Тепловые насосы широко применяются во всем мире. В первую очередь, это связано с идеей энергосбережения. Однако в России использование теплонасосного оборудования непопулярно из-за длительного срока окупаемости. Вомногом это связано с тем, что у выпускаемых промышленностью тепловых насосов температура подачи составляет до 70оС, что обеспечивает нужды ГВС, а для отопления они могут использоваться только в сочетании с «тёплыми полами» или в комбинации с другими источниками тепла.
Источником низкопотенциальной теплоты могут выступать атмосферный воздух, грунт, грунтовые воды и т.д. Однако в этих случаях требуются большие площади поверхностей нагрева, и в связи с этим применение тепловых насосов в городской черте очень ограничено. На Краснодарской ТЭЦ для охлаждения конденсаторов используется вода из о. Старая Кубань. Поэтому температура воды в озере даже в зимний период достигает 25оС[2]. Этого вполне достаточно для работы теплового насоса, передающего теплоту в систему отопления и горячего водоснабжения зданий. Кроме того, использование озерной воды в качестве источника низкопотенциальной теплоты окажет позитивное влияние на экологию водоема.
На рис. 1 изображена схема выбранного для исследования высокотемпературного теплового насоса.
Рис. 1. Принципиальная схема высокотемпературного теплового насоса.
А – испаритель; В – перегреватель; С – компрессор; D – конденсатор; E – переохладитель; F – дроссель;
1 – озеро; 2 – водяной насос; 3 – озерная вода; 4 – нагретая вода; 5 – обратная вода; 6 – сбросная вода;
tоз1 – температура озёрной воды перед испарителем;tоз2 – температура озёрной воды после испарителя;t1 – температура фреона перед испарителем; t2 – температура фреона перед перегревателем (вход по холодной стороне); t3 – температура фреона перед компрессором; t4 – температура фреона перед конденсатором; t5 – температура фреона перед переохладителем (вход по горячей стороне); t6 – температура фреона перед перегревателем (вход по горячей стороне);t7 – температура фреона перед дросселем;
tобр – температура обратной воды перед переохладителем (вход по холодной стороне);t’обр – температура воды перед конденсатором; tпод – температура подаваемой воды.
Вода из о. Старая Кубань подаётся насосом в испаритель, где передав часть своей энергии фреону сбрасывается обратно в водоём. Фреон после испарителя подаётся в перегреватель (по холодной стороне), а после него сжимается в компрессоре и направляется в конденсатор, где оннагревает ранее подогретую обратную воду отопительной линии. За конденсатором фреон следует в переохладитель (по горячей стороне), где подогревается обратная вода отопительной линии. Затем фреон направляется в перегреватель (по горячей стороне). После чего, пройдя через дроссель, возвращается к первоначальным значениям.
В качестве рабочего тела использован фреон (R600a), который не имеет экологических недостатков и позволяет достигнуть необходимых температурных режимов[5].
На рис. 2 приведён цикл высокотемпературного теплового насоса на Ph-диаграмме фреона (R600a), работающего на водах о. Старая Кубань.
Рис. 2. Ph-диаграмма тепловых процессов работы высокотемпературного теплового насоса на фреоне (R600a) на воде о. Старая Кубань
Расчёт высокотемпературного теплового насоса на водах о. Старая Кубань:
Массовое количество циркулирующего хладагента, 
:
; (1)
Потребление механической энергии на привод компрессора, 
:
; (2)
Электромеханический КПД электродвигателя на валу компрессора принимается равнымηэм= 0.98. Потребление электрической энергии на привод компрессора, :
; (3)
Коэффициент трансформации тепла определяется по формуле:
; (4)
Коэффициент трансформации тепла μ = 3.36 получился достаточно высоким. И необходимо учитывать, что специально выбирался вариант расчета теплового насоса с большим диапазоном разности температур хладагента в испарителе и конденсаторе
Δt = tконд – tисп = 108 – 0 = 108 ºС,
недоступный для большинства других типов тепловых насосов [1].
На рис. 3 продемонстрирован температурный график подачи существующих тепловых насосов и нужд на отопление.
Рис. 3. Температурный график подачи существующих тепловых насосов и нужд на отопление в зависимости от температуры окружающей среды
Повысив температуру подачи до 95°С, что полностью покроет нужды в отоплении, мы увеличиваем число часов работы теплового насоса в году, что благоприятно скажется на его окупаемости.
Для дальнейшего исследования необходима постройка экспериментальной модели высокотемпературного теплового насоса и проведение опытов с уточнением его технических данных.
Выводы:
1. Расчеты показывают, что высокотемпературные тепловые насосы на фреоне (R600a) могут обеспечить нагрев горячей воды до 95 ºС, что полностью обеспечит нужды в отоплении и иметь коэффициент трансформации тепла μ =3,36 на водах о. Старая Кубань.
2. Использование высокотемпературных тепловых насосов на о. Старая Кубань благоприятно скажется на экологии водоёма.
3. Необходимо проводить дополнительные экспериментальные исследования для продолжения разработки данной темы.
Рецензенты:
Гапоненко А.М., д.т.н., профессор кафедры теплоэнергетики и теплотехники Института нефти, газа и энергетики ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет», г. Краснодар;
Бутузов А.В., д.т.н., директор ООО «Энерготехнологии», г. Краснодар.
Библиографическая ссылка
Бондаренко Д.В., Шевчук И.И. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ТЕПЛОВОЙ НАСОС ДЛЯ НУЖД ОТОПЛЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА ТЕПЛОТЫ ВОДЫ ОЗЕРА СТАРАЯ КУБАНЬ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=21629 (дата обращения: 18.04.2024).