типы термодинамических циклов — абсорбционный и, наиболеераспространённый, парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной цельюявляется производство холода путём отбора теплоты из какого-либо объёмаиспарителем, а конденсатор осуществляет сброс теплоты в окружающую среду, то втепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом,выделяющим теплоту для потребителя, а испаритель — теплообменным аппаратом,утилизирующим низкопотенциальную теплоту: вторичные энергетические ресурсы и(или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Термодинамический циклтеплового насоса в T-S диаграмме представлен на рисунке 2.
1-2 сжатие в компрессоре
2-3 отвод тепла к потребителю
3-4 расширение через дроссель
4-1 подвод тепла отнизкопотенциального источника
Рис. 2. Термодинамический цикл теплового насоса в T-S диаграмме
1.3. Как и холодильная машина,тепловой насос потребляет энергию на реализацию термодинамического цикла(привод компрессора). Коэффициент преобразования теплового насоса — отношениетеплопроизводительности к электропотреблению -зависит от уровня температур виспарителе и конденсаторе и колеблется в различных системах в диапазоне от 2,5до 5, т.е. на 1 кВт затраченной электрической энергии тепловой насос производитот 2,5 до 5 кВт тепловой энергии. Температурный уровень теплоснабжения оттепловых насосов 35-55 °С. Экономия энергетических ресурсов достигает 70 %.
Промышленность техническиразвитых стран выпускает широкий ассортимент парокомпрессионных тепловыхнасосов тепловой мощностью от 5 до 1000 кВт.
На рисунке 3 представлены зависимостиидеального и действительного (реального) коэффициента преобразования ТН оттемператур испарения и конденсации хладагента.
1.4. Энергетический балансТН записывается следующим образом:
Qконд = Qисп + Lкомп, где
Qконд — теплота, отводимая отконденсатора;
Qисп — теплота, подводимая киспарителю;
Lкомп — работакомпрессора.
1.5. Коэффициентпреобразования ТН определяется по формуле:
φ = Qконд/Lкомп = α × Тконд/(Тконд- Тисп), где
Тконд -температура конденсации рабочего тела;
Тисп -температура испарения рабочего тела;
α — суммарныйкоэффициент потерь ТН (потери цикла, потери в компрессоре, потери отнеобратимости при теплопередаче и т.п.).
Идеальный коэффициентпреобразования ТН:
φ = Тконд/(Тконд- Тисп)
1.6. Системы теплоснабженияс использованием тепловых насосов — теплонасосные системы теплоснабжения -могут быть применены для отопления, подогрева вентиляционного воздуха, нагреваводы для горячего водоснабжения и т. п.
В качественизкопотенциальных (низкотемпературных) источников теплоты могут использоваться:
а) вторичные энергетическиересурсы:
теплота вентиляционныхвыбросов;
теплота серыхканализационных стоков;
сбросная теплотатехнологических процессов и т.п.
б) нетрадиционныевозобновляемые источники энергии:
теплота окружающего воздуха;
теплота грунтовых игеотермальных вод;
теплота водоёмов и природныхводных потоков;
теплота солнечной энергии ит. п.
теплота поверхностных иболее глубоких слоев грунта.
Рис. 3. Зависимость идеального и действительного (реального)коэффициента преобразования ТН от температур испарения и конденсации хладагента
Следует учесть, чтоиспользование тепловых насосов для тепло-хладоснабжения с использованием ВЭР иНВИЭ представляет собой новую современную технологию и требует современныхархитектурно-планировочных, конструктивных и инженерно-технологических решенийпо всему объекту в целом. ТСТ должна быть органично вписана в объект ирационально сопряжена с остальными инженерными системами объекта.
2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЗМОЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИНИЗКОГО ПОТЕНЦИАЛА И ТЕХНОЛОГИЙ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕПЛОНАСОСНЫХ СИСТЕМАХТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
2.1. Теплота окружающего воздуха
Теплота окружающего воздуха,как источника низкопотенциальной теплоты, характеризуется, как правило,сезонными и краткосрочными колебаниями температуры в зависимости от погодныхусловий, что влечёт за собой колебания режимов работы теплового насоса,снижающие его эффективность. Кроме того, средний уровень температурыокружающего воздуха влияет на коэффициент трансформации: чем ниже температура,тем ниже коэффициент трансформации.
В этой связи теплотуокружающего воздуха целесообразно использовать в климатических зонах сдостаточно высокой (не ниже +5 °С) температурой и со стабильными погодными условиями.
Для климатической зоны г.Москвы с колебаниями температуры воздуха в отопительный период от 0 °С до -30°С, что определяется высокой циклонической деятельностью в этот период,применение этого низкопотенциального источника не целесообразно.
2.2.Теплота грунтовых и подземных вод
Грунтовые и подземные водыобладают достаточно высокой теплоотдачей и имеют постоянную температуру, чтообеспечивает эффективность и стабильность режимов работы тепловых насосов. Дляутилизации теплоты создаётся циркуляционный контур: вода из грунта подаётся втеплообменник, связанный с испарителем теплового насоса, охлаждается изакачивается обратно в грунт (см. Рис. 4). Однако использование этих источниковсвязано с более интенсивным вмешательством в гидрологический режим недр итребует согласования с соответствующими службами.
Следует также учесть, чтоиспользование грунтовых и подземных вод в качестве аккумулятора теплотыневозможно.
Рис. 4. Теплонасосная система теплоснабжения,использующая тепло подземных вод
1- водонагреватель; 2 — тепловой насос; 3 — колодец; 4 — насос; 5 — дренаж
Подземные воды, так же как иповерхностные слои земли, могут быть использованы в качестве источника тепладля индивидуальных домов, многоквартирных зданий и районных котельных.Температура подземных вод обычно является постоянной на глубине 15-20 м, и дляМосквы и Московской области составляет 6-8 °С.
Для извлечения теплаподземных вод используются обычные методы бурения скважин диаметром 10-20 см,глубиной 50-150 м.
Как и при использованииозерной воды, применяются два различных принципа сбора тепла. В одном случаезамкнутая трубопроводная система опускается в скважину. В таком коллекторециркулирует теплоноситель, который извлекает тепло из подземной воды ипереносит его в испаритель теплового насоса.
Для небольшого тепловогонасоса мощностью около 10 кВт, который может использоваться для индивидуальныхдомов, требуется расход подземного потока около 1-2 м3 (взависимости от температуры).
В другом варианте подземнаявода закачивается непосредственно в испаритель, и после охлаждения сбрасываетсяв специальную скважину, достаточно далеко от места забора, чтобы исключитьохлаждение источника подземной воды.
При использовании грунтовыхи подземных вод в качестве источника низкопотенциального тепла для ТСТнеобходимо учитывать риск нарушения их гидрологического и экологическогобаланса.
Возможности использованиятепловых насосов на грунтовых и подземных водах ограничены территориями, гдетемпература этих вод меньше +4,5 °С.
В условиях достаточноплотной застройки в Москве применение таких методов проблематично, посколькутребует наличия подземного водного потока под площадкой или вблизи площадкизастройки. Однако при изучении геологической подосновы следует иметь в видутакую возможность.
2.3.Теплота водоёмов и природных водных потоков
Температура воды в водоёмахи водных потоках на поверхности земли подвержена сезонным изменениям всоответствии со средней температурой окружающего воздуха, причём наиболеенизкая температура приходится на конец периода максимальной тепловой нагрузки.Утилизация низкопотенциальной теплоты производится теплообменниками,погруженными в воду. Использование этих естественных источников в качествеаккумуляторов теплоты невозможно. Однако специально созданные искусственныеводоёмы (например, противопожарные резервуары) можно использовать как тепловыеаккумуляторы, предусмотрев при этом мероприятия от размножения водной флоры ифауны, чему могут способствовать периоды повышенной температуры воды.
Для условий Москвыпредставляет интерес использование теплоты многочисленных малых рек,заключенных в коллекторы. Этот вопрос следует рассматривать при проектированииконкретных объектов с учётом их территориального расположения. При этом следуетоценить энергетический потенциал таких малых рек — величину стока воды и еётемпературу в отопительный период.
2.4.Солнечная энергия
Целесообразностьиспользования солнечной энергии зависит от климатических условий района применения.Потенциал этого источника довольно велик, однако плотность потока солнечнойрадиации сравнительно невелика — около 0,6 кВт на 1 м2, что требуетзначительных площадей поглощающей поверхности солнечных коллекторов. Крометого, этот источник обладает ещё одним существенным недостатком — приходсолнечной радиации неравномерен. Это требует применения теплоаккумулирующихустройств как для суточного, так и для сезонного аккумулирования.
Климатические условия Москвыхарактеризуются достаточно высокой циклонической деятельностью под влияниемИсландского минимума, что влечёт за собой неравномерное поступление солнечнойрадиации и относительно малое — 1758 — количество дней солнечного сияния.Отношение наблюдаемого количества дней солнечного сияния к возможному согласноклиматическому справочнику составляет 39 %. По этим причинам использованиесолнечной энергии в качестве единственного источника низкопотенциальной теплотымалоэффективно.
Возможным решением можетбыть комбинация этого источника с другими, например с грунтом, который можетбыть использован как в качестве аккумулятора, так и источника теплоты (см. Рис.6).
2.5.Теплота грунта поверхностных слоёв Земли.
2.5.1. Грунт поверхностныхслоев Земли фактически представляет собой тепловой аккумулятор неограниченнойемкости, тепловой режим которого формируется под воздействием солнечнойрадиации и потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр. Падающая наземную поверхность солнечная радиация и сезонные изменения ее интенсивностиоказывают влияние на температурный режим слоев грунта, залегающих на глубинах10-20 метров.
Температурный режим слоевгрунта, расположенных ниже глубин проникновения тепла солнечной радиации,формируется только под воздействием тепловой энергии, поступающей из недрЗемли, и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных измененийпараметров наружного климата.
Таким образом, насравнительно небольшой глубине от поверхности имеются слои грунта,температурный потенциал которых в холодное время года значительно выше, чем унаружного воздуха, а в жаркое время года — значительно ниже.
2.5.2. При устройстве вгрунте вертикальных или горизонтальных регистров труб (систем сборанизкопотенциального тепла грунта) с циркулирующим по ним теплоносителем,имеющим пониженную (повышенную) относительно окружающего грунтового массиватемпературу, происходит отбор (сброс) тепловой энергии (холода) от грунта и ихотвод потребителю.
2.5.3. Поскольку грунтявляется довольно сложной и многообразной структурой при проектировании системсбора низкопотенциального тепла грунта следует учитывать факторы и использоватьметодики, изложенные в ПРИЛОЖЕНИЯХ 2 и 5.
2.5.4. При расположениисистемы сбора низкопотенциального тепла под фундаментами зданий и сооруженийследует оценить эффект подъёма поверхности грунта при замораживании грунтовойвлаги. Пример такого расчёта приведен в ПРИЛОЖЕНИИ 3.
2.5.5. Грунт поверхностныхслоев Земли, в связи с его повсеместной доступностью и достаточно высокимтемпературным потенциалом, является наиболее перспективным источником тепловойэнергии низкого потенциала для испарителей ТН.
На рисунках 5 и 6 представленыпримеры горизонтальной и вертикальной систем сбора низкопотенциального теплагрунта.
Рис. 5. Горизонтальнаясистема сбора низкопотенциального тепла грунта
1 — воздушныйотопительный аппарат; 2 — тепловой насос; 3 — пластиковый трубопровод
Рис. 6. Вертикальная системасбора низкопотенциального тепла грунта
1 -тепловой насос; 2 — солнечный коллектор; 3 — бойлер для горячего водоснабжения;4 — нагревательные приборы системы отопления; 5 — циркуляционные насосы; 6 -вертикальные термоскважины системы сбора низкопотенциального тепла грунта
2.6.Теплота воздуха, выбрасываемого вентиляционными системами
2.6.1. Тепловые насосы,использующие тепло выбрасываемого вентиляционными системами воздуха (здания смеханической системой вентиляции), температура которого составляет около +20 °Си мало изменяется в течение года, могут быть установлены в многоквартирных ииндивидуальных зданиях. Это позволяет получить более высокий коэффициентпреобразования тепла по сравнению с другими источниками низкопотенциальноготепла. С другой стороны, вентиляционный воздух является сравнительноограниченным источником тепла и экономически невыгодно увеличивать воздушный вентиляционныйпоток, так как в результате это приведет к увеличению потребности втеплоснабжении. В данном случае, как и для тепловых насосов, использующихнаружный воздух, стоимость источника тепла ниже, чем для большинства другихтипов тепловых насосов.
2.6.2. Конфигурация системызависит от места расположения теплового насоса в здании. Извлеченное теплотранспортируется в накопитель тепла, который может быть размещен, например, вподвале здания. Тепловой насос, с целью сокращения длин трубопроводов, может бытьустановлен либо в чердачном помещении, рядом с каналом выброса вентиляционноговоздуха, либо рядом с водяным накопителем тепла в подвале (Рис.7 и 8).
2.6.3. Среднегодовойкоэффициент преобразования тепла в таких системах составляет от 3 до 4, чтоподтверждает целесообразность их применения как для горячего водоснабжения, таки для отопления.
Рис. 7. Теплонасоснаясистема, использующая тепло вентвыбросов
1 -новая часть стены; 2 — дополнительная изоляция из минеральной ваты; 3 — стараячасть стены; 4 — набивка минеральной ватой; 5 — третье стекло; 6 — рекуперациятепла вентилируемого выбросного воздуха с помощью теплового насоса; 7 — тепловойнасос на выбросном воздухе; 8 — бак аккумулятор горячей воды; 9 — теплообменник
Рис. 8. Теплонасоснаясистема, использующая тепло вентвыбросов приточно-вытяжной системы вентиляции
1 -теплообменник; 2 — вентилятор; 3 — бойлер; 4 — бак аккумулятор; 5 — тепловойнасос
2.7.Комбинированное использование низкопотенциального тепла вытяжного воздуха,условно-чистых стоков и грунта
2.7.1. Принципиальная схемасистемы, использующей комбинацию теплоты вытяжного воздуха, условно-чистыхстоков и грунта, представлена на Рис. 9.
Система предназначена дляполного замещения нагрузки горячего водоснабжения всего жилого дома стемпературой горячей воды 55 °С и рассчитана на средний часовой расход (всоответствии со СНиП 2.04.01-85*) засчёт установки баков — аккумуляторов горячей воды.
2.7.2. Основным источникомнизкопотенциального тепла является вытяжной воздух, охлаждаемый ввоздухо-жидкостном теплоутилизаторе до 10-12 °С.
2.7.3. Дополнительнымиисточниками низкопотенциального тепла служат система утилизации сбросного теплаусловно-чистых сточных вод и система сбора тепла грунта.
Сточные воды, подобновнешнему воздуху, являются низкотемпературным источником тепла, которыйособенно удобен для использования тепловыми насосами. Сточные воды притемпературе около +20 °С летом и редко менее +8 °С зимой имеются, как правило,во всех городских застройках. В очищенном либо необработанном виде они могут использоватьсякак источник тепла. Неочищенные сточные воды обычно имеют большую температуру,их источник расположен, как правило, вблизи расположения теплого насоса, но ихприменение часто приводит к засорению трубопроводов и блокированиютеплообменных поверхностей.
Тепловые насосы,предназначенные для извлечения тепла сточных вод, целесообразно размещать либовблизи городских очистных сооружений, либо в больших зданиях, где имеетсябольшое количество относительно чистых сточных вод. Сезонный коэффициент преобразованиятепла таких установок весьма высок (2,5-3,5), и, соответственно, экономическиепоказатели достаточно хорошие. Пока трудно оценить общие возможности такихустановок, но их создание возможно почти на всех станциях по обработке сточныхвод. Теоретически количество утилизированного тепла может быть сопоставлено сполным энергопотреблением на производство горячей воды.
Рис. 9. Система,использующая комбинацию теплоты вытяжного воздуха, условно-чистых стоков игрунта
1 -вытяжные шахты; 2 — теплоутилизатор; 3 — вентилятор; 4 — расширительный бак; 5- испаритель; 6 — компрессор; 7 — бак аккумулятор; 8 — конденсатор; 9 -теплообменник на сточных водах; 10 — система сбора тепла грунта
3. СИСТЕМЫ СБОРА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙЭНЕРГИИ ГРУНТА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЗЕМЛИ
Грунтовые теплообменникисистем сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта, или систем теплосбора,могут укладываться в земле горизонтально, в траншеи, и вертикально, в буровыескважины. Поскольку их функциональные Монтаж одинаковы, то различаютсяони только по стоимости монтажа и занимаемой площади.
При горизонтальной системетрубы грунтового теплообменника укладывают в земляные траншеи глубиной 1,5-2 м,соединяя ветви последовательно или параллельно.
Существуют множество конфигурацийвертикальной укладки теплообменника, но здесь большая доля затрат приходится набуровые работы. При параллельной укладке труб можно использовать трубы меньшегодиаметра (а, соответственно, и скважины). А чем меньше диаметр скважины, темвыше скорость проходки. Таким образом, параллельная укладка труб требуетнаименьших затрат на монтаж при вертикальной конфигурации.
Движение влаги являетсяосновным фактором, влияющим на теплообмен между землей и теплообменником. Когдатепло извлекают из земли, то влага в порах грунта движется к теплообменнику,улучшая тем самым теплообмен между трубопроводом и окружающим грунтом. Приработе в режиме охлаждения сброс тепла в грунт вызывает отток поровой влаги,замедляя при этом перенос тепла.
Другим важным фактором являетсязамораживание воды, заключенной в порах грунта. Использование теплоты фазовогоперехода позволяет извлекать энергию практически при постоянной температуре.Средняя температура теплоносителя повышается, что увеличивает эффективностьработы теплового насоса. Подробнее вопрос теплофизических свойств грунта приразличных условиях рассмотрен в ПРИЛОЖЕНИИ 5.
Размеры грунтовоготеплообменника определяются исходя из расчетных тепловых и холодильных нагрузокна ТСТ. Все тепловые насосы рассчитаны на максимальную и минимальнуютемпературу жидкости, являющейся источником энергии.
Длина теплообменника зависитот его конструкции (вертикальная, горизонтальная и т.д.) и производительноститеплового насоса. Наилучшей считается конструкция с наименьшими затратами намонтаж.
Теплообменники в земле могутработать при температурах от — 10 до + 45 °С. При отрицательных температурахнеобходимо использовать незамерзающий теплоноситель.
В качестве незамерзающеготеплоносителя могут быть использованы водные растворы хлористого кальция,метанола и этиленгликоля. Каждая из этих жидкостей не вступает в реакцию спластмассой.
Самый дешевый — хлористыйкальций. Он также имеет наилучшие теплообменные Монтаж , однако с ниммогут возникнуть проблемы, если из системы не полностью откачан кислород. Вэтом случае может возникнуть коррозия металлических частей в петляхтеплообменника, если они выполнены из неподходящих металлов, например, изжелтой латуни.
Метанол проявляет себя оченьхорошо при минимальных температурах, но подвержен возгоранию, если не разбавленводой.
Этиленгликоль обладаетхорошими теплообменными свойствами и не вызывает коррозии, но он токсичен.
3.1.Устройство горизонтальных грунтовых теплообменников
Монтаж горизонтальныхгрунтовых теплообменников производят в предварительно прорытые траншеи. Выбормеханизмов при этом зависит от почвенных условий.
Сначала делается разметкатрассы теплообменника и намечается место ввода в дом. По мере рытья траншеигрунт вынимается, и на дно траншеи укладывают трубопровод. Через каждыенесколько метров трубопровод присыпается землей. Затем трубопровод вставляетсяв специально сделанное отверстие в фундаменте и заделывается.
После полной укладкипроводится испытание трубопровода под давлением и засыпка траншеи. Причемпервые 15 см засыпаются вручную. Дальнейшая работа по обратной засыпкевыполняется бульдозером или другими механизмами.
3.2.Устройство вертикальных грунтовых теплообменников
На практике применяютсяследующие две конструктивные схемы вертикальных грунтовых теплообменников:
— «труба в трубе» — внутриобсадной трубы коаксиально располагается подающая теплоноситель труба, а потоктеплоносителя, возвращающийся по межтрубному зазору, отбирает тепло грунтачерез стенку обсадной трубы;
— U-образная труба — поодной ветви теплоноситель подаётся вниз, а по другой возвращается обратно, приэтом теплообмен с грунтом происходит по всей длине трубы, однако из-за меньшихдиаметров труб (при том же диаметре скважины) поверхность теплообменаполучается существенно меньше, чем в предыдущем варианте.
Для большей гарантии всестыки труб, укладываемых в землю, должны соединяться термической сваркой, а несоединяться чисто механическими способами. Существуют два вида сварки — встык ис соединительными муфтами. При сварке в стык ровные концы труб нагревают, затемприкладывают друг к другу и сплавляют. При сварке с соединительными муфтамиконцы труб и поверхность муфты нагревают, а затем конец трубы вставляется вмуфту и приваривается там. Полиэтиленовые трубы можно соединять обоимиспособами.
Вертикальные грунтовыетеплообменники опускаются в предварительно пробуренные скважины. Чаще всегоприменяется мокрое вращательное или шнековое бурение.
При мокром вращательном бурениинеобходимо предусмотреть меры (использование стальных обсадных труб,глинизация), чтобы скважины оставались открытыми довольно значительное время дотого, как в них будут вставлены трубы.
Герметичный грунтовыйтеплообменник (U-образный, или типа труба в трубе), предварительноиспытанный под давлением, погружается в скважину. Перед погружением взаполненную буровым раствором скважину U-образный теплообменник заполняетсяводой, чтобы предотвратить его всплытие (см. ПРИЛОЖЕНИЕ 4). Для глубокихскважин к нижнему концу теплообменника подвешивается дополнительный груз.
Отверстия в выступающих надземлей частях труб закрываются, чтобы в трубу не попал грунт.
Для обратной засыпки скважинможно использовать промытый песок или песчано-гравийную смесь. При опасностизаражения водоносного горизонта грунтовыми водами, перетекающими вдоль стенкигрунтового теплообменника, применяются герметики или цементные растворы.
Заключительный этап работвключает соединение выпусков вертикальных теплообменников в коллекторы и ихввод в здание через отверстия в фундаменте.
В ПРИЛОЖЕНИИ 1 приведен примеробщих указаний по выполнению вертикальных систем сбора низкопотенциальноготепла грунта (ССНТГ).
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ С ТЕПЛОНАСОСНЫМИСИСТЕМАМИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
4.1. При проектированиизданий и сооружений с применением энергосберегающих технологий, в том числе сприменением тепловых насосов, использующих теплоту вторичных энергетическихресурсов и нетрадиционных источников энергии, необходимо рассматривать объекткак единое целое. На ранних стадиях проектирования необходимо добиватьсясогласованности технических решений по архитектуре, конструкции и инженернымсистемам с целью выбора оптимальных схем внедрения энергосберегающихтехнологий, обеспечивающих минимальные сроки окупаемости дополнительныхкапитальных затрат.
4.2. Теплонасосные системытеплоснабжения проектируются для каждого конкретного объекта в зависимости отэнергетических нагрузок, почвенно-климатических условий района строительства истоимости энергоносителей.
Как указывалось выше (см. раздел 2),использование теплоты окружающего воздуха и солнечной энергии в качестве единственныхисточников низкопотенциальной теплоты малоэффективно, но в сочетании с другими,более стабильными, источниками (например, теплотой грунта) вполне возможно.
Грунт в районе Москвыхарактеризуется расположением на глубинах 50-60 м известняков, что ограничиваетглубину бурения термоскважин. На глубинах утилизации теплоты (от 5 до 50 м),как правило, расположены пески, суглинки, глины. Водонасыщенность нормальная.Эти грунты позволяют утилизировать теплоту грунта. Однако при проектированииконкретных объектов необходимо проанализировать более подробные геологическиеданные по участку застройки и, при необходимости (как правило, для крупныхобъектов), произвести разведочное бурение.
4.3. Решение обиспользовании энергосберегающих теплонасосных систем целесообразно принимать настадии разработки и утверждения задания на проектирование.
Предпосылками для применениятаких систем могут служить следующие обстоятельства:
— удалённость от системцентрализованного теплоснабжения;
— ограничение виспользовании электроэнергии для прямого нагрева при теплоснабжении;
— наличие вторичныхэнергетических ресурсов (вентиляционных выбросов, сбросной теплотытехнологических процессов, серых канализационных стоков и т. п.);
— наличие холодильнойнагрузки;
— относительно низкий температурныйпотенциал тепловых нагрузок (напольное отопление, вентиляция, подогрев воды вбассейнах и т.п.)
— большой объём требованийтехнических условий на подключение к внешним источникам теплоснабжения.
Этапы проектированияобязательно должны содержать стадию ТЭО.
На этой стадии наряду сархитектурой должны быть достаточно глубоко проработаны инженерные разделы,согласованы различные инженерные системы между собой и с теплонасосной системойтеплоснабжения в части использования вторичных энергетических ресурсов ипокрытия различных тепловых нагрузок с учётом графиков их изменения во времени.
4.4. ТСТ, как правило,состоят из системы сбора низкопотенциального тепла, собственно тепловых насосови традиционных источников тепловой энергии для покрытия пиковых нагрузок. Внекоторых случаях применяются аккумуляторы тепловой энергии. Такие схемы, какправило, применяются для систем горячего водоснабжения с целью выравниваниясуточной неравномерности потребления горячей воды.
4.5. Системы сборанизкопотенциального тепла представляют собой различные теплообменные аппараты,утилизирующие ВЭР и НВИЭ и включённые в единый с испарителями тепловых насосовконтур, по которому циркулирует теплоноситель. Если по режимным параметрамтемпература в этом контуре может быть ниже 0 °С, то в качестве теплоносителяиспользуются антифризы, например, на основе водных растворов этиленгликоля.Система должна постоянно обеспечивать испарители тепловых насосовнизкопотенциальной тепловой энергией. В связи с этим в системе целесообразно комбинироватьразличные виды низкопотенциальных источников теплоты.
4.6. Тепловые насосы, какнаиболее дорогое оборудование, подбираются по мощности на величину базовыхнагрузок по графику их изменения. Это обеспечивает максимальное использованиетепловых насосов и более стабильный режим их работы.
Для обеспечения надёжностиработы системы в схеме предусматривается несколько агрегатов, за исключениемслучаев, когда надёжность агрегатов обеспечивается их внутренним устройством.
4.7. В качестведополнительных традиционных источников тепловой энергии, предназначенных дляпокрытия пиковых нагрузок, целесообразно применять нагреватели, легкоподдающиеся автоматизации работы, например, электрические или газовые.Нагреватели могут устанавливаться по отношению к тепловым насосам какпараллельно (со смешиванием потоков теплоносителя), так и последовательно(догревание теплоносителя).
4.8. На стадии ТЭОнеобходимо рассмотреть комплекс традиционных мероприятий по энергосбережению:
· рациональные архитектурно-планировочныерешения по конфигурации зданий и сооружений и расположению их на местности;
· применение энергосберегающих ограждающихконструкций;
· использование энергосберегающей системывентиляции, в том числе с возможностью рекуперативного подогрева приточного воздухавытяжным;
· создание рациональной системы отопления сприменением автоматизированных узлов управления и учёта тепловой энергии;
· установка экономичных устройств водоразборав системе горячего водоснабжения с применением регуляторов давления;
· применение энергоэкономичных светильников идругих электроприборов, устройств для частотного регулирования электрическихмашин и т.п.
Целесообразно рассмотреть2-3 варианта схем ТСТ для выбора наиболее оптимального решения. Принципиальныесхемы ТСТ выбираются на основе тепловых и технико-экономических расчётов.
4.9. Одной из основныхпроблем, решаемых при проектировании теплонасосных систем теплоснабжения,является проблема выбора установленной тепловой мощности системы.
4.9.1 Выбор установленноймощности должен производиться на основе технико-экономического расчета,рассматривающего наряду с энергосберегающей теплонасосной системойтеплоснабжения всё здание или сооружение со всеми инженерными системами.
4.9.2. Спецификаэксплуатационных особенностей теплонасосных систем теплоснабжения, использующихнизкопотенциальное тепло грунта, существенно влияет на эффективность дальнейшейэксплуатации рассматриваемых систем. Отбор (или сброс) тепловой энергии изгрунтового массива в процессе эксплуатации системы теплосбора может вызыватьзначительные изменения температуры грунта в годовом цикле относительно егоестественной. Это в значительной степени осложняет задачу прогнозированиятеплового поведения системы теплосбора в годовом цикле и вынуждает использоватьпри проектировании систем теплосбора сложные пространственные математическиеМонтаж отопления, учитывающие процессы распространения тепла по трем координатным осям.
4.10. В результатепроведенных на компьютерных моделях исследований по оценке эксплуатационныхвоздействий систем теплосбора на естественный температурный режим грунта былоустановлено, что эксплуатация характеризуется тремя основными периодами.
Первый период, с началаотопительного сезона продолжительностью до 200 часов (8 суток), характеризуетсяярко выраженной нестационарностью теплового режима грунтового массива и,вследствие этого, значительными изменениями температур грунта вблизи трубгрунтового теплообменника. Для этого периода весьма характерным является тотфакт, что грунтовый теплообменник оказывает весьма существенное тепловоевлияние на слои грунта, находящиеся в непосредственной близости от него.Поэтому путем искусственного повышения теплопроводности и объемной теплоемкости(замена грунта, его увлажнение и т.д.) незначительного объема грунта вблизи трубгрунтового теплообменника можно существенно улучшить эксплуатационные параметрысистемы теплосбора, эксплуатируемой в малотеплопроводных и не теплоемкихгрунтах.
Второй период — от 200 до500 часов (с 8-х до 21-х суток) — характеризуется более плавным изменениеминтенсивности удельного теплосъема с единицы длины грунтового теплообменника вовремени, которое имеет менее крутой, но все же экспоненциальный характер.Причём, наиболее интенсивно изменение удельного теплосъема во временипроисходит, как и во время первого периода, в грунтах с малойтеплопроводностью. Изменение интенсивности удельного теплосъема в течениепериода — в пределах 15 % от начального значения.
Третий период начинается с500 часов (или с 22-х суток) и продолжается до конца отопительного сезона. Дляэтого периода характерно линейное изменение интенсивности удельного теплосъемаво времени. Однако, несмотря на значительно более пологий характер зависимостиудельного теплосъема от времени, на протяжении этого периода она все же имеетярко выраженный нестационарный характер.
4.11. Значительное влияниена эффективность эксплуатации систем теплосбора оказывают теплопроводность итеплоемкость грунтового массива. Чем выше теплопроводность и объемнаятеплоемкость грунта, тем выше интенсивность удельного теплосъема с единицыдлины грунтового теплообменника и, соответственно, выше эффективность системытеплоснабжения.
Наиболее существенноевлияние на эффективность эксплуатации системы теплоснабжения оказываетизменение теплопроводности грунта в пределах от 0,4 — 2 Вт/(м* °С) и егообъемной теплоемкости от 400 — 1000 кДж /(куб.м.* °С). Дальнейшее их увеличениесказывается на эффективности системы менее заметно. Следовательно, приэксплуатации систем теплосбора в малотеплопроводных и не теплоемких грунтахимеется реальная возможность за счет незначительного повышения влажности грунта(путем создания дренажа, задержки дождевой влаги на участке теплосбора и т.д.)значительно повысить эффективность эксплуатации системы теплосбора и,соответственно, системы теплоснабжения в целом.
4.12. Согласно действующимнормативным документам (например, СНиП 2.04.05-91*«Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха», п.п. 6.13 и 8.2, МГСН2.01-99 «Энергосбережение в зданиях, нормативы по теплозащите итепловодоэлектроснабжению», п. 4.2.4) применение новых технологийтеплоснабжения, в том числе с применением тепловых насосов, связанных, какправило, со значительными капитальными вложениями, требует предварительноготехнико-экономического обоснования.
4.13. На стадии разработкиТЭО для объектов с теплонасосными системами теплоснабжения должны бытьпроработаны следующие вопросы:
· определены основныеархитектурно-планировочные решения;
· определены расчетные тепловые, холодильные иэлектрические нагрузки объекта с учётом всех внутренних бытовых итехнологических тепловыделений;
· рассмотрены возможные мероприятия поснижению энергетических нагрузок традиционными способами;
· определена структура потребления энергии(тепловой и электрической);
· определены суточные и годовые графикипотребления тепловой и электрической энергии;
· проработана схема традиционного(централизованного или автономного) теплоснабжения и определены затраты на еёсоздание (с учётом выполнения требований выставленных технических условий);
· определен энергетический потенциал вторичныхэнергетических ресурсов объекта (мощность и график их поступления);
· определён энергетический потенциал доступныхнетрадиционных возобновляемых источников энергии и потребная мощность дляпокрытия тепловых нагрузок здания;
· выбрана принципиальная схема системыэнергоснабжения с помощью тепловых насосов и выполнена предварительнаяпроектная проработка;
· рассчитаны капитальные затраты, связанные ссозданием ТСТ, с учётом технических условий на подключение к внешнимэнергетическим источникам;
· рассчитаны годовые эксплуатационные затратыпо традиционному варианту теплоснабжения и варианту с тепловыми насосами;
· рассчитан срок окупаемости ТСТ.
В случае если срококупаемости приемлем и к реализации принят вариант ТСТ, следующие этапыпроектирования выполняются в соответствии с существующими нормами собязательным расчётным обоснованием выбора структуры и техническиххарактеристик применяемого оборудования.
4.14. Применениетеплонасосных систем теплоснабжения в городском хозяйстве Москвы можетрассматриваться в двух аспектах: как один из путей решения стратегическойзадачи энергосбережения и как энергосберегающая технология решения локальных задачэнергоснабжения отдельных зданий и сооружений.
В ПРИЛОЖЕНИИ 6 рассмотреныперспективы внедрения тепловых насосов в систему теплоснабжения Москвы. В ПРИЛОЖЕНИИ 7приведены примеры принципиальных технических решений по теплонасосным системамтеплоснабжения отдельных конкретных объектов.
ПРИЛОЖЕНИЕ1.ОБЩИЕ УКАЗАНИЯПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМЫ СБОРА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА ГРУНТА (ССНТГ)
1.1. ССНТГ должна бытьоборудована циркуляционными насосами и механическими проточными фильтрами,рассчитанными на максимальный суммарный расход теплоносителя. Подающий иобратный трубопроводы ССНТГ снабжаются задвижками.
1.2. Для компенсациитемпературного расширения теплоносителя, а также для подпитки системы впроцессе эксплуатации ССНТГ должна быть оснащена расширительной емкостью,снабженной, в зависимости от ее расположения, подпиточным насосомсоответствующей мощности.
1.3. В автоматическойсистеме управления (АСУ) и контроля ТСТ должны быть предусмотрены подсистемыдля измерения и контроля температур, расходов и давления теплоносителя ССНТГ, атакже возможность защиты от аварийных ситуаций, например, внештатного понижениятемпературы теплоносителя или его утечки.
1.4. Термоскважины итрубопроводы ССНТГ должны быть защищены от коррозии методом катодной защиты илииным методом в соответствии со СНиП2.04.07-86* «Тепловые сети». Станции катодной защиты разрабатываются всоставе общего Проекта катодной защиты инженерных сетей объекта теплоснабжения.В местах разрыва электропроводящих участков трубопроводов (муфты, фланцы ит.п.) должны быть установлены шунтирующие кабели для системы катодной защиты.
1.5. Производство работ поустройству термоскважин (бурение, установка обсадных колонн, корпусовтермоскважин и пр.) должны выполняться только в соответствии с Автоматизация систем отопленияскойи проектной документацией.
ПРИЛОЖЕНИЕ2.ПРИМЕР РАСЧЕТАКОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛООТДАЧИ ОТ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ССНТГ К ГРУНТУ
В качестве теплоносителясистемы сбора низкопотенциального тепла грунта, исходя из имеющегося опыта ипредставленных на рынке веществ и растворов, учитывая их эксплуатационныесвойства и стоимость, принят 35 % водный раствор этиленгликоля со следующими теплофизическимихарактеристиками [1]:
Плотность ρ= 1045 (кг/м3);
Температура замерзания tз = 21 °С;
Удельная теплоемкость
при температуре -10 °С Ср= 3,57 (кДж/кг×К);
при температуре 0 °С Ср = 3,57 (кДж/кг×К);
при температуре + 20 °С Ср =3,65 (кДж/кг×К);
Коэффициент динамическойвязкости
при температуре -10 °С v= 7,35 10-6 (м2/с);
при температуре 0 °С v = 4,70 10-6 (м2/с);
при температуре + 20 °С v = 2,35 10-6 (м2/с);
Коэффициент теплопроводности
при температуре -10 °С λ = 0,454 (Вт/м×К);
при температуре 0 °С λ = 0,465 (Вт/м×К);
при температуре + 20 °С λ = 0,465 (Вт/м×К);
Критерий Прандтля
при температуре -10 °С Рг= 60;
при температуре 0 °С Рг= 37,7;
при температуре + 20 °С Рг= 19,2.
Грунтовый теплообменник(далее по тексту — термоскважина) представляет собой конструкцию «труба втрубе» коаксиального типа со стальной наружной и полиэтиленовой внутреннейтрубами. Теплоноситель, отдав тепло и охладившись в испарителе теплонасоснойустановки (ТНУ), поступает во внутреннюю (полиэтиленовую) трубу грунтовоготеплообменника, опускается в нижнюю часть скважины, переходит в межтрубнуюполость, где поднимается вверх и, нагреваясь, отбирает тепло грунта и вновьотдает его в испарителе ТНУ.
Ниже приведеныгеометрические Монтаж термоскважины:
Наружная труба Ø 219 ´ 7,7 мм (сталь)
Внутренняя труба Ø180 ´ 16,2 мм (полиэтилен)
Эквивалентный диаметркольцевого канала:
dэ = 4.F/P = [4.π /4×(D2- d2)]/ π×(D + d) = D — d = 0,2036 — 0,18 = 0,0236 (м)
Площадь кольцевого каналамежтрубной полости:
fk = π / 4.(D2 — d2) = 3,14 / 4×[(0,2035)2 — (0,18)2] = 0,007 (м2)
Режим кондиционирования
Суммарнуюхолодопроизводительность ССНТГ принимаем равной нагрузке кондиционирования Q0 = 1740 (кВт). Общее количествотермоскважин ССНТГ n = 89
Холодопроизводительностьодной термоскважины:
Q1 = Q0 / n = 1740 / 89 = 19,6 (кВт)
Объемный расходтеплоносителя через термоскважину:
Gv = Q1 / (ρ×Ср×Δt) = 19,6 / {1045×3,57×[(15) — (9)]} = 0,00087 (м3/c),
где ρ- плотность теплоносителя (кг/м3);
Ср — удельнаятеплоемкость теплоносителя (кДж/кг.К);
Δt — разность температуртеплоносителя (°С).
Принимаем температуру входатеплоносителя в термоскважину и выхода из нее соответственно: t1 = 15 °С, t2 = 9 °С.
Скорость теплоносителя вкольцевом канале V = Gv/fk =0,00087/0,007 = 0,124 м/с).
Критерий Рейнольдса
Re = V.dэ/v = 0,124×0,0236/(6,29×10-6) = 465<< 2000, что характеризует режим течения теплоносителя в кольцевом каналекак ламинарный.
Для определения более подробныххарактеристик теплового взаимодействия и выбора расчетных зависимостей числаНуссельта, определим критерии Пекле и Грасгофа.
Критерий Пекле(характеризует соотношение конвективных и кондуктивных потоков тепла приконвективном теплообмене):
Ре =V×dэ / а = Re×Pr = 465×51 = 23715
Критерий Грасгофа(характеризует соотношение подъемных сил и сил вязкости):
Gr = [g×β×Δt×(dэ)3]/ v2 = [9,81×(1,9×10-4)×8×(2,36×10-2)3] / (7,35×10-6)2 = 26666
где g — ускорение свободногопадения (м/с2);
b — температурный коэффициент объемногорасширения жидкости (1/К) = (ρж ρст) / [ρж×(tж — tст)] = 1,9×10-4 (1 / К),
где ρж — плотность жидкости притемпературе потока (кг/м3);
ρст -плотность жидкости при температуре стенки (кг/м3);
tст — расчетная температурастенки (°С);
tж — расчетная температурапотока (°С).
В связи с тем, что Re<< 2000, для определения степени влияния гравитационных сил определяемпараметр:
Gr×Pr = 26666×51 = 1 359 966
т.к.(7+8)×105< 1 359 966 < 4.108,
в рассматриваемом случае имеетместо вязкостно-гравитационный режим течения теплоносителя в термоскважине.Такой режим течения жидкости характеризуется наложением на вынужденное течениесвободного течения, обусловленного зависимостью плотности жидкости оттемпературы.
В соответствии с [2] и вследствие того,что (1 / Ре)×(L / dэ) = (1 / 26666)×(50 / 0,0236) = 0,079 >0,004 критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи) в условияхтечения жидкости в кольцевом канале при теплообмене только через наружнуюстенку трубы в условиях ламинарного течения при вязкостно-гравитационном режимебудет равен:
Nu = {3,66 + [0,0668×(Ре(dэ/L)] / [1 + 0,04 (dэ/ L))2/3]}ε1ψ1 = {3,66 +[0,0668×(26666(0,0236 / 50))] / [1 + 0,04 (26666×(0,0236 / 50))2/3]×1,04 = 4,53.
где ε1- поправочный коэффициент на гидродинамический начальный участок;вследствие того, что (1/Re)×(L/dэ) = 4,56 >> 0,1 имеетместо наличие успокоительного участка, т.е. ε1= 1
ψ1- коэффициент,учитывающий изменение физических свойств потока.
ψ1= (μст/μж)-0,14 = (4810×10-6 / 6514×10-6)-0,14 = 1,04
где μст- коэффициент динамической вязкости при температуре стенки [Па×с];
μж — коэффициент динамическойвязкости при температуре потока [Па×с];
В связи с тем, что отношениедлины канала к его гидравлическому диаметру L/dэ = 50 / 0,0236 = 2119>> 120, можно принять модель бесконечно длинной трубы.
В соответствии с таблицей2-27 [2] для dвн/ dн = 180 / 203,6 = 0,884×Nu∞ = 4,8 для граничных условийпервого рода (температура на стенке трубы постоянна), что весьма близко кполученному расчетному значению.
Для ламинарного теченияжидкости в трубах [4]предлагает следующее выражение для числа Нуссельта:
Nu = 1,86×Re1/3Pr1/3(L/ dэ)-1/3 ( μст/μж)0,14 = 1,86.4650,33×510,33×(50 / 0,0236)-0,33×(4810.10-6/ 6514×10-6)0,14= 4,0
т. е. Nu> 3,66 при Re×Pr = 23715 >> 100
В соответствии с таблицей 3- 8 [4] для граничныхусловий 1-го рода Nu∞ = 4,86.
Таким образом, расчетыподтверждают приближение расчетных значений Nu к значениям Nu∞для граничных условий первого рода.
По результатам определениячисла Нуссельта для вязкостно-гравитационного режима ламинарного теченияжидкости в кольцевом канале вертикального грунтового теплообменника по двумисточникам можно сделать вывод о том, что полученные данные имеют различие в ~11 % и примерно соответствуют условиям теплообмена бесконечной трубы приграничных условиях первого рода (температура стенки теплообменника являетсяпостоянной). Принимаем для дальнейших расчетов на режиме кондиционирования Nu =4,3.
Коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя:
α = Nu.λ /dэ = 4,3.0,461/ 0,0236 = 84 (Вт / м2.°С)
Режим теплоснабжения
При работе на режиметеплоснабжения тепловая мощность ССНТГ Q0 = 1000 (кВт).
Тепловая мощность однойтермоскважины:
Q1 = Q0 / n = 1000 / 89 = 11,2 (кВт)
Объемный расходтеплоносителя:
Gv= Q1 / (ρ.Ср.Δt) = 11,2 / {1045.3,57.[(-3) — (-6)]} = 0,001 (м3/c),
где ρ — плотность теплоносителя (кг/м3);
Ср — удельнаятеплоемкость теплоносителя ( кДж/кг.К);
Δt — разность температур теплоносителя (°С).
Температурывхода и выхода теплоносителя в термоскважине на режиме теплоснабжения, соответственно t1 = -3 °С и t2 = -6 °С.
Скорость теплоносителя вкольцевом канале V = Gv / fk = 0,001 / 0,007 = 0,14(м/с)
Критерий Рейнольдса Re = V.dэ / v = 0,14×0,0236 / (6,29 10-6)= 525 << 2000, что позволяет сделать вывод о том, что режим течения теплоносителяв кольцевом канале ламинарный.
Критерий Пекле Ре = V.dэ / а = Re.Pr = 525.51= 26775
В соответствии с [2] критерий Нуссельта(безразмерный коэффициент теплоотдачи) в условиях течения жидкости в кольцевом каналепри теплообмене только через наружную стенку трубы в условиях ламинарноготечения при вязкостно-гравитационном режиме будет равен:
Nu = {3,66 + [0,0668.(Ре(dэ/ L))] / [1 + 0,04.(Ре.(dэ / L))2/3]} ε1.ψ1= {3,66 + [0,0668 (26775.(0,0236 / 50))] / [1+ 0,04.(26775.(0,0236/ 50))2/3]}.1.1,04 = 4,5
В соответствии с [4] для ламинарноготечения жидкости в трубах предлагается следующее выражение для числа Нуссельта:
Nu = 1,86 Re1/3 Pr1/3.(L/ dэ)-1/3.(μст /μж)0,14 = 1,86.5250,33.510,33(50/ 0,0236)-0,33.(4810.10-6 / 6514.10-6)0,14= 4,1
Имея в виду то, чторазличные формулы расчёта дают разницу около 8 %, ориентируясь на предельныезначения для данного случая при граничных условиях первого рода, принимаем Nu =4,3.
Тогда коэффициенттеплоотдачи со стороны теплоносителя:
α = Nu.λ/ dэ = 4,3.0,461 / 0,0236 = 84 (Вт / м2.°С)
Основываясь на результатахрасчетов, можно сделать вывод о том, что коэффициент теплоотдачи со сторонытеплоносителя для обоих режимов работы ССНТГ (теплоснабжение икондиционирование) имеет одинаковые значения:
αср = 84(Bт/м2.°C)
Литература:
1. С.Н. Богданов и др.Холодильная техника. Свойства веществ. Справочник. М., «Агропромиздат», 1985 г.,стр. 170
2. Теплотехническийсправочник под ред. В. Н. Юренева и П.Д. Лебедева, Том 2, М., «Энергия», 1976 г., стр. 164
3. П.Д. Лебедев.Теплообменные, сушильные и холодильные установки. М., «Энергия», 1972 г., стр. 32
4. Тепломассобмен.Справочник. Под ред. А. В. Лыкова, М. Энергия, 1978 г., стр. 221
ПРИЛОЖЕНИЕ3.МЕТОДИКАОЦЕНКИ ПОДЪЕМА ПОВЕРХНОСТИ ГРУНТА ПРИ ОБРАЗОВАНИИ В ГРУНТОВОМ МАССИВЕ ОБЛАСТЕЙМЕРЗЛОГО ГРУНТА
Важной особенностью системсбора низкопотенциального тепла грунта является формирование в окрестностирегистра труб грунтового теплообменника зон с отрицательной температурой. Приэтом в грунтах, содержащих жидкую фазу, происходит изменение агрегатногосостояния влаги, сопровождающееся изменением напряженного состояния замерзшегогрунта и вызывающее увеличение его объема. При определенных условиях взависимости от размеров зоны мерзлого грунта и глубины ее залегания может иметьместо деформирование дневной поверхности над этой зоной. Ниже приводитсяметодика оценки величины деформирования дневной поверхности применительно ктеплонасосной системе теплоснабжения здания спортивно-оздоровительногокомплекса Аквадром, расположенного по адресу: Москва, Аминьевское шоссе, вл.15.
Конструкция ССНТГпредполагает образование зоны мерзлого грунта, окружающей регистр трубгрунтового теплообменника, расположенных на участке размером 30 ´ 30 м с шагом 4 м. Нижняяграница зоны залегает на глубине 60 м, верхняя — на глубине 30-40 м. Измененияво времени размеров этой зоны зависят только от эксплуатационных нагрузок насистему теплосбора, поскольку сезонные изменения параметров наружного климатана глубинах более 10 м не влияют на среднегодовую температуру грунта. (Приоткрытой Дневной поверхности амплитуда сезонных колебаний температуры грунта наглубине 7 м составляет менее 5 % от ее значений на поверхности и отстает пофазе на полгода).
Всюду в дальнейшемпредполагается, что размеры зоны мерзлого грунта не зависят от времени исоответствуют постоянному среднегодовому потоку отбора тепла от грунтовогомассива. При заданном значении теплового потока и известных коэффициентахтеплопроводности талого и мерзлого грунта на основании балансов тепловыхпотоков в предположении, что температура теплоносителя равна –10 °С (сдвукратным запасом), а естественная температура грунта равна +10 °C. Зонумерзлого грунта приближенно можно аппроксимировать в форме шара радиусом Ro = 15 м, центр которого расположен на глубине Н = 45 м, что примерносоответствует образованию вокруг термоскважин цилиндрических линз замороженногогрунта радиусом 1,0 м.
Для оценки величины деформированиядневной поверхности используется аналитическое решение следующей задачи.
Внутрилинейно-деформируемого полупространства на расстоянии Н от границы расположенасферическая полость радиуса Ro, к которой приложенодавление Ро. Ищутся перемещения плоской поверхности от действияприложенного давления. Точное решение этой задачи имеет чрезвычайно сложныйвид, однако в главном члене оно имеет вид:
u = [PoRo(1 + v)cos3θ] / EH,
где u -вертикальное перемещение свободной горизонтальной поверхности в системекоординат, центр которой совпадает с центром сферы, задаваемой уравнением,
Е, v — деформационные параметрымассива,
θ — полярный угол,отсчитываемый от вертикали. Горизонтальная координата точек свободнойповерхности
y =H.tgθ
Входящее в правую частьформулы давление Ро находится из следующих условий: если массивгрунта, ограниченный сферой радиуса Ro, переходит из талогосостояния в мерзлое при условии возможности его свободного расширения, тоотносительное увеличение объема будет ΔV. (Эта величина зависит отфизико-механических свойств грунта). Относительное приращение радиуса сферыбудет ΔRо = Δv / 3. Однако свободномурасширению этой зоны препятствует противодавление, создаваемое окружающимгрунтовым массивом. Поэтому величину Ро находим из условия, что поддействием давления Ро сферическая полость с начальным радиусом Ro достигнет размера R*, равного радиусу шара сдеформационными характеристиками мерзлого грунта, подвергнутого сжимающемудавлению Ро и имевшему первоначальный радиус Ro(1 + Δv / 3).
Для бесконечной области сосферической полостью:
R* = Ro {1 + [Po(1 + v)] / 2Е}
Для шаровой области мерзлогогрунта:
R* = Ro{1 — [Ро(1 — 2vm)] / Em}.(1 + Δv / 3)
Отсюда получаем выражениедля Ро:
Ро= Δv /{3.[(1 + v) / 2Е + (1 — 2vm) / Em]}
Поскольку Em в сотни разпревосходит величину Е, то в результате получаем упрощенное выражение:
Po = [2E / (1 + v)].[(Δv / 3)]
где Е, v -деформационные параметры грунта, залегающего выше зоны мерзлого грунта. Порезультатам инженерно-геологических изысканий на площадке застройки принимаем Е= 200 кг/см2, v = 0,35.
Для оценки величиныотносительного объемного расширения Грунта при замерзании Δv разработано много методик,однако все они рассматривают сезонное промерзание верхних слоев грунта, находящегосяв неводонасыщенном состоянии и лежащих выше уровня грунтовых вод. Величинаморозного пучения описывается эмпирическими формулами в зависимости отначальной степени водонасыщения, количества выпавших осадков в осенний период,близости залегания подземных вод и скорости охлаждения грунта. Для полностьюводонасыщенных грунтов имеются результаты лабораторного определения величины Δv, однако они в разныхпубликациях не вполне согласуются между собой.
Зона образования мерзлыхгрунтов на площадке застройки расположена ниже уровня грунтовых вод, поэтомузамораживаемые грунты являются полностью водонасыщенными. Для таких грунтоввеличина Δv сзапасом может быть оценена исходя из предположения, что вода, полностьюзаполняющая поры грунта, при замерзании увеличивает свой объем на 10 %. Тогда:
Δv = 0,1e / (1 + e)
где е — коэффициент пористости грунта.
По результатаминженерно-геологических изысканий максимальная величина е в зоне промерзанияравна 0,7, тогда Δv =0,041.
При сделанных вышепредположениях о размерах зоны замороженного грунта (Ro = 15 м, Н = 45 м) подъемдневной поверхности будет описываться зависимостью:
U = 0,045 cos3θ м,
где: θ = arctg(Y / 45).
Деформированная дневнаяповерхность имеет форму симметричного холма плавного очертания, максимальная величинаподъема Umax = 0,045 м (при Y = θ = 0),
при Y= 20 м U = 0,034 м
при Y= 45 м U = 0,016 м
Максимальный уклондеформированной поверхности du / dy достигается при Y = 25 м иравен dumax / dymax = 0,0003. Эта величина намногоменьше предельно допустимого уклона для каркасных зданий гражданскогоназначения равного 0,002.
Если область мерзлого грунтапо форме отличается от рассмотренной выше, то ее можно разбить на несколько элементарных шаровых областей,вычислить деформирование дневной поверхности для каждой из них и результатыалгебраически сложить.
Наличие поверхностнойнагрузки практически не сказывается на величине подъема дневной поверхности,поскольку на глубинах 40-60 м результирующее давление почти не отличается отприродного. При давлении ~ 10 кг/см2 температура замерзания водыпонижается на ~ 0,1 °С, в остальном схема расчета остается прежней.
ПРИЛОЖЕНИЕ4.ОПРЕДЕЛЕНИЕНЕОБХОДИМОГО ОБЪЕМА ЗАПОЛНЕНИЯ ВОДОЙ ГЕРМЕТИЧНЫХ ТРУБ ТЕРМОСКВАЖИН ПРИ ИХОПУСКАНИИ В СКВАЖИНУ, ЗАПОЛНЕННУЮ БУРОВЫМ РАСТВОРОМ
Исходные данные:
· труба стальная — Ø219 ´ 7,7
· вес 1 п/м трубы, м1, кг -40,2
· плотность раствора скважины , ρр,кг/м3 — 1300
· плотность воды, ρв, кг/м3 -1000
· глубина скважины, l, м — 60
Объем корпуса термоскважины:
V = (π.d2 / 4).I= (3,14.0,2192 / 4).60 = 2,26 (м3)
Сила тяжести корпуса трубытермоскважины:
М = м1.l.g = 40,2.60.9,81= 23662 (Н)
Выталкивающая сила:
F = V.ρр.g= 2,26.1300.9,81 = 28822 (Н)
Из приведенного выше видно, чтовыталкивающая сила (в случае, если пренебречь трением о грунт поверхноститрубы) превышает силу тяжести, т.е. при погружении труба «всплывет».
ΔF= F — М = 28822 — 23662 = 5160 (Н)
Для того, чтобы избежать«всплытия» трубы, необходимо:
— либо откачать буровойраствор из скважины в объеме
ΔV1 > ΔF / ρрg0 / 1300.9,81 > 0,4 (м3)
— либо запить в трубу водуобъемом
ΔV2 > ΔF / ρв.g= 5160 / 1000.9,81 > 0,53 (м3)
Один погонный метр трубы посертификационным данным весит 43,56 кг.
В связи с этим итоговые данныеизменятся следующим образом:
ΔV1 > 0,25 (м3),ΔV2 > 0,32 (м3)
Необходимый столб воды вкорпусе термоскважины для обеспечения ее устойчивости при погружении:
h= ΔV2/f= ΔV2/(π.dвн2/ 4) = 0,53/(3,14.0,2032 / 4)= 16,4 (м)
ПРИЛОЖЕНИЕ5.О ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХСВОЙСТВАХ ГРУНТОВ
При эксплуатации системтепло-хладоснабжения, использующих теплоаккумуляционные свойства грунтаповерхностных слоев Земли, необходимо учитывать, что грунтовый массив,находящийся в пределах зоны теплового влияния системы теплосбора, вследствиесезонного изменения параметров наружного климата, а также под воздействиемэксплуатационных нагрузок, как правило, подвергается многократномузамораживанию и оттаиванию. При этом происходит изменение агрегатного состояниявлаги, заключенной в порах грунта, которая, в общем случае, может находиться вжидкой, твердой и газообразной фазах одновременно. Грунтовый массив системытеплосбора, включая влагу, независимо от состояния, в котором он находится (вмерзлом или талом), представляет собой сложную трехфазную полидисперснуюгетерогенную структуру, скелет которой образован огромным количеством твердыхчастиц разнообразной формы и величины и может быть как жестким, так иподвижным.
Монтаж отоплениярование процессовтепломассопереноса, участвующих в формировании теплового режимамногокомпонентной системы, требует учета и математического описанияразнообразных механизмов их осуществления: теплопроводности в отдельнойчастице, теплопередачи от одной частицы к другой при их контакте, молекулярнойтеплопроводности в среде, заполняющей промежутки между частицами, конвекциипара и влаги, содержащихся в поровом пространстве и многих других. ПриМонтаж отопленияровании теплового режима систем необходимо также учитыватьхимико-минералогическую природу грунтового скелета, его механическую структуру,количественные соотношения между фазами среды, заполняющей промежутки междутвердыми частицами скелета, и их взаимное расположение в поровом пространстве,а также многие другие физико-химические параметры грунтового массива.
Разработанный ОАО «ИНСОЛАР -ИНВЕСТ» метод математического Монтаж отоплениярования основан на сопоставлении двухзадач: о нестационарном тепловом режиме системы теплосбора при ее эксплуатациии о естественном тепловом режиме грунтового массива систему теплосбора.
Использование данного методапри построении математических моделей теплового режима систем сборанизкопотенциального тепла грунта позволяет не только обойти трудности,связанные с аппроксимацией внешних воздействий на систему, но и использовать вкачестве решения базовой задачи достоверные, экспериментально полученные данныео естественном тепловом режиме грунта. Это является преимуществом данногометода в сравнении с традиционным подходом к Монтаж отоплениярованию тепловых процессов,поскольку позволяет частично учесть в Монтаж отопления весь комплекс факторов (таких какналичие грунтовых вод, их скоростной и тепловой режимы, структуру ирасположение слоев грунта, «тепловой фон» Земли, атмосферные осадки,фазовые превращения влаги в поровом пространстве и многих других), влияющих наформирование теплового режима системы теплосбора.
На основе описанного методаразработан комплекс компьютерных программ, Монтаж отоплениярующих пространственныйнестационарный тепловой режим систем сбора низкопотенциального тепла грунта впроцессе многолетней эксплуатации.
Проведенные с помощью этогокомплекса численные эксперименты показали, что потребление тепловой энергии изгрунтового массива к концу отопительного сезона вызывает в близи регистра трубсистемы теплосбора понижение температуры грунта, которое в почвенно-климатическихусловиях большей части территории России не успевает компенсироваться в летнийпериод года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит спониженным температурным потенциалом. В течение следующего отопительного сезонапроисходит дальнейшее снижение температуры грунта, так далее…
Однако, начиная с пятогогода эксплуатации, многолетнее потребление тепловой энергии из грунтовогомассива системы теплосбора сопровождается периодическими изменениями еготемпературы.
В связи с этим, припроектировании систем теплохладоснабжения, использующих тепло грунта,представляется необходимым учет падения температур грунтового массива,вызванного многолетней эксплуатацией системы теплосбора, и использование вкачестве расчетных параметров, температур грунтового массива, ожидаемых на 5-ыйгод эксплуатации.
Правильностьгеокриологического прогноза и оценки количественной интенсивности теплового имеханического взаимодействия массивов пород с различного рода сооружениями вомногом определяются качеством вводимой информации о теплофизических свойствахпород, о фазовом составе влаги в них, величине температуры замерзания(оттаивания).
Коэффициент теплопроводностиλ (Вт/(м °К) )характеризует способность материала (породы) проводить тепло, а объемная Ср(Дж/(м °К)) или удельная (весовая) теплоемкость С (Дж/кг °К)) и коэффициенттемпературопроводности а (м2/с) — тепловую инерцию и инерциюизменения температурного поля соответственно.
В термодинамическом планемерзлые породы есть многофазные и многокомпонентные системы. К основнымкомпонентам пород относятся: органоминеральный скелет, поровый раствор ипоровый газ. Вода может находиться в жидкой, твердой и газообразной фазах.Поскольку теплоемкость есть величина аддитивная, то теплоемкость породы складываетсяиз теплоемкостей ее составляющих. Таким образом, теплоемкость грунта есть сумматеплоемкостей минералов, из которых сложен скелет грунта, органическойсоставляющей, воды (для влажных грунтов) или водного раствора солей (длязасоленных грунтов), льда (для мерзлых грунтов) и газовых включений грунта.
Теплопроводность грунтов,определяется соотношением твердой, жидкой и газообразной составляющих, иххимико-минеральным составом, структурными и текстурными особенностями(дисперсностью, пористостью, слоистостью и др.), влажностью, агрегатнымсостоянием воды и температурой.
Многочисленныеэкспериментальные исследования, выполненные на дисперсных грунтах нарушенного иестественного сложения, показали уменьшение теплопроводности пород сувеличением их дисперсности в следующей последовательности: крупнообломочные;песчаные; супесчаные; лессовые; суглинистые; глинистые. Возрастаниедисперсности сопровождается ростом гидрофильное и ультрапористости,определяющих фазовый состав мерзлых пород, причем процентное содержаниенезамерзшей воды увеличивается в последовательности, аналогичной приведенномуряду по дисперсности.
Минеральный составдисперсных пород в целом оказывает влияние на их теплопроводность, хотя ипроявляется это лишь через факторы строения породы.
Существенное влияние натеплопроводные свойства горных пород оказывает их плотность, а также любоенарушение сплошности. Коэффициент теплопроводности выше у более плотных, менеепористых пород, так как уплотнение породы сопровождается увеличением доли болеетеплопроводного скелета, а также улучшением качества контактов между частицами.Эта закономерность подтверждена экспериментальными данными для дисперсных породразличного состава, причем она справедлива в широком диапазоне температур,включая и область интенсивных фазовых переходов.
Теплопроводность резковозрастает по мере увеличения влажности грунта, поскольку теплопроводность водызначительно выше теплопроводности вытесняемого водой воздуха.
Большей части осадочных иметаморфических пород присуща анизотропия по теплопроводности.
Величина теплопроводностизависит от температуры. Особенно сильно зависит от температуры теплопроводностьмерзлых грунтов. Для влажных дисперсных пород влияние температуры определяется нетолько температурными зависимостями теплопроводности отдельных компонентов, ноих количественным соотношением, связанным с изменением фазового состава влаги впородах, а также условиями передачи тепла на контактах компонентов породы.Образование льдо-цементационных связей при фазовых переходах в значительнойстепени увеличивает величину коэффициента теплопроводности пород. Как правило,теплопроводность мерзлых пород выше, чем талых.
Для предварительного анализавозможно использование расчетных значений теплофизических характеристик,рекомендуемых СНиП 2.02.04-88.
В случаях, когдазатруднительно найти аналоги используя имеющиеся в литературе данные потеплофизическим свойствам талых и мерзлых грунтов, следует проводить опытноеопределение свойств.
Для более точных расчетовнеобходимо проведение инженерно-геологических исследований, и на их основеопределение физико-механических и теплофизических свойств грунта.
ПРИЛОЖЕНИЕ6.ПЕРСПЕКТИВЫВНЕДРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В СИСТЕМУ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ МОСКВЫ
На рисунках 1 и 2 представленысуществующие и перспективные электрические и тепловые нагрузки Москвы, соответствующиеГенеральному плану развития города.
Рис. 1. Электрическая нагрузка Москвы (млн. кВт)
Рис. 2.Тепловая нагрузка Москвы (Гкал/час)
Основными направлениямитеплосберегающей политики (как в области градостроительства, так и в системетеплоснабжения), позволяющей на 5-6 % снизить необходимый прирост мощноститеплотехнических объектов города и обеспечивающей экономию топлива в размере неменее 20-25 %, учтённой при планировании развития системы теплоснабжения городав соответствии с существующим Генпланом, являются:
· строительство новых жилых и общественныхзданий из конструкций с более высокими теплозащитными характеристиками;
· сокращение тепловых потерь притранспортировке тепла к потребителям путем использования более эффективныхтеплоизолирующих материалов и более высокого качества строительства;
· внедрение теплосберегающих технологий;
· повышения теплозащитных показателейсуществующих здании и сооружений при капитальном ремонте;
· сокращение подачи тепла от ТЭЦ Мосэнерго вгорода ближайшего Подмосковья;
· отказ от строительства новых ТЭЦ;
· использование современных децентрализованныхтепловых установок для уникальных объектов, центральных районов города ирайонов, удаленных от существующих тепловых сетей с затрудненной прокладкойновых коммуникаций;
· улучшение теплоснабжения северных ивосточных районов города путём прекращения подачи тепла от ТЭЦ № 21 в г. Химки,компенсируемого строительством самостоятельного крупного источника теплаГТУ-ТЭЦ, и сохранения подачи тепла в район Люберцы от ТЭЦ № 22 на существующемуровне.
В целях ресурсосбережения,повышения надежности и эффективности функционирования, снижения воздействия наокружающую среду и обеспечения растущей электрической нагрузки в объёме 9,5-9,7млн. кВт Генеральным планом предусмотрены следующие основные направления вобласти электроснабжения города:
· внедрение электросберегающих мероприятий вовсех сферах потребления с введением дифференцированных тарифов за пользованиеэлектроэнергией;
· строительство новых и реконструкция существующихпитающих центров на напряжение 110, 220 кВ;
· применение в системе электроснабжения МосквыГТУ-ТЭЦ малой мощности, тепловых насосов и других источников нового поколения,обеспечивающих децентрализацию общей системы, в т.ч. строительство источниковмалой мощности для обеспечения делового центра «Москва-Сити», свободнойэкономической зоны в Ново-Подрезково, жилых районов Кожухово, Щербинка, крупныхадминистративных центров;
· высвобождение территорий, занятых воздушнымиЛЭП;
· развитие существующих Московскихтеплоэлектроцентралей путем замены турбогенераторов, выработавших свой ресурс,новыми, той же мощности;
· размещение основного объема необходимогостроительства источников нового поколения экологически чистых электростанцийнебольшой мощности на базе парогазовых, газотурбинных и газодизельных установокв городах и крупных поселках городского типа, расположенных в центральной частиМосковской области, что позволит высвободить электрическую мощность наМосковских ТЭЦ для использования потребителями г. Москвы.
На рисунке 3 представлена возможнаясхема интеграции тепловых насосов в систему энергоснабжения объектов городскогохозяйства. Как видно из рисунка, предлагаемая схема обеспечивает экономию 60 %первичного топлива.
Рис. 3.
В таблице 1 приведены существующиеи планируемые Генеральным планом на период до 2020 г. электрические и тепловыенагрузки г. Москвы. Представленный в таблице вариант теплоснабжения Москвы сиспользованием теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ) предполагаетиспользование для привода тепловых насосов 5000 МВт установленных мощностей ТЭЦпо выработке электроэнергии.
Таблица 1.
НАИМЕНОВАНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХПОКАЗАТЕЛЕЙ
1999г.
2020г.
ВариантГенплана
Вариантс ТСТ
Электрическая нагрузка, МВт
6700
9500
14500
Тепловая нагрузка, МВт
44900
57200
57200из них ТЭЦ — 39700
Доля электрической нагрузки, %
13
14
27
В таблице 2 представленырезультаты укрупненного технико-экономического сравнения традиционного и»теплонасосного» вариантов теплоснабжения Москвы в 2020 г.
Технико-экономическое сопоставлениевариантов проводилось при следующих основных допущениях:
1. Стоимость 1 тонныусловного топлива (т у.т.) принята равной 100 $ США.
2. Капитальные вложения в 1кВт установленной мощности традиционного теплогенерирующего оборудования (РТС,индивидуальные газовые котельные и пр.) приняты равными 100 $ США без учетакапвложений в тепловые сети;
3. Капитальные вложения в 1кВт установленной тепловой мощности ТСТ приняты равными 250 $ США, включая 50 $США в систему сбора низкопотенциального тепла. При этом капвложения в ТСТобеспечиваются без издержек для городского бюджета только за счет инвесторовстроящихся и реконструируемых объектов.
4. Среднегодовой коэффициентпреобразования ТСТ принят равным 3,5.
5. При проведении расчетоврассматривался только зимний режим с продолжительностью отопительного периода5000 часов, при этом средняя тепловая нагрузка, как на традиционноетеплогенерирующее оборудование, так и на ТСТ принималась равной 0,5 отнагрузок, приведенных в таблице 1.
Таблица 2.
НАИМЕНОВАНИЕТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ
ВАРИАНТ ГЕНПЛАНА
ВАРИАНТ
С ТСТ
1
2
3
1. Мощность установленного оборудования,мВт
66 700
66 700
— электрооборудование, в том числе:
9 500
14 500
— тепловые насосы;
—
5 000
— тепловое оборудование, в том числе:
57 200
57 200
— тепловые насосы.
—
17 500
2. Экономия энергоресурсов:
— в млн. мВт*часов в год;
—
32,25
— в млн. тонн условного топлива в год.
—
3,84
3. Капитальные вложения в системутеплоснабжения, млн. $ США:
—
—
— из городских источников (РТС, котельные ипр.);
1 230
—
— из внебюджетных источников втеплонасосное оборудование (средства заказчиков объектов).
—
4 375
4. Экономия эксплуатационных затрат вгородском хозяйстве на приобретение первичного топлива, млн. $ США в год.
—
384
Таким образом, внедрениетехнологий, использующих тепловые насосы, в городское хозяйство Москвы может позволитьобеспечить необходимый до 2020 г. прирост теплогенерирующих мощностей за счетвнебюджетных средств, не увеличивая при этом потребления первичного топлива(природного газа и мазута).
ПРИЛОЖЕНИЕ7.ПРИМЕРЫ ВЫБОРАПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ТЕПЛОНАСОСНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Теплонасосная систематеплоснабжения здания канализационно-насосной станции № 3 в Куркино
Зданиеканализационно-насосной станции размером в плане 15 ´ 12 м состоит из двух этажейдля персонала и подземного технологического помещения, содержащего ёмкость сустановленными в ней погружными фекальными насосами.
Тепловой нагрузкой надземнойчасти является система отопления, а поземной — система вентиляции.Централизованное теплоснабжение отсутствует, в проекте рассмотрен варианттрадиционного теплоснабжения от электрических бойлеров. Принципиальная схемаТСТ здания КНС-3 в Куркино представлена на рисунке 4. В качествеальтернативы рассматривается энергосберегающая теплонасосная система теплоснабжения(ТСТ) с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционныхвозобновляемых источников энергии.
Нагрузкитеплоснабжения по проекту:
Вид нагрузки
Величина нагрузки,кВт
Температура впомещении °С
Отопление
37,2
+18
Вентиляция
101,6
+5
После рассмотрения проектарекомендовано для снижения нагрузок применить утеплённые ограждения надземнойчасти, а в системе вентиляции установить теплообменник-рекуператор для подогреваприточного воздуха вытяжным, что позволяет повысить минимальную температуруприточного воздуха перед калорифером с -26 до -9 °С и снизить нагрузкувентиляции до 45,9 кВт (на 54 %).
Нагрузкитеплоснабжения после введения энергосберегающих мероприятий:
Вид нагрузки
Величина нагрузки, кВт
Температура в помещении °С
Отопление
17,8
+20
Вентиляция с рекуперацией
45,9
+5
Сучётом этих нагрузок разработана схема ТСТ, использующей низкопотенциальную теплотугрунта, и на основании теплового расчёта выбрано основное оборудование.
Состав энергогенерирующего оборудования ираспределение нагрузки:
Вид нагрузки
Тип оборудования
Тепловая мощность,кВт
Электрическаямощность, кВт
Температура теплоносителя,°С
Отопление
Тепловые насосы
11,4
4,4
50-55
Электрокотёл
8,5*
9,0
35-85
Вентиляция с рекуперац.
Тепловые насосы
45,3
11,7
30
Электрокотёл
11,4*
12,0
35
Технико-экономическим расчётомопределены сроки окупаемости капитальных затрат при прогнозируемых тарифах наэлектроэнергию: на конец 2000 г. — 6,2 года, на конец 2001 г. (с учётомпрогнозируемого роста тарифов на энергоносители) — 2,9 года.
Рис. 4.
Теплонасосная система горячеговодоснабжения секции типовогожилого дома серии П44
Тепловой узел горячеговодоснабжения запроектирован на каждую секцию жилого дома, содержащую 64квартиры и рассчитанную на 224 жителя. Число этажей -17.
Тепловой узел горячеговодоснабжения предназначен для подогрева водопроводной воды до температуры,предусмотренной СНиП 2.04.01-85*, сиспользованием теплоты грунта и утилизируемых вентиляционных выбросов.
Нагрузка горячего водоснабжения:
Максимальный часовой расходгорячей воды, м3/час — 4,47,
соответствующая тепловаянагрузка, кВт — 282.
Средний за сутки часовойрасход горячей воды, м3/час -1,07,
соответствующая тепловаянагрузка, кВт — 79,2.
Как видно по суточному графикуразбора воды, максимальная нагрузка почти вчетверо превышает среднюю.
Из соображения снижениякапитальных затрат на наиболее дорогое оборудование (тепловые насосы)принимается схема с суточным аккумулированием.
Расчётный срок окупаемостиза счёт экономии эксплуатационных затрат 4 года.
Принципиальная схематеплонасосной системы горячего водоснабжения секции жилого дома типовой серииП44 показана на рисунке5.
Рис. 5.
Услуги по монтажу отопления водоснабжения
ООО ДИЗАЙН ПРЕСТИЖ 8(495)744-67-74
Кроме быстрого и качественного ремонта труб отопления, оказываем профессиональный монтаж систем отопления под ключ. На нашей странице по тематике отопления > resant.ru/otoplenie-doma.html < можно посмотреть и ознакомиться с примерами наших работ. Но более точно, по стоимости работ и оборудования лучше уточнить у инженера.
Для связи используйте контактный телефон ООО ДИЗАЙН ПРЕСТИЖ 8(495) 744-67-74, на который можно звонить круглосуточно.
Отопление от ООО ДИЗАЙН ПРЕСТИЖ Вид: водяное тут > resant.ru/otoplenie-dachi.html
Обратите внимание
Наша компания ООО ДИЗАЙН ПРЕСТИЖ входит в состав некоммерческой организации АНО МЕЖРЕГИОНАЛЬНАЯ КОЛЛЕГИЯ СУДЕБНЫХ ЭКСПЕРТОВ. Мы так же оказываем услуги по независимой строительной технической эесаертизе.