Данилов Н.И., Щелоков Я.М. Основы энергосбережения

Подождите немного. Документ загружается.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

279

ся для охлаждения. Их принцип работы является единственно возможным

Компрессор

Электродвигатель

Тепло от

источника 75%

Нагретая вода

Источник тепла

Тепло от

электродвигателя

Испаритель

Источник тепла

Конденсатор

Охлаждающий газ

-3 C/3,65 бар

Охлаждающий газ

+65 C/13,2 бар

Перепускной механизм

Значения температур и давлений соответствуют

использ

емом

охла

ающем

газ

R 290

Охлаждающий газ

-8 C/3,65 бар

Охлаждающий газ

+33 C/13,2 бар

Рис. 10.16. Диаграмма работы теплового насоса

решением этой задачи. Для обогрева тепловые насосы применялись до-

вольно редко, поэтому на потребительском рынке возникает много вопро-

сов по их использованию несмотря на их удобства и преимущества.

Тепло, требуемое большую часть года, веками получалось за счет

сжигания топлива. Сначала это был уголь, затем началось использование

нефти. В настоящее время все более широкое применение находит при-

родный газ.

Технология работы теплового насоса относительно проста. С термо-

динамической точки зрения этот способ нагревания нерационален. Однако

сегодня требуются технические новшества, чтобы отойти от пути «обыч-

ного» сжигания топлива и ввести в практику новые технологии тепло-

снабжения. В больших плотно застроенных районах, где транспортировка

тепловой энергии возможна без больших потерь, целесообразно использо-

вание центральных отопительных систем.

Тепловые насосы особенно пригодны для одно- и двухквартирных

домов, и в этом секторе начинают конкурировать с тепловыми системами,

работающими на природном топливе.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

280

В конце шестидесятых годов были сделаны первые попытки исполь-

зовать для получения полезной тепловой энергии термодинамические сис-

темы, обеспечивающее сбережение первичной электроэнергии при выра-

ботке тепла. Однако уровень цен на энергию, капитальные затраты и тех-

нические трудности сделали эти попытки безуспешными. Кризис цен на

нефть в 1973 году выявил необходимость использовать для получения теп-

ла другие источники с непрямым преобразованием электрической энергии

в тепло.

Для уяснения проблемы рассмотрим диаграммы расхода энергии. На

рис. 10.17 показано распределение энергии при использовании системы

центрального отопления, работающей на жидком топливе. Согласно ис-

следованиям, проводимым Fichtner Development Engineering с 1993 г., из

100 % сырой нефти используется как топливо для отопительных систем

только 84 % из-за расхода энергии на добычу, транспортировку и очистку.

Даже при годовом коэффициенте использования топлива 85 % только 71 %

первичной энергии будет представлять собой полезную тепловую энергию

на выходе системы отопления.

Потери энергии при

транспортировке

Потери энергии

в системе отопления

84100

Рис. 10.17. Диаграмма распределения энергии при работе системы цен-

трального отопления на жидком топливе, %

На рис. 10.18 показано распределение энергии для современных теп-

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

281

ловых насосов, которые все шире используются в новых зданиях в Герма-

нии. Электрическая энергия производится с использованием различных

первичных источников энергии на электростанциях со средним коэффици-

ентом полезного действия 36 %. Из-за расхода энергии на транспортировку

топлива только 97 % первичной энергии достигает электростанции. На вы-

ходе электростанции полезная энергия составляет 35 % первичной, и

вследствие потерь при ее транспортировке потребителем используется

только 33 %. Современные тепловые насосы с показателем эффективности

4,0 увеличивают выход полезной энергии до 133 % от первичной. Даже для

показателя эффективности теплового насоса 3,0 все потери на длинном пу-

ти от сырого топлива до полезной энергии у потребителя оказываются

скомпенсированными.

На рис. 10.19 дано сравнение эффективности работы различных сис-

тем получения тепловой энергии. Показано, что применение тепловых на-

сосов с электрическими двигателями значительно повышает коэффициент

использования первичной энергии.

Потери энергии при

транспортировке

Производство

Потери энергии при

транспортировке

Дополнительная энергия

133

100

Рис. 10.18. Диаграмма распределения энергии при работе теплового насоса

с электрическим двигателем, %

На рис. 10.20 сравниваются выбросы СО

при работе аналогичных

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

282

систем. Максимальное образование СО

происходит при работе на жидком

топливе. Переход на природный газ уже ведет к заметному уменьшению

выбросов СО . Еще лучше показатели при использовании тепловых насо-

сов.

133

147

143

176

200

100

150

200

250

ма

га

го

га

ма

га

го

га

Отношение полезной энергии

к первичной, %

Рис. 10.19. Эффективность использования первичной энергии в различных

системах нагрева

353

224

145

120

109

Си

ющ

га

го

ющ

га

ющ

га

Удельное выделение СО

, г/кВтч

г/

(

кВт·ч

)

ельное вы

еление СО

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

283

Рис. 10.20. Выделение CO

при работе различных систем нагрева

Перспективно применение тепловых насосов на электростанциях для

утилизации низкотемпературного тепла. Даже электростанции нового по-

коления имеют большие резервы развития в отношении лучшего использо-

вания энергии. Новые электростанции имеют коэффициент полезного дей-

ствиям приблизительно 58 %. Использование тепловых насосов с показа-

телем эффективности 4,0 на тепловых станциях позволяет повысить эф-

фективность их работы до 200 %, что в 2,5 раза выше, чем у станций, рабо-

тающих на газе.

Обширной областью применения тепловых насосов является обору-

дование ими существующих зданий. Сейчас в жилищном фонде использу-

ются главным образом системы водяного центрального отопления. При

низкой наружной температуре необходимо поддерживать температуру во-

ды в системе отопления между 70 и 90 °С. 39 % жилищного фонда отапли-

вается системами, работающими на жидком топливе, 32 % –работающими

на газе. Для этих зданий, независимо от их размера, разработана двойная

система нагрева, в которой тепловой насос дополняет существующую сис-

тему.

Такие двойные системы рентабельны уже при получении от теплово-

го насоса 25 – 50 % требуемой энергии. Однако фактически тепловой насос

покрывает от 65 до 85 % годовой потребности в тепловой энергии (рис.

10.21). Только при очень низких температурах наружного воздуха бойлер

включается в работу. В этих системах теплота отбирается от наружного

воздуха, такой источник энергии имеется повсюду и легко доступен.

Включение тепловых насосов в системы обогрева зданий технически дос-

таточно простое. В настоящее время в Германии работают 45 000 подоб-

ных тепловых установок.

Вторую часть рынка тепловых насосов составляют новые здания.

Она намного меньше по объему, но очень важна с психологической точки

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

284

зрения. Хотя ежегодно реконструируется только около 1...2 % сущест-

вующих зданий, но они представляют значительный потенциал для

Природное топливо

топливо

ТН

Рекуперация

электр.

Потребление тепла Q

Mакс. потребление тепла QN

Кол. дней работы установки

Общее кол. дней работы установки

Рис. 10.21. Эффективность совместной работы различных систем

для получения тепла

усовершенствования и модернизации систем нагрева.

В новых зданиях тепловые насосы должны гарантированно работать

в течение всего года. Дублирующая вторая система отопления не устанав-

ливается во избежание дополнительных затрат. Широкое применение теп-

ловых насосов в новых зданиях положительно влияет на репутацию этой

технологии и способствует ее распространению в дальнейшем как при от-

дельной, так и при совместной работе тепловых насосов с другими систе-

мами нагрева. Наружный воздух по температурному потенциалу не удов-

летворяет полностью предъявляемым требованиям как источник первич-

ной энергии для круглогодичной работы тепловых насосов. Использование

грунтовых вод для этой цели также вызывает определенные трудности. В

связи с этим все более привлекательным становится использование почвы.

В новых зданиях с небольшими потребностями в энергии возможно ис-

пользование такого источника при достаточно низких капитальных затра-

тах (рис. 10.22). В настоящее время разработаны различные системы, каж-

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

285

дая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Тепловой насос

Трубы, расположенные

вгрунте

Обогрев пола

горячей водой

Рис. 10.22. Тепловой насос с использованием энергии грунта

При работе теплового насоса используется вода с относительно низ-

кой температурой, поэтому радиаторы не применяются. Конвекторы также

редко используются в жилых помещениях в Германии. Наиболее перспек-

тивными являются системы отопления горячим воздухом и с подогревом

пола. Однако в Германии системы отопления горячим воздухом, для кото-

рых необходима дорогая управляющая электроника, почти не применяют-

ся.

Оптимальным решением является система подогрева пола с исполь-

зованием теплового насоса. С энергетической точки зрения предпочти-

тельно иметь относительно толстые пластмассовые трубы (размером 20х2

мм), обеспечивающие теплопередачу к поверхности пола без больших по-

терь. Тепловые насосы в системах обогрева могут достигать годового по-

казателя эффективности между 3,5 и 4,5.

В зданиях с низким потреблением энергии, в которых поддерживает-

ся плотность внешнего покрытия, температура воды на входе может быть

уменьшена до 30 °С в наиболее холодные дни. При этом станет возмож-

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

286

ным увеличение годового показателя эффективности до 5,0. Температура

воды в системе отопления автоматически поддерживается в соответствии с

температурой наружного воздуха. Благодаря автоматическому контролю в

работе системы отопления учитывается также действие других источников

тепла, например солнечной радиации.

Тепловые насосы представляют собой экологически чистые системы,

которые способствуют сбережению энергии и уменьшению образования

СО

. Более того, они позволяют управлять потребностью в тепловой энер-

гии. Модернизация электростанций и существующих заводов в будущем

повысит значимость тепловых насосов. Модернизированные электростан-

ции, парогазовые установки, комбинированная выработка тепловой и элек-

трической энергии (где процесс, конечно, синхронизирован с системой на-

грева) - области применения тепловых насосов, которые значительно луч-

ше систем, основанных на сжигании газа или жидкого топлива, благодаря

термодинамическим преимуществам и возможности использования возоб-

новляемой энергии. Постепенно применение тепловых насосов охватит

всю область генерирования низкотемпературного тепла для отопления по-

мещений.

В заключение можно сказать, что тепловые насосы с использованием

возобновляемой энергии и регенерацией тепла являются наиболее пер-

спективной системой выработки тепловой энергии. В будущем эти систе-

мы займут прочное место на рынке.

10.4. Системы вентиляции воздуха

Начало энергосбережению в жилых зданиях было положено улуч-

шением тепловой изоляции стен и крыш. В начале 1980-х гг. вентиляцион-

ные потери тепла жилых зданий составляли приблизительно 30 % от обще-

го потребления тепла. Следующим шагом стали действия, направленные

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

287

на уменьшение потерь через окна и двери. Для новых зданий доля потерь

тепловой энергии при вентиляции составляет приблизительно 45 % общей

потребности, а для зданий с низким потреблением энергии – 65 %. В на-

стоящее время каждый вновь построенный дом оборудован окнами со-

вершенной конструкции с величиной k-фактора от 0,6 до 1,7 Вт/(м

·К). В

зданиях более ранней постройки с целью уменьшения потерь тепла были

установлены окна с двойным остеклением. Все это приводит к тому, что

естественный обмен воздуха в помещениях становится недостаточным.

Нет никаких гарантий, что со временем потребление тепловой энер-

гии будет сокращаться. Все еще большую роль играет неосведомленность

людей о том, как рационально обогреть и проветрить свой дом. Исследо-

вания, проведенные в 1987 г., показали, что проветривание через окна бы-

ло намного продолжительнее, чем ожидалось. В результате этого экспери-

мента выяснилось, что большинство жителей вообще не знает, сколько

времени следует проветривать помещения. С учетом не поддающихся кон-

тролю действий человека были сделаны расчеты объективно необходимых

объемов вентиляции, чтобы в дальнейшем минимизировать связанные с

нею потери энергии.

После реконструкции старых зданий, в которых были установлены

уплотненные окна, стала сказываться недостаточность естественной вен-

тиляции. Обычно в зданиях старой постройки имеются тепловые мосты в

стенах и крыше. В этих местах появлялась сырость вследствие недостаточ-

ного удаления пара, выделяющегося в помещении.

Использование механических систем вентиляции позволяет решить

обе проблемы, возникающие при естественной вентиляции, – высокие по-

тери тепловой энергии при избыточной вентиляции и повышенная влаж-

ность при недостаточной. При этом ставится задача сокращать уровень по-

требления тепловой энергии в жилых зданиях. Однако требования сани-

тарных норм вынуждают удалять большое количество теплого воздуха из

помещений.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 10. Вопросы экономики при отоплении

помещений

288

Решением этого противоречия может быть регенерация тепловой

энергии, запасенной в использованном воздухе. Регенерация тепловой

энергии с помощью теплообменников уже широко используется в мощных

вентиляционных системах, которые устанавливаются в гостиницах, уни-

вермагах, больницах и т. д.

Сейчас имеются различные вентиляционные системы для жилых

зданий. Очень простой и недорогой способ состоит в использовании мест-

ных механических систем вентиляции. Устройства, оборудованные тепло-

обменником (рис. 10.23), монтируются в стенах или окнах и могут обеспе-

чить каждую комнату достаточным количеством свежего воздуха.

Рис. 10.23. Система вентиляции с теплообменником:

1 – теплообменник;

2 – вентилятор;

3 – фильтр

Однако при использовании механических систем вентиляции с теп-

лообменниками в неуплотненных зданиях, в которых воздух в большом

количестве поступает естественным путем, сбережение энергии невозмож-

но. Если доля естественной вентиляции через различные неплотности в