Возобновляемые источники энергии

3
3
1
1
2
2
4
5
6
7
8
9
Рис. 2.6. Принципиальная схема ТСТ с грунтовыми теплообменниками:
1
, 
2
— вентили; 
3
— грунтовые теплообменники; 
4
— насос; 
5
— испаритель; 
6
— ком-
прессор; 
7
— электродвигатель; 
8
— конденсатор; 
9
— дроссельный клапан 

---

142
теле охлаждается на 4 °С. Отбираемая от горной породы тепло через
конденсатор передается в контур теплоснабжения — в БГВ и систему
отопления. Помещения отапливаются с помощью напольных элемен-
тов и панельных радиаторов, где теплоноситель охлаждается на 8—
10 °С. При низких температурах наружного воздуха включается
пиковый электродоводчик.
Эффективная работа тепловых насосов НТБ-10, которые приме-
няют для отопления в ТСТ, обеспечивается:
•
высокими требованиями к теплоизоляции отапливаемых помеще-
ний (максимальное потребление тепла не должно превышать 80 Вт/м
2
);
•
наличием низкотемпературной системы отопления, которая
обеспечивает достаточное для комфорта теплоснабжение при зна-
чениях температуры теплоносителя в подающей линии не более 40—
45 °С. Очень хорошие перспективы в этом отношении имеет наполь-
ное отопление, конвекторы, панельные радиаторы с достаточно боль-
шой площадью поверхности.
Блок горячего водоснабжения состоит из бака-аккумулятора горя-
чей воды с приборами автоматики и контроля, встроенных электро-
нагревателей (ТЭНов), теплообменника, блока автоматики.
Бак-аккумулятор рассчитан на 200 л воды, температура воды в
баке при нагреве от теплового насоса примерно 37— 42 °С, а от элек-
тронагревателей — 75 °С. Время нагрева воды от теплового насоса
до температуры 40 °С составляет 5 ч, производительность при темпера-
туре воды в баке-аккумуляторе 37 °С равна 1500 л/сут. Блок автома-
тики поддерживает в баке-аккумуляторе заданную потребителем
1
2
И
К
КМ
ДК
2
3
4
6
7
8
5
Рис. 2.7. Схема системы низкотемпературного отопления и горячего водоснабжения,
включающая тепловой насос и блок горячего водоснабжения:
1
— скважина-теплообменник; 
2
— циркуляционный насос; 
3
— тепловой насос НТБ-10
(
И
— испаритель, 
K
— конденсатор, 
KM
— компрессор, 
ДK
— дроссельный клапан); 
4
—
пиковый электродоводчик; 
5
— блок горячего водоснабжения; 
6
— низкотемпературное
напольное отопление; 
7
— подвод холодной воды; 
8
— отвод нагретой воды на горячее
водоснабжение

---

143
температуру воды. Если необходимо поднять температуру воды до 75
°С или быстро нагреть дополнительный объем воды, включаются
электронагреватели
Благодаря полной автоматизации ТСТ с АТНУ-10 не требует посто-
янного обслуживания. В доме, оборудованном таким ТСТ, жилец сам
выставляет на пульте управления температуру, которую он хочет
иметь в комнатах. Температурные датчики, установленные в доме,
будут автоматически включать или отключать тепловой насос, благо-
даря чему поддерживается заданная температура. Ночью или на
время длительного отсутствия жильцов может быть задана понижен-
ная температура воздуха в комнатах, что значительно снизит затраты
энергии на отопление.
Учитывая, что поверхностные слои грунта являются достаточно
универсальным и повсеместно доступным источником низкопотен-
циального тепла возможности применения технологий ТСТ с верти-
кальными грунтовыми теплообменниками в России неограниченные.
Сегодня в стране насчитывается более 30 млн индивидуальных гене-
раторов тепла, имеющих, как правило, низкоэффективное оборудова-
ние с повышенным выбросом загрязняющих веществ в атмосферу, от
которых необходимо отказаться в ближайшее время. Наиболее пер-
спективным направлением решения такой проблемы является широ-
кое внедрение технологий теплонасосного теплоснабжения с грунто-
выми теплообменниками в вертикальных скважинах.
2.4. Эколого-экономические аспекты использования 
тепловых насосов
Широкое развитие за рубежом тепловые насосы получили благо-
даря следующим факторам:
•
экономичности (для передачи в систему отопления 1 кВт теп-
ловой энергии требуется 0,2—0,35 кВт электроэнергии);
•
экологичности (топливо не сжигается и вредных выбросов не
производится);
•
минимальному обслуживанию (для обслуживания ТНУ мощ-
ностью до 10 МВт требуется один оператор в смену);
•
малому сроку окупаемости в связи с низкой себестоимостью
производимого тепла.
Эффективность применения теплового насоса проявляется в срав-
нительном анализе с традиционными системами теплоснабжения.
Например, ТНУ расходует в 3— 4 раза меньше топлива, чем угольная
котельная [3]. Возможность загрязнения окружающей среды при
использовании теплового насоса обусловлена только выбросами,
связанными с производством электроэнергии, обеспечивающей

---

144
работу теплового насоса. Действующий тепловой насос непосред-
ственно на месте его установки не дает вредных выбросов. Если элек-
троэнергия вырабатывается ГЭС то, естественно, производство тепла
тепловыми насосами является абсолютно чистой с экологической
точки зрения технологией. Поэтому оценка экологической теплона-
сосной техники может быть дана применительно к варианту, когда
электроэнергия производится на угольных или мазутных тепловых
электростанциях. Естественно, что объем вредных выбросов при
получении тепла от тепловых насосов зависит от коэффициента пре-
образования 
μ
, показывающего, какую долю электроэнергии нужно
затратить на единицу вырабатываемой ТН тепловой энергии.
В табл. 2.1 приведена сравнительная оценка вредных выбросов от
различных источников тепла единичной тепловой мощности 1 Гкал/ч
(1,16 МВт) в течение отопительного периода (5500 ч для региона
Западной Сибири) [8]. Данные таблицы показывают, что переход на
теплонасосное теплоснабжение позволяет резко, в 3—8 раз, сокра-
тить вредные выбросы.
При одинаковой теплопроизводительности, например 1,16 МВт,
удельная экономия топлива при использовании теплонасосной системы
составит по сравнению с электроотоплением 0,277 — 0,335 т у.т.,
котельной на каменном угле (КПД = 0,65) 0,113—0,121 т у.т., котель-
ной на природном газе (КПД = 0,8) 0,072—0,13 т у.т., где первое зна-
чение относится к использованию в тепловом насосе низкопотенци-
ального источника тепла температурой 5 °С, второе — источника
тепла температурой 40 °С.
Стоимость тепловой энергии, производимой традиционными
методами в районных центрах (котельные) и крупных городах (ТЭЦ
и котельные) в 2— 4 раза выше, чем в теплонасосных установках.
Экономическую целесообразность применения энергосберегаю-
щих проектов с применением ТНУ определяют исходя из сравни-
тельной экономической эффективности капитальных вложений,
необходимых для осуществления такого мероприятия, т.е. сопостав-
Та бл и ц а 2.1
Вредные выбросы от различных источников тепла (т/год)
Вредные выбросы
Котельные
Тепловой насос
на угле
на мазуте
µ
= 3,6
µ
= 7,9
SO
x
38,38
47,33
10,66
4,86
NO
x
13,43
15,35
3,73
1,70
Твердые частицы золы
8,96
4,48
2,49
1,13
Фторсодержащие соединения
0,32
0,026
0,09
0,04
Всего
61,09
67,19
16,97
7,73

---

145
ляя затраты и результаты, полученные при тех или иных затратах.
Наиболее целесообразным является вариант решения, при котором
приведенные затраты минимальны:
З
п
= 
α
K
+ 
Э
– 
Д
,
(2.20)
где 
З
п
— приведенные затраты, руб/год; 
α
— коэффициент приведе-
ния; 
K 
— капитальные затраты на реализацию проекта, руб; 
Э 
— экс-
плуатационные затраты, руб/год; 
Д 
— доходность (экономичность)
проекта, руб/год.
Коэффициент приведения рассчитывается с учетом нормативного
коэффициента эффективности капитальных вложений. Капитальные
затраты определяются исходя из укрупненных величин капитальных
вложений с учетом монтажа оборудования, обучения обслужи-
вающего персонала и сдачи объекта «под ключ». По данным ЗАО
«Энергия» (г. Новосибирск), производящего тепловые насосы и име-
ющего большой опыт их внедрения и эксплуатации, укрупненная
стоимость ТНУ определяется исходя из ее тепловой мощности и
равна 3500 тыс. руб. за 1 Гкал/ч. Срок окупаемости тепловых насо-
сов, составляет 2 года, а стоимость тепла генерируемого энергоуста-
новками на их основе примерно 40—65 % стоимости тепла, выраба-
тываемого на ТЭЦ.
Несмотря на очевидные преимущества тепловых насосов, их
внедрение встречает определенные трудности, связанные с нерешен-
ностью законодательных, правовых, экономических, финансовых,
нормативно-технических и технологических проблем. Не послед-
нюю роль играет большая новизна и непривычность этой техники
для наших потребителей.
Контрольные вопросы
1. Опишите принципиальную тепловую схему теплового насоса и основной
принцип его работы.
2. Какой цикл реализуется в парокомпрессионном тепловом насосе?
3. Перечислите источники низкопотенциальной теплоты, используемые в тепло-
вом насосе.
4. По каким признакам классифицируют тепловые насосы?
5. Что такое коэффициент преобразования теплового насоса?
6. Расскажите об преимуществах теплонасосных систем теплоснабжения с низко-
потенциальными термальными водами в качестве первичного источника тепла.
7. Опишите систему теплонасосного теплоснабжения с грунтовыми теплооб-
менниками в вертикальных скважинах.
8. Перечислите эколого-экономические преимущества теплонасосных систем
теплоснабжения.

---

146
Г л а в а т р е т ь я
СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ
3.1. Системы солнечного теплоснабжения
Солнечная энергия широко используется для получения низко- и
среднетемпературных теплоносителей для горячего водоснабжения,
подогрева воды в бассейнах, отопления, в ряде случаев для получе-
ния технологического тепла, производства электроэнергии на элект-
ростанциях, работающих либо по термодинамическому циклу, либо с
прямым преобразованием солнечной радиации в электроэнергию.
Солнечная энергетика
— отрасль науки и техники, разрабатыва-
ющая основы, методы и средства использования солнечного излуче-
ния или солнечной радиации для получения электрической, тепловой
и других видов энергии и использования их в народном хозяйстве.
Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, представляет
собой самый значительный источник энергии, которым располагает
человечество. Поток солнечной энергии на земную поверхность
эквивалентен условному топливу в количестве 1,2
æ
10
14
т. Солнце,
как и другие звезды, является раскаленным газом. В его составе 82 %
водорода, 17 % гелия, остальные элементы составляют около 1 %.
Внутри Солнца существует область высокого давления, где темпера-
тура достигает 15—20 млн град.
Земля находится от Солнца на расстоянии примерно 150 млн км.
Поток солнечной радиации, достигающей Земли, по разным оцен-
кам, составляет (7,5
÷
10)
æ
10
17
кВт·ч/год, или (0,85
÷
1,2)
æ
10
14
кВт,
что значительно превышает ресурсы всех других возобновляемых
источников энергии.
Солнечное излучение на поверхность Земли зависит от многих
факторов: широты и долготы местности, ее географических и клима-
тических особенностей, состояния атмосферы, высоты Солнца над
горизонтом и т.п. Поток солнечного излучения на Землю изменяется,
достигая максимума в 2200 кВт
æ
ч/м
2
в год для северо-запада США,
запада Южной Америки, части юга и севера Африки, Саудовской
Аравии и центральной части Австралии. Россия находится в зоне,
где поток солнечного излучения меняется в пределах от 800 до
1400 кВт
æ
ч/м
2
в год. При этом продолжительность солнечного сия-

---

147
ния в России находится в пределах от 1700 до 2000 ч/год; максималь-
ное значение на Земле составляет более 3600 ч/год. За год на всю тер-
риторию России поступает солнечной энергии больше, чем энергии
от всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана [6].
3.1.1. Классификация и основные элементы гелиосистем
Системами солнечного теплоснабжения называют системы, кото-
рые используют в качестве источника тепловой энергии солнечную
радиацию. Их характерным отличием от других систем низкотемпе-
ратурного отопления является применение специального элемента —
гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиа-
ции и преобразования ее в тепловую энергию. По способу использо-
вания солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного
отопления подразделяют на пассивные и активные [4].
Пассивными
называют системы солнечного отопления, в которых
в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и пре-
образующего ее в тепло, служат само здание или его отдельные
ограждения [здание — коллектор, стена — коллектор, кровля — коллек-
тор (рис. 3.1)].
В пассивных гелиосистемах использование солнечной энергии
осуществляется исключительно за счет архитектурно-конструктив-
ных решений зданий. В системе солнечного низкотемпературного
отопления «здание — коллектор» солнечная радиация, проникая
через световые проемы в помещение, попадает как бы в тепловую