WWW.UNHPA.COM.UA
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ ВИПУСК №1, 2019
ІНФОРМАЦІЙНИЙ БЮЛЕТЕНЬ
»»стр.2 Цікаві факти ______________________
Експериментальні рішення ______________________
»»стр.17
Впроваджені проекти »»стр.10 ______________________
ТН великої потужності ______________________
»»стр.27
2
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ
ЦІКАВІ ФАКТИ УКРУПНЕНА ОЦІНКА ТЕПЛОВОЇ ПОТУЖНОСТІ ТА ОБСЯГІВ ВИРОБНИЦТВА ВІДНОВЛЮВАНОЇ ЕНЕРГІЇ ТЕПЛОВИМИ НАСОСАМИ В УКРАЇНІ Басок Б. І., чл.-кор. ІТТФ НАН України, Дубовський С.В., докт. техн. наук ІТТФ НАН України Теплові насоси є ефективним та екологічно чистим засобом використання відновлюваної енергії довкілля, акумульованої у вигляді теплоти оточуючого повітря (аеротермальна енергія), поверхневих вод (гідротермальна енергія), поверхневих шарів земної поверхні (геотермальна енергія) за рахунок витрат приводної електричної (механічної) енергії, енергії палива, скидної теплової енергії. Загальна теплопродуктивність теплового насосу визначається як сума вилученої теплоти довкілля та енергії приводу. Внаслідок цього, витрати приводної енергії на одержання одиниці теплової енергії споживчого потенціалу у теплових насосах нижча, ніж у нагрівальних пристроях прямої дії. Загальна енергетична, економічна та екологічна ефективність використання сучасних теплових насосів, які характеризуються високою технологічною досконалістю, істотно залежить від того, яким чином одержується енергія для їх приведення у дію та як використовується одержана ними теплова енергія. Сприятливі умови для використання теплових насосів виникають у енергетичних системах із значною часткою генерації первинної або умовно первинної електричної енергії, що одержується на ГЕС, АЕС, ВДЕ без використання традиційних органічних палив, до яких відноситься і об’єднана енергетична система (ОЕС) України, де частка виробництва умовно первинної електричної енергії на великих ГЕС і АЕС досягає близько 60%. Швидкими темпами вводяться у дію вітряні і сонячні електростанції, малі ГЕС, електричні станції на біомасі, біогазові енергоустановки. Отже, з точки зору зниження рівня споживання органічних палив на потреби теплопостачання та, відповідно, вуглецевих
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
викидів з продуктами їх згоряння, впровадження теплових насосів в Україні можна вважати досить перспективним. Не менш важливими є і соціальні наслідки розвитку теплонасосного теплопостачання. Теплові насоси забезпечують екологічно чисте та економне витрачання енергії на рівні споживачів за рахунок автоматичного та програмованого регулювання продуктивності згідно з бажаними температурними умовами приміщень. Їх експлуатація не потребує безпосереднього втручання користувачів. Влітку вони здатні охолоджувати приміщення у активному режимі або пасивно – за рахунок холоду, накопиченому взимку. Крім того, теплові насоси можуть відігравати роль споживача – регулятора навантажень енергетичної системи з одночасним зниженням рахунків на спожиту електричну енергію. Тобто, теплові насоси здатні забезпечити порівняні і навіть кращі умови теплового комфорту для праці та відпочинку, ніж найбільш досконалі існуючі системи централізованого теплопостачання. Фактичні рівні використання теплових насосів у системах теплопостачання залежать від багатьох факторів, головними з яких є співвідношення цін на природний газ та електричну енергію, темпи житлового будівництва, рівень купівельної спроможності населення, кліматичні фактори, енергетична ефективність власне теплових насосів. Впровадження теплових насосів в Україні одержало помітний розвиток з 90-тих років минулого століття і найбільш високих темпів набуло у 2005-2008 рр. у зв’язку з стрімким зростанням цін на природний газ. У ці роки Україна входила у четвірку країн
ТЕПЛОВІ Європи з найбільшим ринком теплонасосної техніки, основу яких складали реверсивні кондиціонери (РК) з функцією нагрівання. В останнє десятиріччя парк теплових насосів в України набув значної сумарної потужності, помітно впливаючи на графік споживання електричної енергії. Сьогодні важко побачити житлові, адміністративні або комерційні будівлі, не оснащені щонайменше десятком кондиціонерів, більшість з яких є реверсивними. Помітного поширення теплові насоси знайшли у індивідуальному будівництві, де їх впровадження вдало поєднується із низькотемпературними опалювальними приладами (тепла підлога, стінові опалювальні панелі, вентиляторні нагрівальні прилади (фан-койл) тощо), у системах цілорічного кондиціонування комерційного сектору (готелі, ресторани і кафе, центри відпочинку, приватні клуби, торгівельні, виставкові, офісно-складські комплекси, у бюджетних закладах – дитячих садках, школах, університетах, лікарнях тощо. Потужні теплові насоси знайши впровадження у промисловій та комунальній енергетиці. Помітний рівень розповсюдження теплових насосів у вітчизняній енергетиці визначає актуальність врахування їх внеску у регіональні, галузеві та загальні енергетичні баланси країни. Удосконаленню обліку теплових насосів сприяє їх включення у перелік відновлюваних джерел енергії згідно Директиви ЄС/2009/28 (надалі - Директива), спрямованої на посилення підтримки розвитку відновлюваної енергетики в країнах - членах Європейського союзу з метою досягнення запланованого на 2020 рік 20% скорочення обсягів парникових викидів. Основні положення Директиви знайшли втілення у Законі України від 1.11.2016 №1711-VIII «Про внесення змін до Закону України «Про альтернативні джерела енергії» в частині віднесення теплових насосів до обладнання, що використовує відновлювану енергію. Нова редакція закону визначає загальні умови віднесення теплових насосів до відновлюваної енергетики за критерієм енергетичної ефективності, а також обов’язок щодо розробки методики розрахунку енергії, виробленої тепловими насосами з метою формування звіту для Енергетичного співтовариства про досягнутий прогрес в підтримці та використанні ВДЕ. В Інституті технічної теплофізики НАН України за сприяння проекту технічної допомоги UNIDO «Підвищення енергоефективності ... в агрохарчових та інших малих та середніх підприємствах (МВП) України» на основі аналізу відповідного досвіду
НАСОСИ В УКРАЇНІ
3
зарубіжних країн, вказівок Директиви та її доповнень, а також національних особливостей впровадження теплових насосів в Україні були розроблені наукові основи укрупненої оцінки встановленої потужності теплових насосів в Україні та проект Методики обчислення енергії, виробленої тепловими насосами з відновлюваних джерел (надалі – Методика). Наразі Методику затверджено наказом Міністерства регіонального розвитку України від 12.03.2018 №52, зареєстрованим в Міністерстві юстиції України 03.04.2018 за № 395/3184. Основним предметом цієї роботи є проведення та аналіз результатів укрупненої оцінки накопиченої потужності теплових насосів в України та обсягів виробництва ними відновлюваної енергії у загальному обсязі постачання кінцевої енергії в Україні за згаданою Методикою. Основні харак терис тики розрах ункової методики. Методику розроблено з метою виконання укрупненої оцінки сумарної потужності теплових насосів в Україні та орієнтовного обрахунку обсягу виробництва ними теплоти, вилученої з відновлюваних джерел. Основними критеріями, що були покладені у її розроблення є: • максимальна ступінь охоплення обліком всього масиву теплових насосів, що був створений в Україні у 2001-2017 рр.; • максимальна простота та прозорість розрахунків; • додержання рекомендацій розділу V Директиви, Додатку 7 до неї, а також загальних методичних положень, щодо оцінки внеску ТН в загальний обсяг використання відновлюваної енергії в країнах-членах ЄС, викладених у документі C (2013) 1082 «Керівні принципи для державчленів щодо розрахунку відновлюваної енергії від теплових насосів з різними теплонасосними технологіями відповідно до розділу V Директиви 2009/28/EC» (надалі - Регламент), створеному за рішенням Європейської комісії та Європейського парламенту. Методику засновано на наступних положеннях та припущеннях. • Існуючий масив теплонасосних установок, встановлених в Україні надходив у країну у вигляді імпорту готових виробів або основних складників для їх виготовлення на місці. • Теплонасосні установки поділено на дві відмінні групи:
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
4
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ
1. реверсивні кондиціонери (РК), первинною функцією яких є робота в режимі охолодження повітря, а вторинною – робота у режимі нагрівання повітря; 2. теплові насоси (ТН), первинною функцією яких є робота у режимі нагрівання повітря або проміжних теплоносіїв (вода, розсіл) системи опалення та/або гарячого водопостачання а вторинною - охолодження повітря або теплоносіїв системи кондиціонування у активному або пасивному режимах. • Облік РК та ТН за кожний календарний рік здійснюється на підставі інформації Державної фіскальної служби (ДФС) України щодо загальної маси виробів за відповідним міжнародним кодом зовнішньоекономічної діяльності. • Для періодів, щодо яких офіційна інформація ДФС відсутня, припускається використання додаткової інформації міжнародних органів статистичного аналізу зовнішньоекономічної діяльності. • Для оцінки доданої потужності РК за доданою масою, використовується єдиний коефіцієнт питомої маси, що являє собою усереднене значення відношення маси установок до їх потужності на нагрівання, який встановлюється на основі аналізу масиву даних фірм-виготовлювачів для РК найбільш поширених марок, а також даних статистики внутрішнього ринку РК. • У разі теплових насосів використовується аналогічний показник усередненої питомої маси. Він визначається шляхом збирання та усереднення масиву даних щодо фактично встановлених в Україні ТН, які мають чітку локалізацію та ідентифікацію за одиничною потужністю, маркою, джерелом одержання низькопотенційної теплоти (повітря атмосферне, повітря відпрацьоване, вода природних водоймищ, оборотних систем, горизонтальний ґрунтовий колектор, вертикальні свердловини, тощо). В результаті аналізу визначається середня питома маса ТН, та їх структуризація за типовими класифікаційними (технологічними) групами, зазначеними в Регламенті. У цій редакції Методики використані дані щодо 330 теплонасосних установок різних типів, оголошені найбільшими фірмами – установниками відповідного обладнання. • Усереднені показники підлягають періодичному уточненню по мірі розширення бази даних і зміни трендів змін технічних характеристик встановленого обладнання.
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
• Відокремлення потужності теплових насосів, що вдовольняють вимогам Директиви щодо мінімального коефіцієнта продуктивності, здійснюється на основі експертних оцінок, заснованих на аналізі опублікованих результатів обстежень встановленого обладнання в зарубіжних країнах (Великобританія, Німеччина, Австрія) незалежними експертами, а також даних окремих обстежень теплових насосів в Україні. • Розрахунок виробництва енергії тепловими насосами з відновлюваних джерел здійснюється за рекомендаціями Регламенту щодо типових значень коефіцієнтів продуктивності і числа годин використання встановленої потужності ТН різних класифікаційних груп. • Визначення кумулятивної маси і потужності теплових насосів, накопичених за минулі роки, визначається як сума їх надходжень за кожний рік з урахуванням вибуття потужностей, які перевищили термін служби - 15 років. • Розрахунок частки енергії, вироблених тепловими насосами з відновлюваних джерел у загальному обсязі кінцевої енергії, використовуються за даними Державної служби статистики України за відповідні роки. Вихідні дані, використані у розрахунках. Основним джерелом вихідних даних, необхідних для проведення розрахунків за описаною методикою є інформація ДФС України, щодо щорічних обсягів ввезення в Україну теплових насосів і реверсивних кондиціонерів за відповідними кодами зовнішньоекономічної діяльності. Облік за гармонізованою класифікацією введений в дію з 15.01.2011 р. згідно Закону України від 21.12.2010 р. №2829-VI «Про внесення змін до Закону України «Про митний тариф України». У зв’язку з цим, офіційна інформація ДФС присутня, починаючи з 2011 р. У якості додаткового джерела інформації щодо імпорту товарів відповідних підкатегорій в Україну, використано інформацію за 201-2015 рр., що розміщено на офіційному сайті Міжнародного центру торгівлі (ITC) – підрозділу ООН, який опікується розвитком міжнародної торгівлі і базується у м. Брюсель, Бельгія. Порівняння даних ДФС України та ITC за 2011-2015 рр. показує їх задовільну збіжність. Динаміку імпорту в Україну в 2001-2017 рр. РК та ТН у масовому вимірі, включаючи компоненти для складання, за суміщеними даними ДФС та ITC наведено на рис. 1.
ТЕПЛОВІ
НАСОСИ В УКРАЇНІ
5
Рис. 1. Обсяг імпорту в Україну реверсивних кондиціонерів та теплових насосів у масовому вимірі. Наведені дані показують, що імпорт РК на порядок перевищує імпорт теплових насосів, що є нормальною практикою для країн Європи. Накопичена та ефективна потужність теплових насосів. Оцінки накопиченої потужності всіх теплових насосів, включаючи РК, за 2001-2017 рр. та ефективної потужності «зелених» ТН, які вдовольняють вимоги Директиви щодо енергетичної ефективності, представлено на рис.2,3. На наведених рисунках виділяються три характерні фази змін кумулятивної потужності – швидкого зростання (2001 – 2008 рр), повільного зростання (2009 -2015 р.) та зниження ( 2016-2017 рр.).
Рис. 2- кумулятивна потужність теплових насосів, імпортованих в Україну.
Рис.3 – кумулятивна потужність «зелених» теплових насосів. Зниження кумулятивної потужності в останні роки пояснюється тим, що попри позитивні темпи введення нових потужностей, абсолютний приріст нових ТН не в останні роки компенсує виведення з експлуатації потужностей ТН, що досягли межі прийнятого у Методиці терміну їх служби – 15 років. Історичний максимум кумулятивної загальної потужності ТН - 8134 МВт, як і ефективної потужності 2277 МВт був досягнутий у 2015 р. Значна різниця між сумарною та ефективною потужністю пояснюється тим, що домінуючу частину парку теплонасосних установок становлять реверсивні кондиціонери, більшість з яких, за виключенням деякий сучасних інверторних установок не вдовольняє вимогам Директиви щодо сезонної енергетичної ефективності.
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
6
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ
Станом на початок 2018 р. загальна потужність всіх ТН (включаючи РК) оцінюється у 7382 МВт, а потужність «зелених» теплових насосів – у 2046 МВт. Виробництво «зеленої» енергії Оцінки обсягу виробництва теплоти з відновлюваних джерел, визначених за рекомендованими Регламентом значеннями сезонних коефіцієнтів продуктивності і числа годин використання встановленої потужності наведено на рис.4 з розбивкою за видами відновлюваної енергії. Історичний максимум виробництва (2015 р.) оцінюється у 3223 ГВтгод, обсяг виробництва у 2017 р. – у 2884 Гвт-год. Слід зазначити, що обозначені обсяги відносяться до вилученої енергії з відновлюваних джерел, які є нижчими за фактичне виробництво корисної енергії на величину витрат електричної енергії на привод ТН. Ця величина оцінюються у 2017 році у 1540 ГВтгод при середньому значенні сезонного коефіцієнту продуктивності 2,87.
енергії від централізованих джерел. Таблиця 2. Обсяг та частка виробництва теплоти ТН з відновлюваних джерел у загальному обсязі постачання кінцевої енергії у 2007-2016 рр. Частка
Рік
Виробництво
вироб-
Кінцеве спожи-
енергії
ництва
вання енергії в
тепловими
енергії
Україні
насосами з
тепловими
ВДЕ
насосами з ВДЕ
2007 2008 2009 2010
У структурі виробництва теплоти з ВДЕ у 2017 р. за типами теплонасосних установок провідну роль відіграють (у порядку убування) реверсивні кондиціонери «повітря –повітря»- 1362 ГВтгод, ТН «ґрунт-вода» 898 ГВтгод, «вода-вода»-540 ГВтгод. «повітря-вода» - 61 ГВтгод, «повітря-повітря» -22 ГВтгод.
2011 2012 2013 2014 2015 2016
тис. т н.е. 1
ГВтгод
ГВтгод
%
85955
999657
2437
0,24
83283
968581
2798
0,29
69011
802598
2878
0,36
73787
858143
3017
0,35
75836
881973
3080
0,35
73107
850234
3123
0,37
69557
808948
3169
0,39
61460
714780
3196
0,45
50831
591165
3223
0,55
51645
600631
3145
0,52
– за даними енергетичних балансів Державної служби статистики України 1
Рис. 4 – Виробництво теплоти «зеленими» ТН з відновлюваних джерел за видами вилученої енергії довкілля. Частка виробництва теплоти «зеленими» ТН з відновлюваних джерел у загальному обсязі постачання кінцевої енергії в Україні (табл. 2), станом на 2016 рік оцінюється у 0,5% а у загальному обсязі постачання енергії на потреби побутового сектору (17,586 млн. т н.е.) – 1,4%, або 2,7% від обсягу відпуску теплової
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
Одержані оцінки обсягів виробництва енергії з відновлюваних джерел засновані на рекомендованих (типових) значеннях експлуатаційних характеристик теплонасосних установок і відображують скоріше потенційні, ніж фактичні значення, одержання яких потребує проведення значного обсягу додаткових натурних досліджень. Однак вони достатньо об’єктивно відображують те, що теплові насоси в Україні перейшли межу екзотичного виду опалювальної техніки і їх подальші розвиток і детальні дослідження потребують не меншої уваги, ніж інших провідних галузей теплової енергетики.
ТЕПЛОВІ
НАСОСИ В УКРАЇНІ
7
НЕСПОДІВАНЕ ЗАСТОСУВАННЯ ТЕПЛОВОГО НАСОСУ Пастушенко Е.П. директор ТОВ «Компанія ВДЕ» Компанія VDE» — спеціалізована компанія з виробництва, монтажу та сервісу теплових насосів. Ми працюємо більше 12-ти років. Наша місія - забезпечення споживача комплексним підходом до енергозбереження - від проектування до кінцевого запуску та подальшого сервісного обслуговування теплового насоса. Виробництво теплових насосів здійснюється виключно з якісних Європейських комплектуючих, які ми самостійно імпортуємо напряму від Європейських заводів – виробників, оминаючи ланцюжок посередників. Інженери ВДЕ в індивідуальному порядку адаптують теплонансосні технології до вже існуючих систем енергопостачання. Досвід, отриманий під час впровадження нестандартних рішень трансформується в інноваційні ідеї на ринку енергозбереження.
досягти за рахунок виготовлення та монтажу всіх складно поєднуваних елементів безпосередньо на нашому виробництві. Якщо монтування теплового насосу займало щонайменше тиждень, то за новим принципом час роботи інсталяторів значно скоротився. Тепер необхідно всього декілька годин для того, щоб обладнання можна було змонтувати та ввести в експлуатацію. Прилад виробляється у вигляді моноблоку, що робить його не тільки компактним за розміром (Ø700мм, H= 2200мм), а ще й стильним. За бажанням ви також можете обрати будь-який дизайн для вашого теплового насоса від сонячного пляжу до засніженого лісу. Але найголовнішими перевагами є, звісно, енергоефективність та економія. Завдяки спрощенню всієї системи нового теплового насоса, він на 5-10% ефективніший, ніж будь-який його попередник. Легке вста-
Минулого року компанія VDE презентувала абсолютно нову модель теплового насоса: унікальний тепловий насос-моноблок VDE серії Art. Це інноваційний продукт, в якому всі мінуси попередніх моделей було перетворено на плюси. Дана модель запатентована компанією VDE та не має аналогів у світі!
новлення, висока енергоефективність, відмова від використання деяких елементів та відсутність потреби наймати велику кількість інсталяторів - всі ці фактори дають змогу зекономити значні кошти порівняно з попередніми моделями.
У теплового насоса-моноблока безліч переваг. По-перше, значно спростовано процес монтування та пуско-налагодження приладу. Цього вдалося
За 2 останніх опалювальних сезона було встановлено декілька десятків теплових насосів-моноблоків VDE серії Art, тож показники експлуатації обладнання цілком підтверджують розрахунки компанії. Навіть попри гарні відгуки від Клієнтів - ми завжди
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
8
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ
активно відслідковуємо роботу кожного встановленого теплового насоса і враховуємо побажання та зауваження наших Замовників. На основі ретельного аналізу експлуатації, ми модернізували обладнання та внесли деякі важливі доопрацювання у дану модель теплового насоса для того, аби зробити його ще більш зручним та ефективним у використанні. Так, теплообмінник-конденсатор став більш досконалим. Також модернізації торкнулися конструкції приладу. Якщо раніше весь тепловий насос мав вигляд злитого моноблоку, то зараз корпус обладнання можливо відокремити від конструкції, не ускладнюючи при цьому монтаж устаткування. Навпаки, це значно полегшує транспортування теплового насоса до об’єкта, адже тепер немає потреби доставляти обладнання у повністю зібраному вигляді - декілька простих дій, і тепловий насос зібрано безпосередньо на місці! Крім цього, після демонтажу лицьової панелі, сервісний спеціаліст може безперешкодно дістатися будь якого елементу холодильної машини, що значно спростило процесс обслуговування обладнання. Ці нововведення зробили модель теплового насосамоноблока ще більш ефективною та зручною у використанні! Але ми не зупиняємося на досягнутих результатах, продовжуємо розробляти інноваційні ідеї та вже готові презентувати абсолютно новий продукт!
Як це працює? Повітря у сушарці нагрівається за допомогою теплового насосу, продукти в цей час сушаться та виділяють достатню кількість вологи. В свою чергу, вологе повітря проходить через холодний теплообмінник (випаровувач). Це робиться задля того, аби видалити зайвий конденсат і зробити повітря у сушарці знову сухим. До того ж, з вологи, що випарувалася, тепловий насос забирає приховану теплоту та спрямовує її на подальший нагрів повітря. Зайва ж вода видаляється у конденсатовідвідник. Такий принцип роботи сушарки надає значну економію користувачеві, і, як наслідок, швидку окупність. Вагома економія відбувається дякуючи двом важливим факторам. По-перше, завдяки коефіцієнту перетворення (СОР): за 1 кВт наданої енергії тепловий насос виробляє аж 4 кВт. По-друге, за рахунок циркуляції повітря всередині обладнання. Більше немає потреби у енегрозатратному процесі заміни вологого повітря на сухе! Обидва фактори в сумі дозволяють зекономити аж у 10 разів порівняно зі звичайними сушарками інших виробників!
СУШКА НОВОГО ПОКОЛІННЯ (ТЕПЛОВИМ НАСОСОМ)
Сушарка на основі теплового насосу VDE! Сушарка на основі теплового насосу VDE значно відрізняється від звичайних сушарок принципом дії та, як наслідок, енергоефективністю. Механізм висушування будь-якого продукту досить простий: підвищення температури повітря сприяє видаленню вологи та подальшому висушуванню. Волога, яка видаляється з продукту, залишається в повітрі сушарки. Відповідно, аби продукт висох до потрібного стану, необхідно періодично видаляти цю вологу. Процес заміни вологого повітря у звичайних електричних сушарках є дуже енергозатратним, що зовсім не вигідно користувачеві. Значне споживання енергії взагалі є головним недоліком звичайних сушарок, оскільки крім фактору заміни повітря, прилад витрачає енергію на довготривалу роботу часто, аби висушити продукт, сушарка має працювати протягом декількох днів. Ми знайшли спосіб спрощення механізму роботи сушарки завдяки тепловому насосу VDE!
VDE.UA ШВИДКІСТЬ СУШКИ НИЗЬКА СОБІВАРТІСТЬ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНІСТЬЬ НЕЗАЛЕЖНІСТЬ СУШКА, ЯКУ ВИ ТОЧНО КУПИТЕ БУДЬ НА КРОК ПОПЕРЕДУ З ВДЕ
+ 38 050 35 111 93, +38 067 35 111 88, +38 044 22 111 88
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
10
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ
ВПРОВАДЖЕНІ ПРОЕКТИ ТЕПЛОВИЙ НАСОС ПОВІТРЯ-ВОДА, ЗАСТОСУВАННЯ, ЕКОНОМІЯ, ПРИКЛАДИ ВИКОРИСТАННЯ
Паленчук Р. Є. ТОВ «Ромстал Україна»
У світлі постійного підвищення цін на енергоносії, можливість знизити витрати на опалення, нагрів гарячої води і охолодження практично в 2-3 рази за допомогою теплового насоса стає все більш вигідним варіантом капіталовкладень. Тепловий насос, що працює за принципом повітрявода є одним з найдоступніших методів переходу на екологічно чисте і дешеве джерело тепла і холоду. В країнах Європи та США вже більше 30 років теплові насоси успішно використовуються в побуті і промисловості. Принцип роботи теплового насоса полягає в перетворенні так званого низько потенційного тепла навколишнього середовища: землі, води, повітря. Технічно можна сказати що кожен з нас щодня користується найпростішим тепловим насосом, він стоїть і у нас на кухні і охолоджує наші продукти. Так це саме холодильник. Тепло відібране від продуктів холодильник скидає в навколишнє повітря через бічну або задню стінку. Повітряний тепловий насос - таке рішення, з одного боку, значно дешевше геотермального, а з іншого - середньорічна ефективність (COP) знаходиться в межах 2.5-3. Це означає що така система буде дешевше опалення електричним котлом в 2,5-3 рази. У наших широтах повітряний тепловий насос здатний гарантовано забезпечити опалення та гаряче водопостачання до температури -10°С.
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
Далі вже по ситуації, та залежить від системи опалення. Наприклад опалення на теплих підлогах з тепловим насосом зможе працювати і після -10°С забезпечуючи комфорт в будинку. В іншому випадку практично у всіх пропонованих моделях повітряних теплових насосах є варіант включення додаткового джерела тепла. Тут варто приділити увагу температурним режимам в останні роки. Наприклад для Києва і Київської області, середня температура за сезон становить всього -0,7°С. Що виражається в тому що за весь опалювальний сезон температури рідко падають нижче -10 ° С, і частіше за все знаходяться в межах від 0 до -8°С. Також варто звернути увагу на таку річ як утеплення будинку. Добре утеплений будинок потребує менше потужності, що дозволить вибрати більш дешевий тепловий насос, і призведе до більш економного режиму роботи як взимку так і влітку. Адже хороше утеплення не дає дому швидко охолоджуватися, та перешкоджає нагріву будинку в літню пору. Повітряний тепловий насос, за рахунок простоти конструкції і відсутності вимог до місця розташування, можна встановити практично в будь-яку котельню, додавши до існуючої системи. Навіть з існуючою системою опалення тепловий насос дасть можливість помітно скоротити витрати на опалення. При цьому старий котел легко впишеться як резервне джерело тепла на випадок сильних холодів.
ТЕПЛОВІ Які ж будуть витрати на опалення із застосуванням теплового насоса? На це питання досить легко відповісти зробивши невеликий розрахунок. Розглянемо приклад для будинку в 180м2. Основне джерело тепла у нас тепловий насос, піковий - електричний тен, встановлений всередині теплового насоса. Приймемо що розрахункові тепловтрати - 60Вт / м2. Звідси необхідна потужність на опалення будинку дорівнює 180 х 60 = 10800 Вт = 10,8кВт. Приймемо що в сезон прилад опалення працює 1900 годин. Перемноживши ці два значення, отримаємо кількість кВт * год на опалення протягом усього опалювального сезону, 10,8 х 1900 х 1,2 (коефіцієнт запасу) = 24624 кВт * год Розглянувши тарифи на електроенергію, ефективність роботи теплового насоса і електричного тена можна отримати значення 0,48грн за 1 кВт * год від теплового насоса повітря-вода. І 1,8грн за 1 кВт * год від ел.нагревателем. Так само можна порахувати ціну 1кВт * ч від будь-якого іншого джерела тепла. У підсумку витрати на опалення будуть наступні: • Усього за опалювальний період ТН + ел.тен 15070 грн; • Усього за місяць - 2512 грн.
НАСОСИ В УКРАЇНІ
11
Для порівняння візьмемо дані за іншими джерелами тепла, при тих же умовах на основі діючих тарифів: Джерело тепла
Усього за опалювальний сезон
Усього за місяць, орієнтовно
Конденс- газовий Пелетний котел котел
Елект. котел
22408 грн
22900 грн
44323 грн
3735 грн
3817 грн
7387 грн
Звідси видно що застосування теплового насоса повітря-вода в заданих нами умовах дозволяє скоротити витрати на опалення практично на 40% в співвідношенні з газовим котлом. Звичайно даний розрахунок досить абстрактний і виконаний з великою кількістю припущень, але він може показати різницю у витратах на опалення від різних джерел тепла досить достовірно. Кілька прикладів об’єктів з повітряними тепловими насосами
опис:
Об’єкт 250 м2. Встановлено газовий котел. Опалення на основі теплих підлог і радіаторів. Встановлено тепловий насос повітря-вода Ecoheat 8 квт. На об’єк ті обмежений введення елек трики. Завдання: максимально знизити споживання газу.
опис:
Об’єкт 350м2. Система теплих підлог по всьому будинку. Встановлено 2 теплових насоса по 16 квт. З усього вищесказаного можна зробити однозначний висновок: використання теплових насосів повітря-вода - це ефективне, просте в монтажі рішення для організації опалення, охолодження та гарячого водопостачання в приватному будинку. Рішення яке дозволить помітно знизити витрати на утримання будинку. І до всього іншого знижує навантаження на екосистему нашої планети, нехай і зовсім небагато.
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
12
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ
ДОСВІД ВПРОВАДЖЕННЯ ТЕПЛОВИХ НАСОСІВ DIMPLEX SYSTEM ZERO НА РИНКУ «СТОЛИЧНОМУ» ВІД ТОВ «ПРОГРЕС-ХХІ» Литвинюк Юрій Миколайович директор ТОВ «Прогрес-ХХІ»
DIMPLEX LSA 60TUR (НІМЕЧЧИНА) – SYSTEM ZERO - РЕВОЛЮЦІЯ В ТЕПЛОВИХ НАСОСА Х Д ЛЯ ТОРГІВ ЛІ ТА ЛОГІС ТИКИ Компанія «Прогрес-ХХІ» є офіційним дистрибьютором ТМ Dimplex (Німеччина) в Україні. Ми спеціалізується на розробці концепцій, проектуванні, реалізації та сервісному обслуговуванні систем генерації та розподілу теплової, холоду, включаючи впровадження систем опалення, охолодження та гарячого водопостачання з використанням теплових насосів. Компанія «ПРОГРЕС-ХХІ» працює на ринку України з 2004 року. У технології теплових насосах з’явилася нова можливість для використання в комерційних та промислових будівлях: System Zero. Забудьте «чи / або» System Zero - це перший серійний тепловий насос, який об’єднує різні джерела тепла, включаючи відпрацьоване (скидне) тепло від холодильних камер та зовнішнє повітря, регулює їх використання для максимальної ефективності. Весь час працює на екологічно чистому холодильному агенті - пропані. Як був придуманий тепловий насос System Zero? У жовтні 2012 року був холодний, дощовий жовтень. Майк Гейдріх повертався додому від свого 220 візиту до клієнта. На сьогоднішній день він розробив 220 різних індивідуальних моделей для охолодження комп’ютерних центрів, або використовував геотермальну енергію для опалення цілих квартирних комплексів, або встановив системи для теплопостачання приміщень логістичних складів. І вже в 220 раз Гейдріх задавав собі питання: чи не можемо ми зробити більше? Чи не можна об’єднати різні типи теплових насосів та принципи побудови інженерних систем ще краще - в одну високоефективну загальну систему ... в ідеалі, яка також дозволяє утилізувати відпрацьоване (скидне) тепло?
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
Це була думка, яку Майк Гейдріх просто не міг «викинути з голови», коли він їхав у дощ. «Це була втрата відпрацьованого тепла, саме вона мене завжди турбувала», - пояснює він. «Це було так само для всіх нас у Glen Dimplex Thermal Solutions: ми просто ненавидимо втрачати енергію». Замість того, щоб їхати додому, Гейдріх поїхав до офісу. Далі була ніч над креслярською дошкою. Ідея вкорінилася. Ідея, яка могла б революціонізувати опалення та охолодження комерційних та промислових об’єктів, а також великих будівель, - надзвичайно економічним шляхом.
Тепловий насос Dimplex LSA 60TUR (Німеччина) – System Zero Факти System Zero • Тепловий насос типу «повітря-вода» та типу «розсіл-вода» в одному корпусі. • Комбінована функція нагріву та охолодження (зворотна технологія). • Високий комфорт у адміністративних будівлях. • Екологічно чистий холодильний агент - пропан • Через контур «повітря-вода»: він використовує повітря, яке є постійно доступним джерелом тепла/холоду.
ТЕПЛОВІ • Через контур «розсіл-вода»: він використовує тепло від холодильних камер, що дозволяє паралельно використовувати дані джерела тепла. • Інтелектуальне управління джерелом тепла - повітрям та розсолом: завдяки чергуванню або паралельній роботі завжди є ефективним та завжди автоматичним. Поточний стан справ на ринку «Столичному» м. Київ Відповідно до проекту №20-06/17 ПР-ОВ (опалення та вентиляція) «Комплекс будівель та споруд оптового ринку сільськогосподарської продукції з об`єктами інфраструктури у межах СофіївськоБорщагівської сільської ради Києво-Святошинського району Київської області» об’єкту «Адміністративна будівля №2 (відповідно до ГП №48)» навантаження на опалення становить 86,5 кВт (tр.о.= мінус 22°С); навантаження на кондиціонування становить 131,8 кВт (що відповідає вихідним даним, які надані Замовником). Дані навантаження відповідають потребам приміщень «Адміністративної будівлі №2 (відповідно до ГП №48). Для покриття вище приведених навантажень, проектом №20-06/17 ПР-ТМ передбачено встановлення трьох теплових насосів Dimplex LSA 60TUR з наступними характеристиками: • теплопродуктивністю одного теплового насоса у режимі знімання теплової енергії з навколишнього середовища (повітря): а) 65,5 кВт при Тпов 12°С, СОР=3,68; б) 43,6 кВт при Тпов 0°С, СОР=2,76; в) 27,6 кВт при Тповітря мінус 20°С, СОР=1,8; • СОР (коефіцієнт перетворювання енергії при нагріві); • теплопродуктивністю у режимі знімання теплової енергії від контуру утилізації тепла (холодильних машин) - 80 кВт при Ттеплоносія контуру утилізації 15°С у еквіваленті водного розчину пропіленгліколю, СОР =4,8; • холодопродуктивністю 54,5 кВт ( при температурі зовнішнього повітря 28°С). ЕЕР=2,8 (коефіцієнт перетворювання енергії при охолодженні). В якості резервного(аварійного) джерела теплопостачання встановлено електричний котел Дніпро КЭО-Б-105 потужністю 105 кВт.
НАСОСИ В УКРАЇНІ
13
Виходячи з наведеного вище, заходи регламентовані проектом забезпечують покриття у тепловій енергії наступним чином: • при роботі трьох теплових насосів на опалення з відбором тепла від повітря -81 кВт,( Тповітря мінус 20°С); • при роботі трьох теплових насосів на опалення від утилізації тепла холодильних машин - до 240 кВт,(Ттн 15°С ); • при роботі трьох теплових насосів на охолодження вони забезпечують 163,5 кВт, (Тпов 28°С), що повніс тю забезпечує потреби Адміністративної будівлі №2 (по ГП №48) в тепловій та холодильній енергії. На даний момент на об’єкті виконано 2 з 3-х етапів монтажу генераторної тепла/холоду, згідно договору на монтаж та постачання обладнання: • 1 етап (осінь 2017 р.) - встановлено електричний котел Дніпро КЭО-Б-105 потужністю 105 кВт. • 2 етап (літо 2018 р.) - встановлено один тепловий насос Dimplex LSA 60TUR (без підключення контуру утилізації тепла від холодильних машин). При встановленні проектних теплових насосів в кількості 3 шт., надлишкова теплова енергія буде забезпечувати потреби в опаленні сусідню адміністративну будівлю.
Тепловий насос на даху адміністративній будівлі ринку Дані заходи дозволяють покрити потреби у навантаженнях (без урахування електричного котла): • Теплопостачання 31% при Тпов мінус 20°С. • Теплопостачання 100% при Тпов. 0°С. • Холодопостачання 41% при Тпов. 28°С (липень).
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
14
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ
При цьому точка бівалентності - температура при якій буде вводитись в дію електрокотел, складає: Tбівал.= 0 °С. В разі облаштування контуру утилізації
тепла тепловим насосом від холодильних машин, точка бівалентності зміститься до T бівал.= -12,5°С.
Таблиця №1. Вихідні дані Опалення
Кондиціонування
Опалювальне навантаження будівлі
86
кВт
206 479
кВт·год/ рік
187
діб
-1,1
°С
22
°С
-22
°С
(при Тр.о = - 22 °С) Споживання енергії Опалювальний період Середня температура за опалювальний сезон Внутрішня температура приміщення Розрахункова температура системи опалення
Навантаження на кондиціонування
131
Погода в літній період
кВт Жарка
Кількість годин роботи
1 200
год/рік
Витрачена енергія
157 200
кВт·год/рік
Тариф на електричну енергію
2,54567
кондиціонування
грн./кВт·год з ПДВ
Таблиця №2. Тепловий насос (джерело тепла - навколишнє повітря) - основне джерело тепла та холоду Опалення Вироблена енергія на рік
Кондиціонування 134 554
COP (+12)
4,5
COP (0)
2,7
Витрачена енергія Витрачена енергія на місяць (6 місяців опалювальний період) Грошові витрати
кВт·год/ рік
Вироблена енергія на рік EER
37 376
кВт·год/ рік
6 229
кВт·год/міс.
95 147
грн./ рік
Витрачена енергія на місяць (6
Грошові витрати
Сумарні грошові витрати в рік
кВт·год/ рік
3,22
Витрачена енергія
місяців)
157 200
48 820
кВт·год/ рік
8 137
кВт·год/міс.
124 279
грн./ рік
219 426
грн./ рік
Електричний котел (в ролі пікового догрівача) Опалення Вироблена енергія на рік ККД
Кондиціонування 47 950
кВт·год/ рік
0,98
Витрачена енергія (ККД 98%)
48 929
кВт·год/ рік
Грошові витрати
124 557
грн./ год
Сумарні грошові витрати в рік
343 983
грн./рік
Сумарні грошові витрати в рік пропонованої установки
343 983
грн./рік
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
ТЕПЛОВІ
НАСОСИ В УКРАЇНІ
15
Таблиця №3. Тепловой насос (джерело тепла - утилізація тепла від холодильних камер) - єдине джерело тепла та холоду Опалення Вироблена енергія на рік
Кондиціонування 206 479
COP (+18)
5,2
COP (+12)
4,5
COP (+2)
кВт·год/ рік
Вироблена енергія на рік EER
157 200
кВт·год/ рік
3,22
2,92
Витрачена енергія
42 242
Витрачена енергія на місяць
(6 місяців
опалювальний період) Грошові витрати Сумарні грошові витрати в рік
кВт·год/ рік
7 040
кВт·год/міс.
107 535
грн./ рік
Витрачена енергія Витрачена енергія на місяць (6 місяців) Грошові витрати
231 814
48 820
кВт·год/ рік
8 137
кВт·год/міс.
124 279
грн./ рік
грн./ рік
Таблиця №4. Електричний котел - єдине джерело тепла, чиллер - джерело холоду Опалення Вироблена енергія на рік ККД
Кондиціонування 206 479
кВт·год/ рік
0,98
Вироблена енергія на рік EER
Витрачена енергія (ККД 98%)
210 693
кВт·год/ рік
Грошові витрати
536 355
грн./ год
Витрачена енергія
157 200
кВт·год/ рік
2,2 71 455
кВт·год/ рік
181 900
грн./ год
Сумарні грошові витрати в рік
718 255
грн./ рік
Сумарні грошові витрати в рік пропонованої установки
718 255
грн./ рік
Грошові витрати
Змонтований тепловий насос System Zero першого в східній Європі
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
16
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ ГРУНТОВІ ТЕПЛОВІ НАСОСИ WATERFURNACE НА ПІДПРИЄМСТВАХ СОЦІАЛЬНОЇ СФЕРИ Вегера Юрій Георгійович директор ТОВ «Стала енергія»
Компанія «Стала енергія», що є офіційним представником в Україні американських теплових насосів WaterFurnace, має добрий досвід реалізації проектів як у комерційному секторі, так і для бюджетних установ - медичних закладів, санаторіїв, спортивних шкіл, басейнів, дитсадків. Цікаве технічне рішення: джерело тепла – вода з технічного трубопроводу Нещодавно Компанія «Стала енергія» реалізувала економічно ефективний і цікавий з технічного погляду проект для підприємства соціальної сфери – на комунальному підприємстві «Стрийтеплоенерго» встановлена унікальна система приготування гарячої води з допомогою теплових насосів для Стрийської районної лікарні. Про особливості цього проекту, його економічні переваги і соціальне значення розповідає директор Компанії «Стала енергія» Юрій Георгійович Вегера: Унікальність системи полягає в тому, що джерелом тепла для теплових насосів є вода з технічного трубопроводу. Тепло відбирається шляхом перекачування цієї води через теплообмінник і скидання охолодженої води у водопровідну мережу. Оскільки у системі не застосовано геотермального контуру і буріння, це дозволило здешевити капітальні витрати майже вдвічі. В результаті термін окупності системи склав близько 3 років. Цей проект є вдалим прикладом співпраці з комунальними підприємствами – «Стрийтеплоенерго» та «Стрийводоканал». Керівники цих підприємств об’єднали зусилля і ресурси, щоб створити надзвичайну ефективну систему гарячого водопостачання лікарні зі значною економією капітальних видатків. Економічний ефект: зменшення витрат на гаряче водопостачання втричі.
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
Соціальний аспект: лікарня отримала можливість цілодобової подачі гарячої води.
Ключові переваги реалізації проекту: • цілодобове забезпечення лікарні гарячою водою; • впр ов а д ження д жер е л ві днов люв а льної енергетики; • відмова від використання природного газу; • незалежність у постачанні гарячої води; • використання екологічно чистого та безпечного джерела теплової енергії; • економія коштів на енергоносії втричі; • економія капіталовкладень вдвічі. Компанія «Стала енергія» представляє на українському ринку американські теплові насоси насоси WaterFurnace від 6 до 150 кВт. Завдяки встановленню системи опалення на основі геотермального теплового насоса Ви зможете не лише зберегти частинку природних ресурсів, але й, в майбутньому, економити найбільш вагомий ресурс – свій час, адже теплові насоси WaterFurnace потребують мінімального обслуговування та не вимагають постійного втручання у свою роботу. Інвестиції у нове устаткування принесуть суттєву користь насамперед Вам та Вашому підприємству, а також навколишній природі і суспільству.
ТЕПЛОВІ
НАСОСИ В УКРАЇНІ
17
Е КСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ТЕХНІЧНІ РІШЕННЯ АНАЛІЗ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ КОМПЛЕКСНОЇ МОДЕРНІЗАЦІЇ ТИПОВОЇ РАДІАТОРНОЇ СИСТЕМИ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ БУДІВЛІ НА БАЗІ АВТОНОМНОГО ВИКОРИСТАННЯ ТЕПЛОВОГО НАСОСУ ТИПУ «ПОВІТРЯ-ВОДА» Басок Б. І., чл.-кор. ІТТФ НАН України Недбайло О.М., докт. техн. наук ІТТФ НАН України Тутова О.В., мол. наук. співробітник ІТТФ НАН України Теплопостачання та кондиціонування приміщень будинків і споруд різного призначення на основі технологій із використанням ТН є найбільш поширеним у світовій відновлювальній енергетиці. Такі системи характеризуються високою енергетичною та економічною ефективністю, автономністю від теплопостачальних мереж, а також екологічною безпекою технології та обладнання, що використовуються. Значна кількість країн Європейського Союзу вже відмовились від централізованого теплопостачання в комунальній енергетиці, тільки за останній 2017 рік їх теплонасосний ринок виріс на 12% або на майже на 1 мільйон одиниць, а сумарно по всім країнам ЕС встановлено вже більше 10 мільйонів теплових насосів. Це 333 ГВт потужності, 165 ТВт·год виробленої корисної теплової енергії, 27,1 Мт збережених викидів СО2 та 135 ТВт·год зекономленої кінцевої енергії. Оновленою Енергетичною стратегією України на період до 2035 року передбачено стале розширення використання всіх видів відновлюваної енергетики, переведення споживачів тепла на автономне та/або індивідуальне опалення, де це є економічно доцільним. Прогнозується зростання частки відновлюваної енергетики до рівня 25% від загального первинного постачання енергії до 2035 року. При реалізації такої стратегії в теплопостачанні велику роль може відіграти здійснення відповідного розвитку ефективно діючих теплонасосних систем. В Інституті технічної теплофізики НАНУ впроваджено ряд проектів, що мають за мету скорочення споживання теплової енергії на потреби опалення адміністративних будівель. Серед таких проектів
– розробка та встановлення індивідуального теплового пункту (ІТП) оригінальної конструкції, модернізація частини системи опалення корпусу №1 з встановленням теплового насоса типу «повітрявода» та ін. Розроблена технологія модернізації типової системи теплопостачання будівлі на базі автономного використання теплового насосу типу «повітря-вода» передбачає заміщення (повністю або частково) системи централізованого теплозабезпечення будівлі системою автономного теплопостачанням з використанням низькопотенційної теплоти повітря, що при масовому впровадженні призводить до часткового зменшення теплового навантаження на магістральні теплові мережі, а відтак і до зменшення тепловтрат при транспортуванні теплової енергії від об’єктів, що генерують теплову енергію, до кінцевого споживача та економії первинних енергоресурсів, що є найголовнішим завданням для сучасної теплоенергетики. Проект відповідає пріоритетним напрямкам розвитку науки і техніки України, що визначені Законом України № 2519-VI від 9.09.2010 р «Технології використання нових видів палива, скидних енергоресурсів, відновлюваних та альтернативних джерел енергії. Теплонасосні технології». Результати виконання проекту можуть бути використані для впровадження індивідуальних теплових пунктів різної потужності для: • орг анізаці ї ав т омат ичног о р ег улювання теплопостачання будівлі за наперед заданим алгоритмом; • енергоефективного розподілу і споживання теплоти;
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
18
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ
• зменшення енергоспоживання і поліпшення екологічного стану навколишнього середовища; • підтримання у будинках комфортних умов проживання; • автономного вироблення теплової енергії незалежно від теплових розподільних мереж, у тому числі в умовах пільгового нічного електропостачання, с використанням низькопотенційної теплоти атмосферного повітря.
1 – клапани балансувальні; 2 – барботажний сепаратор; 3 – насоси циркуляційні; 4 – фільтри сітчасті; 5 – баки розширювальні мембранні; 6 – повітряспускники; 7 – тепловий насос «повітря-рідина» (ТН); 8 – лічильник теплоти; 9 – радіатор системи опалення; 10 – манометр; 11 - пластинчатий теплообмінник, 12 – датчики температури; 13 – електричний котел; 14 – датчик тиску, 15 – бак-акумулятор; ІТП – індивідуальний тепловий пункт.
Основні результати Опис та принципова схема експериментальної установки. Модернізація системи опалення адміністративного корпусу №1 ІТТФ НАН України здійснена шляхом відключення частини системи опалення будівлі за допомогою запірної арматури від системи централізованого теплопостачання і встановлення ТН IVT Optima 1700 типу «повітря-рідина» максимальною тепловою потужністю 16 кВт для покриття теплових втрат частини будівлі.
Комплексні експериментальні випробування установки Експериментальні дослідження, які проводились протягом опалювального періоду 2016 - 2017 рр. при використанні різних режимів роботи системи теплопостачання частини адміністративної будівлі з викорис танням ТН «повітря-вода» в різних режимах експлуатації наведені у статі. Тривалість дослідження одного з режимів становила в середньому 15 діб.
Модернізована система може працювати як від індивідуального теплового пункту, використовуючи теплоносій від районної котельні або ТЕЦ, так і від ТН, використовуючи електроенергію з місцевої мережі для приводу компресора та відновлювальну теплоту повітря. На рис. 1 представлена принципова гідравлічна схема модернізації існуючої централізованої системи опалення триповерхової адміністративної будівлі корпусу №1 ІТТФ НАН України з використанням ТН «повітря-вода» максимальною потужністю 16 кВт. Трубна обв’язка з приладами вимірювання, контролю та автоматики розміщена у виставковій залі інституту.
За допомогою вимірювального комплексу визначалися і фіксувалися в автоматичному режимі в реальному часі з інтервалами від однієї до двадцяти хвилин всі основні параметри теплопостачання: температура теплоносія в подавальному та зворотному трубопроводах системи централізованого теплопостачання корпусу №1 ІТТФ, температура теплоносія в подавальному та зворотному трубопроводах контуру ТН, температура теплоносія в подавальному та зворотному трубопроводах системи опалення, температура повітря в контрольному приміщенні та навколишнього середовища, витрати теплоносія в кожному з контурів. Регулювання параметрів роботи ТН здійснювалось за допомогою датчиків температури теплоносія в зворотному трубопроводі контуру ТН та зовнішнього повітря. Для детального аналізу обирались часові проміжки роботи системи теплопостачання, при яких температура навколишнього повітря мало змінювалась і процес теплообміну через огороджувальні конструкції будівлі був квазістаціонарним.
На рис. 2 приведені експериментальні дані, що були отримані 24.01.2017 р. з 05-00 до 11-00. Система Рис. 1 – Принципова гідравлічна схема системи тепло- теплопостачання на основі ТН працювала у режимі постачання на основі теплового насоса «повітря-рідина» опалення 4-х стояків корпусу №1, піковий електричний котел був вимкнений.
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
ТЕПЛОВІ
НАСОСИ В УКРАЇНІ
19
Рис. 2 - Залежності значень температури внутрішнього повітря та теплоносіїв у контурах системи теплопостачання частини адміністративної будівлі 24.01.2017 р.
Рис. 3 – Залежності значень температури внутрішнього повітря та теплоносіїв у контурах системи теплопостачання частини адміністративної будівлі 25.02.2017 р
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
20
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ
Витрати теплоносіїв складали: • в системі централізованого теплопостачання G1=1,1 - 1,3 м3/год.; • в контурі теплового насоса GТН=1,2 м3/год.; • в системі опалення GСО=1,4 м3/год. Як видно з рис. 2, ТН працює з інтервалом ввімкнення/вимкнення близько 4 год., що вказує на його покриття номінального теплового навантаження на систему теплопостачання. Температура теплоносія, що подається в систему опалення в середньому на 0,50С нижча, ніж температура зворотного теплоносія контуру ТН. Це вказує на недостатність наявної поверхні теплообміну поміж контурами. Температура зовнішнього повітря коливалась від -7,70С до -7,10С. Температура внутрішнього повітря коливалась в межах 19,0 ± 0,50С. На основі отриманих експериментальних даних був розрахований коефіцієнт перетворення енергії ТН для вищевказаного режиму роботи системи теплопостачання, який склав СОР1=1,6.
На основі отриманих експериментальних даних був розрахований коефіцієнт перетворення енергії ТН для вищевказаного режиму роботи системи теплопостачання, який склав СОР2=1,62. Незначне зростання коефіцієнта СОР2 пояснюється збільшенням температури зовнішнього повітря. На рис. 4 приведені експериментальні дані, що були отримані 04.03.2017 р. з 12-00 до 18-00. Система теплопостачання на основі ТН працювала у режимі опалення 6-ти стояків корпусу №1, піковий електричний котел був вимкнений. Витрати теплоносіїв склали: • в системі централізованого теплопостачання G1=0,9 - 1,2 м3/год.; • в контурі теплового насоса GТН=0,75 м3/год.; • в системі опалення GСО=2,1 м3/год.
На рис. 3 приведені експериментальні дані, що були отримані 25.02.2017 р. з 17-00 до 23-00. Система теплопостачання на основі ТН працювала у режимі опалення 4-х стояків корпусу №1, піковий електричний котел догрівав теплоносій контуру системи опалення корпусу.
Інтервал роботи ТН в такому режимі зменшився і період ввімкнення/вимкнення склав 45 хв. В цьому режимі роботи, температура теплоносія, що подається в систему опалення, в середньому, на 5,00С вища, ніж температура зворотного теплоносія контуру ТН за рахунок зменшення теплових втрат будівлі та збільшення витрати теплоносія в системі опалення. Температура зовнішнього повітря коливалась від 6,10С до 6,50С. Температура внутрішнього повітря підвищилась до 22,80С.
Витрати теплоносіїв складали: • в системі централізованого теплопостачання G1=1,2 - 1,3 м3/год.; • в контурі теплового насоса GТН=0,95 м3/год.; • в системі опалення GСО=1,75 м3/год.
В такому режимі роботи обмерзання поверхні випарника відбувається майже в кожному циклі роботи ТН, що негативно впливає на його ресурс роботи, і зменшує показник надійності всієї системи теплопостачання.
Інтервал роботи ТН в такому режимі зменшився, і період ввімкнення/вимкнення склав 1,5 год. В цьому режимі роботи температура теплоносія, що подається в систему опалення, в середньому, на 3,0 3,50С вища, ніж температура зворотного теплоносія контуру ТН за рахунок роботи електричного котла. Температура зовнішнього повітря коливалась від -5,30С до -4,10С. Температура внутрішнього повітря мала значення 19,50С.
На основі отриманих експериментальних даних був розрахований коефіцієнт перетворення енергії ТН для вищевказаного режиму роботи системи теплопостачання, який склав СОР3=1,94. Відносна похибка в діапазоні вимірюваних величин не перевищує 3,9%.
О 20-15 та 22-40 спостерігається різке зниження температури подавального теплоносія контуру ТН, що пояснюється обмерзанням зовнішньої поверхні випарника ТН із наступним реверсивним автоматичним розморожуванням.
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
Розрахунковий економічний ефект від встановлення теплового насосу потужністю 16 кВт в будівлі з максимальними тепловтратами 208 кВт наведено у статті. За опалювальний період середня економія теплової енергії при встановленні теплового насосу потужністю 16 кВт, в адміністративній будівлі, становить близько 15%.
ТЕПЛОВІ
НАСОСИ В УКРАЇНІ
21
Рис. 4 – Залежності значень температури внутрішнього повітря та теплоносіїв у контурах системи теплопостачання частини адміністративної будівлі 04.03.2017 р.
Висновок Комплексна модернізація системи теплопостачання адміністративного корпусу, створення експериментальної установки теплопостачання на базі існуючої системи опалення корпусу розробляється для апробації та подальшого вивчення енергоощадних технологій з використанням альтернативних джерел енергії та різних технологічних схем в системі опалення будівель та споруд, проведення комплексних експериментальних випробувань установки, відпрацювання оптимальних режимів та видачі рекомендацій щодо подальшої експлуатації. Приведені розрахунки доводять, що встановлення теплового насосу в існуючу систему опалення будівлі може бути доцільно.
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
22
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ
ТРИВИМІРНА МОДЕЛЬ ТЕПЛОПЕРЕНОСУ В СИСТЕМІ «ҐРУНТ - ГОРИЗОНТАЛЬНИЙ ҐРУНТОВИЙ ТЕПЛООБМІННИК – ТЕПЛОНОСІЙ» Басок Б. І., чл.-кор. ІТТФ НАН України Ткаченко М.В., канд. техн. наук ІТТФ НАН України Недбайло О.М., докт. техн. наук ІТТФ НАН України
Давиденко Б.В., докт. техн. наук ІТТФ НАН України Божко І.К., канд. техн. наук ІТТФ НАН України Мороз М.В, мол. наук. співробітник ІТТФ НАН України
На основі тривимірної моделі переносу теплоти в системі «ґрунтовий масив - горизонтальний ґрунтовий теплообмінник - теплоносій» проведено чисельний аналіз нестаціонарного теплообміну в горизонтальних багатопетлевих трубних системах. За результатами розрахункових досліджень знайдено залежності від часу температури теплоносія на виході з горизонтального ґрунтового колектора та теплового потоку, що надійшов до теплоносія від грунтового масиву в умовах періодичного режиму роботи теплонасосної системи. Результати розрахунків за даною моделлю порівнюються з даними експериментальних досліджень.
потенціалом, що дозволяє досягти високого, середнього за опалювальний період, значення коефіцієнта перетворення енергії (СОР ≥ 3,0). Для теплонасосних систем теплопостачання застосовуються два основних типи ґрунтових теплообмінників – горизонтальної або вертикальної орієнтації.
Для оцінки ефективності роботи горизонтального колектора теплоти застосовується величина лінійного коефіцієнта теплопередачі, що розраховується як відношення кількості теплоти, підведеної від ґрунтового масиву до теплоносія за одиницю часу, до довжини трубопроводу і різниці між температурою ґрунту на границі розрахункової області і температурою теплоносія на вході в колектор. Результати розрахунків показують, що лінійний коефіцієнт теплопередачі зростає зі збільшенням витрат теплоносія і зменшується зі збільшенням товщини стінки труби. У відповідності до вимог Енергетичної стратегії України на період до 2030р., що розроблена Міністерством енергетики та вугільної промисловості України, все більшої актуальності набувають розробка та впровадження високое-фективних теплонасосних систем теплопостачання на основі відновлюваних джерел енергії. Важливим кроком при розробці теплонасосної системи теплопостачання є вибір типу теплового насоса. Дослідження показують, що для І-ї кліматичної зони України доцільно використовувати теплові насоси типу «ґрунт – вода». Це пояснюється тим, що шари ґрунту, розташовані нижче глибини промерзання, мають стабільну температуру, близьку до +8 0С. Таким чином, тепловий насос використовує джерело низькопотенційної теплоти з практично постійним
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
При використанні горизонтальних ґрунтових теплообмінників неглибоко-го залягання основною проблемою є відсутність вітчизняних стандартизованих методик розрахунку їх теплотехнічних характеристик. Таким чином, на даний момент такі теплообмінники проектують та впроваджують без теплофізичного обґрунтування їх оптимальних робочих параметрів. Об’єкт дослідження. Об’єктом дослідження є нестаціонарні процеси теп-лопереносу в грунтовому масиві при роботі горизонтального ґрунтового колектора неглибокого залягання в складі теплонасосної системи теплопостачання експериментальної лабораторії. Горизонтальний ґрунтовий колектор розташований на глибині 1,65 м на території ІТТФ НАН України. Загальна довжина труби колектора 269 м. Внутрішній діаметр поліетиленової труби dвн=0,028 м. Товщина стінки труби δ=0,002 м. Теплоносій – 30% водяний розчин пропіленгліколю. Витрата теплоносія G=0,756 м3/год. Мета дослідження. Мета дослідження – вдосконалення існуючих та ство-рення нової методики розрахунку основних параметрів горизонтальних ґрунтових теплообмінників (акумуляторів) неглибокого залягання, яка дає можливість розрахувати оптимальну конструкцію та гідравлічний режим роботи теплообмінника в залежності від типу ґрунту, потужності теплового насоса, доступної глибини залягання та кліматичної зони. Аналіз існуючих рішень проблеми. Грунт вважається одним з найбільш доступних джерел низькопотенційної теплоти. В літературі широко розглядаються
ТЕПЛОВІ принципові конструкції горизонтальних ґрунтових теплообмінників. Ґрунтове акумулювання теплоти здійснюється різними трубними системами, що розташовані в ґрунті, по яких циркулює проміжний теплоносій – зазвичай водний розчин пропіленгліколя, що нагрівається сонячними колекторами (в разі акумулювання теплової енергії) або охолоджується в тепловому насосі (при вилученні). Широке застосування знайшли горизонтальні ґрунтові теплообмінники різних форм, а також вертикальні теплообмінники типу «труба в трубі» (коаксіальні), U-подібні (одно та багатопетльові) та об’ємні. Для розрахунку ґрунтових акумуляторів теплоти в інженерній практиці за-звичай застосовуються методики, що розроблені для вертикального ґрунтового теплообмінника. Дані методики в свою чергу засновані на розв’язанні задачі для лінійного джерела теплоти з постійною лінійною густиною теплового потоку. Аналітичне рішення такої задачі має вигляд нескінченного ряду і пов’язане з великою кількістю обмежень. У роботах представлено результати чисельного розв’язання рівняння теплопровідності для аналізу процесів акумулювання теплоти. В роботі наведено результати моделювання процесів теплообміну в ґрунті при відборі теплоти вертикальним ґрунтовим теплообмінником. Модель описує стаціонарний розподіл температури в ґрунті для будь-яких умов. Розв’язання задачі отримано чисельним методом. Чисельні методи застосовуються також в роботах для розрахунків ґрунтових акумуляторів теплоти. Зазавичай аналіз роботи грунтових теплообмінників виконується за результатами розв’язання рівняння теплопровідності (1)
з відповідними початковими і граничними умовами, що і є фізико-математичним формулюванням задачі ґрунтового акумулювання або вилучення теплоти. Складність в одержанні розв’язання цієї задачі полягає в тому, що процеси теплопровідності протікають в напівобмеженому просторі грутнового масиву. Для аналітичного розв’язання цієї задачі навіть при її максимальному спрощенні необхідно застосовувати надто громіздкий математичний апарат.
НАСОСИ В УКРАЇНІ
23
Складності в розв’язанні задач акумулювання або вилучення теплоти з грунту пов’язані також з характером зміни у часі граничних умов. При акумулюванні сонячної енергії (в літній період), робота сонячних колекторів залежить від кліматичних, метеорологічних і географічних чинників. Інтенсивність джерела теплової енергії має періодичний харакетр зміні у часі впродовж кожного дня. Побудова коректних фізичної та матерматичної моделей таких явищ і їх вплив на процеси акумулювання є досить складною і недостатньо дослідженою проблемою. Таким чином, для вирішення задач ґрунтового акумулювання або вилучення теплоти з грунту мають застосовуватися чисельні методів, або комбіновані чисельно- аналітичні методи. Слід також зазначити, що в літературі немає чітких рекомендацій, або методик для розрахунку та підбору того чи іншого варіанту конструкції теплообмінника в залежності від типу ґрунту, кроку між осями сусідніх труб, протяжністю (або глибиною) теплообмінника. В літературі також недостатньо інформації щодо експериментальних досліджень роботи ґрунтових теплообмінників. Ряд робіт присвячено, в основному, теоретичним дослідженням та математичному моделюванню роботи «холодного» контуру теплового насоса. При цьому розглядаються моделі, які орієнтовані на деякі (найбільш розповсюджені) конструкції теплообмінників та прив’язані до теплофізичних параметрів ґрунтів, які рідко зустрічається на території України. Постановка задачі дослідження. Тривимірна чисельна модель температурного стану ґрунтового масиву при роботі ґрунтового колектора розглядається в розрахунковій області, що має форму прямокутного паралелепі-педа зі сторонами xmax=17 м; ymax= 34 м; zmax= 7 м. На глибині h= 1,65 м розглянутої області розташовується горизонтальний плоский трубчастий змієвиковий теплообмінник (ґрунтовий колектор) з циркулюючим теплоносієм. Значення xmax, ymax і zmax вибираються так, щоб процеси теплопереносу до ґрунтового колектора мінімально впливали на температурні умови на границях розрахункової області. Температурне поле ґрунтового масиву описується рівнянням теплопровідності (2)
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
24
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ
де x; y; z – прямокутні координати (-z max≤ z≤ 0); τ – час; - температура грутнового масиву -теплоємність, теплопровідність та густина грунту відповідно.
розташований в розглянутій розрахунковій області, буде «відбирати» теплоту лише у тієї частині ґрунтового масиву, яка обмежена розрахунковою областю. При цьому розв’язання задачі теплопереносу відповідатиме умові найбільш інтенсивного охолодження даної обмеженої ділянки ґрунтового масиву.
Для розв’язання цього рівняння на поверхні ґрунту (z = 0) задаються граничні умови, що залежать від кліматичних характеристик місцевості і ряду метеорологічних факторів. У загальному випадку це можуть бути умови третього роду. Такі умови відображають характер теплової взаємодії ґрунту з повітряним середовищем, температура якого постійно змінюється. У природних умовах коливання температури зовнішнього повітря, а також інтенсивності радіаційного теплообміну, призводять до зміни не тільки температури поверхні ґрунту T0 (τ, 0), а й до змін закону розподілу температури по його глибині T0 (τ, z). Але зазначені зміни спостерігаються лише до певної глибини, нижче якої температуру ґрунту можна вважати постійною (однаковою). Якщо межа розрахункової області виявляється нижче вказаного рівня, то умови на нижній межі (z = -zmax) можуть наближено вважатися умовами теплоізоляції (3)
Рівняння теплопровідності (2) з відповідними граничними умовами розвязується методом скінчених різниць. Чисельне розв’язання нестаціонарної задачі теплопереносу в ґрунтовому масиві при працюючому ґрунтовому колекторі ускладнюється внаслідок необхідності використання розрахункової сітки з крупними кроками для задачі теплопереносу в ґрунтовому масиві і дрібної сітки для розрахунку течії та теплопереносу в каналі колектора. У зв’язку з цим для складання спрощеної розрахункової схеми застосовується ряд припущень. Реальна конфігурація горизонтального ґрунтового теплообмінника замінюється системою окремих трубчастих сегментів, розташованих один до іншого під прямим кутом (рис 1). Осі зазначених сегментів вважаються паралельними горизонтальним осям координат. Вхід теплоносія в колектор і вихід з нього визначаються координатами точок перетину осей першого і останнього сегментів ґрунтового колектора з граничною площиною (y = 0), які мають значення x = xвх, z = -h (вхід) і x = xвих, z = -h (вихід).
На інших границях розрахункової області задаються умови, що відповіда-ють температурному режиму ґрунтового масиву при відсутності колектора. Якщо теплоперенос в масиві, що пов’язаний з роботою колектора, відсутній, то розподіли температури в горизонтальних перетинах масиву будуть рівномірними. Це означає, що частинні похідні від температури Tг по змінним x або y будуть дорівнювати нулю. Можна припустити, що зазначені умови приблизно виконуються на бічних границях розрахункової області при роботі колектора, якщо ці границі достатньо віддалені від його крайніх сегментів. В цьому випадку (4)
Вважається, що течія теплоносія в каналі – ламінарна, а профіль її швидкості – параболічний у всіх його перетинах. Деформація профілю швидкості на ділянках поворотів каналу не враховується. Передбачається також, що температура на зовнішній поверхні стінки циліндричного каналу (R = R1) рівномірно розподілена по периметрах кіл його нормальних перетинів і змінюється лише по довжині каналу, а профілі температури в каналі – симетричні щодо його осі.
Граничним умовам (3), (4) для рівняння теплопереносу в ґрунтовому ма-сиві (2) відповідає умова відсутності надходження теплоти в розрахункову об-ласть з боку ділянок ґрунтового масиву, розташованих за її межами. Іншими словами, колектор,
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
Теплофізичні властивості теплоносія і ґрунту вважаються постійними. Початкові умови для поставленої задачі задаються у вигляді Tг (0, z, y, x) = T0 (0, z). Функція T0 (0, z) характеризує розподіл температури по глибині ґрунто-вого масиву в момент початку експлуатації колектора (τ = 0). Температура теплоносія в каналі колектора, а також температура його стінок, вважаються при τ = 0 такою, що дорівнює температурі ґрунту на глибині z = -h. Рівняння теплопровідності
ТЕПЛОВІ
НАСОСИ В УКРАЇНІ
25
для ґрунтового масиву (зовнішня задача) і рівняння теплопереносу в каналі (внутрішня задача) розв’язуються окремо. Узгодження цих розв’язань здійснюється шляхом використання умов спряження, що задаються на внутрішній і зовнішній поверхнях стінок каналу. Алгоритм чисельного розв’язання цієї задачі докладно описано в роботі. Результати досліджень. Нижче приводяться результати розрахунків температурного стану горизонтального ґрунтового колектора. На рис. 2 наведено зміну у часі температури теплоносія на вході в колектор (а), температури теплоносія на виході з колектора (б) та сумарного теплового потоку, що надходить до теплоносія з боку ґрунтового масиву (в).
Рис. 1. Горизонтальний переріз розрахункової області на глибині залягання ґрунтового колектора (z=1,65 м)
а)
б)
в) Рис. 2. Зміна за період τ = 24…36 годин: а) температури теплоносія на вході в колектор (експеримент); б) температури теплоносія на виході з колектора (червоним – експеримент, чорним – розрахунок); в) теплового потоку, який надійшов до теплоносія (розрахунок) Температура теплоносія на вході в колектор (рис. 2а) визначається з експе-рименту та задається як вихідна умова для розв’язання задачі теплопереносу. Температура теплоносія на виході з колектора визначається за результатами розв’язання спряженої задачі теплопереносу в грунтовому масиві та в каналі ко-лектора. Її значення порівнюється з даними експериментальних досліджень, що отримані за допомогою вимірювального комплексу. При роботі теплового насоса у поєднанні з горизонтальним ґрунтовим колектором температура теплоносія на вході та виході з колектора постійно змінюється. Це є наслідком періодичної роботи теплового насосу. Температура теплоносія на вході в колектор регулюється автоматично за даними вимірювання температури повітря в приміщенні. Як видно з рис. 2, результати розрахунків температури на виході з колектора задовільно узгоджуються з експериментальними даними. З цього можна зробити висновок, що дана модель працює адекватно і її можливо використовувати для розрахунків горизонтальних ґрунтових колекторів неглибокого залягання. З рис. 2 також видно, що значення теплового потоку Q, який надходить від ґрунтового масиву до теплоносія, також суттєво змінюється у часі. Максимальне значення теплового потоку складає ~ 4 кВт. Від’ємні значення Q відповідають умовам відключення теплового насосу, за яких температура теплоносія починає перевищувати температуру
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
26
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ
шарів ґрунту, що були охолоджені під час роботи теплового насосу.
Рис. 3. Залежність лінійного коефіцієнта теплопередачі горизонтального ґрунтового колектора теплоти від витрати теплоносія і товщини стінки труби: 1 - δ = 1 мм; 2 - δ = 2 мм; 3 - δ = 3 мм. Оцінка ефективності роботи горизонтального колектора може бути виконана за величиною лінійного коефіцієнта теплопередачі даного колектора. Зазначена величина визначається з рішення представленої вище задачі в умовах стаціонарного теплообміну. Вважається, що температура теплоносія на вході в колектор – постійна. Температура ґрунту на границях розрахункової області також постійна у часі і рівномірно розподілена по гранях розрахункової області. Лінійний коефіцієнт теплопередачі K розраховується як відношення кількості теплоти, підведеної до теплоносія від ґрунту
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
за одиницю часу, до довжини трубопроводу і до різниці між температурою ґрунту на границі розрахункової області і температурою теплоносія на вході в колектор. Залежність зазначеної величини від витрати теплоносія і товщини стінок труби представлено на рис. 3. Як видно з графіків, лінійний коефіцієнт теплопередачі зростає зі збільшенням витрат теплоносія і зменшується зі збільшенням товщини стінки труби. Висновки. 1. Результати розрахунків за наведеною моделлю, що описує роботу ґрунтового горизонтального колектора, задовільно узгоджуються з експериментальними даними. Це свідчить про можливість її використання для моделювання роботи горизонтальних ґрунтових теплообмінників даної конструкції в ґрунтах з різною геологією. 2. За результатами чисельного моделювання встановлено незначний вплив товщини стінки труби колектора на його теплотехнічні характеристики. Визначальним для вибору товщини трубопроводу є робочий тиск теплоносія. 3. Максимальна пот ужніс ть горизонтального колектора теплоти за зрозглянутих періодичних умов роботи теплонасосної системи досягає 4 кВт. Відповідна середня розрахункова потужність колектора теплоти складає 28 Вт з одного погонного метра трубопроводу, що задовільно узголдується з експериментальними даними.
ТЕПЛОВІ
НАСОСИ В УКРАЇНІ
27
ТЕПЛОВІ НАСОСИ ВЕЛИКОЇ ПОТУЖНОСТІ ПІДВИЩЕННЯ ЕКОНОМІЧНОСТІ ТА ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ НА ТЕЦ ЗА РАХУНОК ВПРОВАДЖЕННЯ ТЕПЛОВИХ НАСОСІВ Уланов М.М., канд.тех наук ІТТФ НАН України В більшості міст України основною системою опалення та гарячого водопостачання залишається система централізованого теплопостачання, яка складається з теплоелектричних централей (ТЕЦ), районних котелень та мережі теплоізольованих трубопроводів, по яким розподіляється отримане тепло серед мешканців міста. На сьогоднішній день система централізованого теплопостачання отримала широке розповсюдження та має достатньо велику долю у забезпеченні тепловою енергією в таких країнах, як Латвія – 65%, Данія 63%. Польща – 53%, Україна – 52%, Беларусь 50%, Фінляндія – 50%, Словаччина - 40% та ряді інших країн. В цілому в країнах Європейського союзу доля системи централізованого теплопостачання складає 13% і планується довести її до 50% до 2050 року, що свідчить про її економічну доцільност використання, як з точки зору генерації теплової енергії, так і з точки зору кінцевого споживача – отримання якісних послуг за мінімальною ціною.
Зараз в Україні працюють біля 27 ТЕЦ, які мають сумарну електричну потужність 4 046,45 МВт. З одного боку, з ростом цін на енергоносії у тому числі на природній газ, призводить до щорічного зростання заборгованості населення за отримані комунальні послуги, а з другого боку на існуючих ТЕЦ до 45 – 55% енергії палива скидається в оточуюче середовище через систему оборотного водопостачання. Здебільше, температура циркуляційної води складає +18 – 380С на протязі всього року, а її витрати сягають 15 000 – 28 000 м3/год і вона не може бути використана безпосередньо, тому її охолоджують за допомогою градирень або природніх водойм-охолоджувачів, що призводить до теплового забруднення оточуючого середовища та безповоротних втрат води.
У відповідності до Директиви 2012/27/ЄС «Про енергоефективність» система централізованого теплопостачання вважається ефективною, якщо вона використовує мінімум 50% відновлювальної енергії або 50% скидного тепла підприємств та побутових стоків, або 75% тепла від когенерації, або 50% комбінації джерел, що були перераховані вище. Одним з ефективних засобом використання первинної енергії викопного палива у світі є одночасне виробництво електричної енергії та тепла за допомогою теплоелектричних централей, які інтегровані у систему централізованого теплопостачання.
Рис. 1. Ріст заборгованості населення за спожиті комунальні послуги млрд. грн, ріст заборгованості за останній рік склав 72% (з 01.01.2018 р. по 01.01.2019 р. згідно даних Державної служби статистики України)
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
28
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ
При світовій тенденції економії паливних ресурсів використання скидного тепла з градирень є найбільш доцільним завданням для систем централізованого теплопостачання. Використання теплових насосів на ТЕЦ вигідно не тільки з технологічної точки зору (покращується вакуум в конденсаторі парової турбіни і як наслідок підвищується виробництво електричної енергії), а і з економічної (реальна економія дорогого викопного палива, зокрема природнього газу або підвищення теплової потужності ТЕЦ без додаткових витрат на паливо).
• приріст електричної потужності (на 6 – 10%) від установленої потужності теплофікаційної турбіни без витрат палива на цій приріст; • приріст теплової потужності на величину утилізованої теплоти, яка раніше скидалася в систему охолодження технічної води; • зростання опалювального навантаження (на 15 – 20%) при тих же витратах первинної мережевої води та зниження дефіциту у мережевій воді на централізованих теплових пунктах у віддалених від ТЕЦ мікрорайонах; • поява резервного джерела для покриття пікових теплових навантажень.
Найбільший інтерес на ТЕЦ представляє використання в якості низькопотенційного джерела тепла для теплових насосів скидної теплоти циркуляційної води після конденсатора парової турбіни (яке йде у градирні для охолодження) та передача отриманого тепла в існуючу систему централізованого опалення.
Пряме використання тепла технічної води, що охолоджує конденсатори парових турбін ТЕЦ в якості джерела низькопотенціального тепла для теплових насосів замість існуючих градирень дає можливість повернути більшу частину цієї скидної теплоти у теплову схему станції (біля 50 – 60%).
Як відомо, економія (заміщення) органічного палива, у тому числі природнього газу, за допомогою теплового насосу відбувається за рахунок корисного залучення викидів низькопотенціальної теплоти на теплових електростанціях, зокрема прямим використанням охолоджуючої технічної води ТЕЦ в якості джерела низькопотенційного тепла для теплових насосів (замість або частково використовуючи існуючі градирні).
При цьому на виробництво цієї теплоти не потрібно використовувати додаткове тепло викопного палива; покращується екологічна ситуація біля станції, зокрема зменшується теплове забруднення оточуючого середовища; за рахунок пониження температури циркуляційної води у конденсаторі парової турбіни суттєво покращується вакуум і як наслідок підвищується виробництво електричної енергії з турбіни; скорочуються втрати циркуляційної води та витрати на її перекачування.
Технологічно можливо утилізувати до 45% низькопотенційного тепла при цьому забезпечується:
1 4
2 3
13
14
12
11
5
10
6
9 8
7
Рис. 2. Принципова схема роботи баштової градирні на ТЕЦ
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
1 - конденсатор; 2 - газоохолоджувачі генератора; 3 - маслоохолоджувачі турбіни; 4 - градирня; 5 - трубопровід скидний води від охолоджувачів масла і газу; 6 - водозбірний басейн градирні; 7 - трубопроводи продувки циркуляційного контуру в систему гідрозоловидалення; 8 - трубопроводи підживлення циркуляційної системи; 9 - зливні напірні трубопроводи до градирень; 10 - циркуляційні насоси; 11 - напірні трубопроводи до конденсаторів турбін; 12 - перемичка між зливними трубопроводами конденсатора; 13 - перемичка між напірними трубопроводами; 14 - підводять самопливні водоводи до циркуляційних насосів.
ТЕПЛОВІ
НАСОСИ В УКРАЇНІ
29
1 - конденсатор; 2 - газоохолоджувачі генератора; 3 - маслоохолоджувачі турбіни; 4 - теплові насоси; 5 - трубопровід скидний води від охолоджувачів масла і газу; 6 - централізована система опалення та гарячого водопостачання; 7 - трубопроводи продувки циркуляційного контуру в систему гідрозоловидалення; 8 - трубопроводи підживлення циркуляційної системи; 9 - зливні напірні трубопроводи до градирень; 10 - циркуляційні насоси; 11 - напірні трубопроводи до конденсаторів турбін; 12 - перемичка між зливними трубопроводами конденсатора; 13 - перемичка між напірними трубопроводами; 14 - підводять самопливні водоводи до циркуляційних насосів.
Рис. 3 Принципова схема використання теплових насосів на ТЕЦ замість градирень
Таблиця 1. Результати техніко-економічних розрахунків теплового насосу, що утилізує низькопотенційне тепло циркуляційної води на ТЕЦ Значення Показник
Од. виміру
Неопалювальна пора року
Опалювальна пора року
Випарник теплового насосу Середа Витрати
Циркуляційна вода
Циркуляційна вода
м3/год
1000
1000
С
37,50
18,70
С
32,15
16,05
кВт
6164
3078
Теплоносій системи ГВП
Теплоносій системи опалення
С
53
50
С
65
90
кВт
7435
4426
Температура циркуляційної води на вході до випарника
0
Температура циркуляційної води на виході з випарника
0
Холодопродуктивність Конденсатор теплового насосу Середа Температура теплоносія на вході у конденсатор (зворотна подача)
0
Температура теплоносія на виході з конденсатора (пряма подача)
0
Теплопродуктивність
СОР
охолодження
4,58
2,19
СОР
нагрівання
5,52
3,14
СОР
загальний
10,10
5,33
грн./Гкал
-
840,53
грн./м3
18,51
-
Собівартість виробництва теплової енергії Для системи опалення Гаряча вода
Існуючі тарифи для КП «Кіевтеплоенерго» Постанова №1686 від 10 грудня 2018 р. НКРЕКП Опалення Гаряча вода
грн./Гкал
-
1654,41
грн./м
97,89
-
3
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
ТЕПЛОВІ НАСОСИ В УКРАЇНІ
30
Таблиця 2. Зниження валових викидів забруднюючих речовин до атмосфери в результаті впровадження теплових насосів на ТЕЦ Забруднююча речовина
Од. виміру
Значення
Оксиди азоту (NOх)
т
14,184
Оксид вуглецю (СО)
т
54,863
Діоксид вуглецю (СО2)
т
12957,120
Оксид діазоту (N2O)
т
0,022
Метан (CH4)
т
0,221
Разом
т
13026,410
Для оцінки ефективності використання теплових насосів на ТЕЦ, було проведено розрахунки теплового насоса у технологічній схемі ТЕЦ з використанням в якості джерела низькопотенційного тепла циркуляційної води з конденсатора парової турбіни з температурою +18,70С для опалювальної пори року та +37,50С для неопалювальної пори року, що спрямовується замість градирні на випарник теплового насосу. У розрахунках прийнята питома величина витрат циркуляційної води у кількості 1000 м3/ год. Результати розрахунків наведено у таблиці 1. Показники зменшення емісії забруднюючих речовин від впровадження теплових насосів, що утилізують низькопотенційне тепло циркуляційної води у кількості 1000 м3/год на ТЕЦ визначено згідно з діючим в Україні керівним документом ГКД 34.02.305-2002 і представлено у таблиці 2.
І н ф о р м а ц і й н и й б юл ет е н ь | Тр а в е н ь 2 0 1 9
Впровадження теплонасосних технологій на діючих ТЕЦ дозволить забезпечити приріст теплогенеруючих потужностей, не збільшуючи при цьому споживання первинного викопного палива (зокрема природнього газу) з одночасним зниженням викидів забруднюючих речовин в навколишнє середовище. Найважливішою передумовою для застосування теплових насосів є величезні викиди низькопотенційного тепла, перш за все системою охолодження технічної води на ТЕЦ, які збільшуються в період зниження теплового навантаження в неопалювальний період року. Висновки Впровадження теплових насосів на ТЕЦ, що утилізують низькопотенційне тепло циркуляційної води в кількості 1000 м3/год дозволить: • додатково отримати теплову потужність на рівні - 4,4 МВт в опалювальний період року і 7,4 МВт у міжсезоння, без використання для цих цілей природного газу; • щорічно заміщати 6,67 млн. м3 природного газу; • щорічно знизити викиди парникових газів до атмосфери на 12,9 тис. т СО2-екв.; • отримати собівартість виробництва 1 м3 гарячої води у 5 разів менше, а ціну 1 Гкал у 2 рази менше за існуючі тарифи і не залежати від зростання ціни на природний газ; • стабілізувати ціну на послуги ТЕЦ за рахунок використання високоефективної та екологічно чистої технології виробництва тепла; • скоротити втрати циркуляційної води і поліпшити екологічну ситуацію навколо ТЕЦ.
Майбутнє залежить тільки від тебе
КОНТАКТИ м. Київ, Украина Email: info@unhpa.com.ua Phone: +38 (044) 227 59 50