Энергетика глазами молодых (сборник)

Сташко Василий

Концепция работы теплового насоса впервые была предложена в 1852 году сэром Уильямом Томсоном (более известным, как лорд Кельвин). Однако, патент на технологию использования низкопотенциальных источников энергии с целью получения тепловой энергии и дальнейшего ее использования был выдан в 1912 году известному швейцарскому исследователю Генриху Золи. А в 1927 году в Шотландии данный принцип впервые был применен на практике. Сконструированная теплонасосная установка (ТНУ) обеспечивала нужды жилого дома в отоплении и горячем водоснабжении, используя в качестве низкопотенциального источника энергии наружный воздух [3,4].

Использование

ТНУ позволяет обеспечить теплоснабжение и горячее водоснабжение с минимальными затратами первичной энергии, что достигается за счет высокого значения коэффициента использования теплоты .

Результаты расчета годовых эксплуатационных расходов на теплоснабжение с применением различных видов отопления приведены в таблице 2 [5], при проведении расчетов было принято, что тепловая нагрузка рассчитываемого помещения составляет 180 м², тепловая нагрузка 15 кВт, а отопительный сезон— 1700 часов в год.

Таблица 2 – Эксплуатационные затраты на теплоснабжение

Исходя из результатов расчета, приведенных в таблице 2, использование ТНУ для теплоснабжения с экономической точки зрения более целесообразно, чем применение ТЭЦ и индивидуальных газовых котельных. Это обусловлено тем, что величина годовых затрат на отопление и стоимость единицы производимой тепловой энергии, значительно меньше по сравнению с другими видами отопления.

К тому же ТН более безопасны в сравнении с индивидуальными котлами, поскольку при работе не производится сжигания топлива, а значит нет открытого огня и в воздух, не выделяются вредные смеси и газы. Узлы теплонасосной установки не нагреваются выше 90 °C, что не даст им послужить причиной возникновения пожара.

Схема работы ТН представлена на рисунке 1 [6].

Основные рабочие части ТН:

– компрессор, позволяющий создавать высокое давление;

– расширительный клапан, с помощью которого происходит переход хладагента из жидкого состояния в газообразное;

– испаритель, представляющий собой радиатор из тонких трубок, которые имеют высокую теплопроводность;

– конденсатор.

Хладагент, находящийся полностью или частично в газообразном состоянии, сжимается компрессором, что приводит к его переходу в жидкое состояние. При повышении давления он также нагревается. Далее теплоноситель попадает в конденсатор, где охлаждается и конденсируется на стенках теплообменника. Охлажденный жидкий хладагент подается в расширительный клапан, проходя через который, происходит переход его из жидкой фазы в газообразное состояние. В испарителе парообразный теплоноситель охлаждается, после чего отбирает тепловую энергию, и цикл повторяется снова.

В большинстве случаев характеристика имеющегося источника определяет его тепловые, энергетические, экономические характеристики. Основные требования к идеальному источнику тепла:

– отсутствие коррозии или загрязнений;

–  отсутствие дополнительных существенных вложений и расходов по его обслуживанию;

–  стабильная температура 0…40 °C, достаточная для эффективной работы ТН.

Рисунок 1 –

Схема работы теплового насоса

В качестве источника тепловой энергии в системах с применением ТН используют наружный и удаляемый воздух, почву, геотермальные источники, грунтовые воды. Так же ТН могут получать тепловую энергию, утилизируя энергию сбросной низкопотенциальной теплоты промышленных предприятий, что имеет большую перспективу.

Тепловые насосы более безопасны и экономичны, чем котлы на газовом или твердом топливе, поэтому широко используются в системах централизованного и индивидуального отопления и горячего водоснабжения по всему миру.

Выделяют несколько различных видов систем отопления подстанций с использованием тепловых насосов [7]:

– с подачей нагретого масла в систему отопления;

– с нагревом воды в масло-водяном теплообменнике;

– с нагревом воды с помощью теплового насоса;

– с нагревом воздуха в масло-воздушном теплообменнике;

– с непосредственным отводом нагретого воздуха от охлаждающих радиаторов;

– с нагревом воздуха в водо-воздушном теплообменнике.

Применение одной из вышеперечисленных систем отопления должно производиться в зависимости от типа, мощности, установленных на ПС силовых трансформаторов, удаленности отапливаемых помещений, а также вида теплоносителя, который планируется использовать в отопительном контуре.

На данный момент времени все чаще на подстанциях применяется схема нагрева воды с использованием теплового насоса, что обусловлено рядом преимуществ этой системы:

– не требуется реконструкции имеющейся на подстанции системы отопления. При установок на ПС системы отопления с применением теплового насоса, сохраняется возможность использования уже установленных в помещениях радиаторов водяного отопления.

– немаловажным преимуществом является тот факт, что данная система, в отличие от других систем отопления, позволяет передавать тепловую энергию потребителям, которые могут находиться на расстоянии до 1 км от подстанции.

Принцип работы данной системы следующий. Попадая в теплообменник, нагретое в процессе работы трансформатора масло передает свое тепло воде, циркулирующей в промежуточном контуре между теплообменником «масло-вода» и ТН. После чего данная тепловая энергия в испарителе поглощается фреоновым контуром теплового насоса. Далее фреон, находящийся полностью или частично в газообразном состоянии, сжимается компрессором, что приводит к его переходу в жидкость. Естественно, при повышении давления и переходе фреона из газообразного состояния в жидкое он нагревается. После чего теплоноситель попадает в конденсатор, где происходит нагрев воды, которая используется непосредственно для отопления эксплуатируемых персоналом помещений, а так же для обеспечения горячего водоснабжения.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что схема отопления помещений подстанции с применением теплового насоса позволит значительно снизить затраты ее на собственные нужды, а также позволит в купе с другими мероприятиями позволит решить проблему снижения суммарных потерь в энергосистемах и повышения эффективности их работы.

Список использованных источников:

1. Новости энергетики / Есть ли будущее у ветроэнергетики в России [Электронный ресурс]. Режим доступа:– Заглавие с экрана.