Для рационального использования энергии в системах отопления зданий целесообразно, как и при электрическом отоплении (см. § 14.4), применять тепловой насос. Предпо­сылкой эффективного использования теплонасосных уста­новок (ТНУ) является всесторонний учет всех внутрен­них и внешних условий протекания процесса отопления здания.

Энергетическая эффективность теплового насоса оце­нивается с помощью коэффициента преобразования т]п энергии [формулы (14.9) и (14.10)].

Коэффициент использования т]и энергии тепловых на­сосных установок зависит от разности температуры АТ= = ТК—Та (Тк — температура конденсации, Ги — испа­рения) и совершенства конструкции установки:

Ti„ = ppeC) (19.5)

Где ес — коэффициент преобразования идеального термодинамиче­ского цикла Карно

1 к ' и

Рр — степень термодинамического совершенства реального про­цесса в теплонасосной установке.

На рис. 19.1 представлены приблизительные соотноше­ния коэффициентов идеального цикла Карно и т]и' дей­ствующих теплонасосных установок.

Тепловые насосы (компрессионные, сорбционные, термо­электрические, газовые, струйные, комбинированные) ра­ботают на различных источниках энергии, поэтому базой для сравнения их энергетической эффективности может слу­жить первичная энергия, полученная в установках на ор­ганическом или ядерном топливе.

Коэффициент использования первичной энергии ijПэ находят как отношение полезной энергии, поступающей в распоряжение потребителя, к подведенной первичной энер­гии, не подверженной никаким энергетическим преобразо­ваниям,

■Пп. э = адк. (19.7)

Где т]к — коэффициент полезного действия электростанции, котла или другого устройства для получения первичной энергии.

Например, коэффициент использования первичной энер­гии компрессионными и сорбционными тепловыми насосами будет в двух случаях приблизительно равен 0,9, если в пер­вом случае т]и=3 на базе электростанции (т]к=0,3), а во втором т]и=1,4 при КПД котла riK=0,65.

В целях экономии энергии следует применять в систе­мах отопления ТНУ, обеспечивающие высокую степень ис­пользования первичной энергии т]п<э. В табл. 19.1 приве­дены минимальные значения т]п>э для некоторых видов отопления.

Таблица 19.1. Значения коэффициента использования Первичной энергии для некоторых видов отопления » .. «мин %. э и % Вид отопления Чп. э „мив "я Электрическое отопление Отопление от котлоагрегата на го­родском (искусственном) газе То же, с угольной (бурый уголь) топкой То же, с угольной топкой мощностью более 10 мВт 0,28 0,35 0,56 0,7 0,28/0,28=1 0,35/0,28=1,25 0,56/0,28 =2 0,7/0,28 = 2,5

Высокая эффективность использования первичной энер­гии в отоплении с ТНУ достигается тогда, когда коэффи­циент Пи превышает минимальные значения, приведенные В табл. 19.1. Из рис. 19.1 видно, что коэффициент преоб­разования реально действующих теплонасосных установок превышает минимальные значения по табл. 19.1 прн АГ< <60—70 °С. Прн понижении АГ значения т]и заметно воз­растают.

Температура испарения I и зависит от температуры ис­точника окружающей среды, а температура конденсации Тк определяется рабочей температурой у потребителя (на­пример, температурой теплоносителя в подающей линии системы отопления). Таким образом, использование теп­лоты окружающей среды с помощью теплового насоса прн небольшой разности температуры Д Т (50—60 °С н ниже)" не требует большого расхода первичной энергии.

Источником теплоты для тепловых насосов является окружающая среда, энергетический уровень которой раз­личен в зависимости от места расположения объекта н вре­мени суток и года. Это определяется действием солнечной радиации, геотермальной энергией, энергией гравитаци­онного поля н вращения Землн, а также энергией отходя­щей теплоты энергетических н технологических установок. Поэтому энергию окружающей среды необходимо исполь­зовать только в определенных местах н в определенные пе­риоды времени (рнс. 19.2). Это могут быть местные со срав­нительно высокой температурой источники энергии: поч-

Риг. 19.2. Окружающая среда — источник тепловой энергии для теплового насоса 1 — солнечные лучн; 2 — гравитация; 3 — вращение Землн; 4 — геотермальная почва; 5 — грунтовые воды; 6 — поверхностные воды и водоемы; 7 бытовые сточные воды; 8 — внутренний воздух; 9 — отходящая, использованная теплота энергетических и технологических установок; х — место целесообразного забора низкопотенциальной энергии для теплового насоса

1,1' — отапливаемые, кондиционируемые и вентилируемые помещения; 2, 2' Прочие потребители теплоты и холода; 3 — солнечные лучи, 4 — внутренний удаляемый воздух; 5 — бытовые и технологические воды; 6 — грунтовые воды; 7 — геотермальные источники; 8 — водоемы; 9 — наружный воздух; 16 — хо« лодильная машина и тепловой насос; 11 — регенераторы, рекуператоры н дру­гие теплоутилизаторы, 12 —■ смесители; 13 — солнечные коллекторы и абсорберы

Вы, грунтовые и поверхностные воды, окружающий воз­дух, а также потоки энергии перед выравниванием их тем­пературы с температурой окружающей среды (солнечная энергия, отработавшая теплота промышленных установок, отработавший воздух, сточные воды). Кроме того, источ­ником может быть и аккумулированная низкотемператур­ная теплота, используемая периодически или после акку­муляции.

Температура в помещении может незначительно отли­чаться от температуры источников окружающей среды, поэтому низкотемпературные системы отопления (§20.1) являются особенно подходящими объектами для исполь­зования ТНУ. При соответствующем расчете и технико - экономическом обосновании в низкотемпературных систе­мах отопления могут использоваться практически все виды отопительных приборов, а также агрегаты воздушного отопления. Подходящими для низкотемпературных систем являются панельно-лучистые приборы, совмещенные с ог­раждающими конструкциями.

В системах отопления здания необходимо целенаправ­ленное распределение потоков энергии с применением раз­личного вида энергетических сопряжений. Они могут быть в виде последовательного и параллельного соединения, с помощью смесителей, теплообменников и посредством теп­лового насоса. На рис. 19.3 показаны возможности сопря­жения потоков энергии различных сред внутри и вне зда­ния. Благодаря действию теплового насоса эффективность системы отопления возрастает при снижении поступления энергии извне. Следует иметь в виду, что тепловые насосы требуют комплексного территориального использования с возможно большей продолжительностью работы в течение года. Целесообразное размещение тепло - и холодопотреби - телей и их присоединение в системе с тепловыми насосами и холодильными машинами позволяют получить значитель­ный экономический эффект.

Наряду с оценкой энергетической целесообразности определяют также общий экономический народнохозяй­ственный эффект от перехода к отоплению с ТНУ. Для этого наряду с эксплуатационными (в основном энергетическими) затратами устанавливают дополнительные капитальные за­траты на устройство ТНУ и оценивают общий экономиче­ский эффект сроком окупаемости дополнительных первич­ных капитальных вложений за счет экономии энергии в процессе эксплуатации системы. Расчеты показывают, что срок окупаемости ТНУ всегда мал (1,5—3 года) и ниже

Рнс. 19.4. Схема централизован­ного охлаждения воды системы отопления в обратном теплопро­воде центрального теплоснабже­ния с помощью теплового насоса

Рис. 19.5. Схема децентрализо­ванного отбора теплоты из об­ратной магистрали системы цент­рального отопления (теплоснаб­жения) с помощью теплового иа-

Coca

Щ

M/w>-l

I, = M°C

Iz-lfC / _____________ T3--Wt

If » 70°t

Нормативного срока окупаемости, принятого для систем отопления.

О

Tr= W°C

CO

В существующих системах центрального теплоснабже­ния, особенно при их вынужденном расширении, отмечают рост затрат на транспортирование тепловой энергии. Зна­чительно увеличиваются удельные затраты на теплопрово­ды относительно среднегодовой стоимости тепловой энер­гии. В связи с этим целесообразно повышение удельной пропускной способности тепловых сетей, в том числе путем снижения температуры воды в обратных магистралях. Это может быть достигнуто за счет прямого использования воды из обратных линий в низкотемпературных системах отоп­ления, работающих с нетрадиционными параметрами. При этом неизбежно потребуются увеличение площади отопи­тельных приборов, дополнительные мероприятия по по­вышению теплозащиты зданий, что не везде обеспечит эко­номичность решения.

В этих условиях с экономической точки зрения целесооб­разным может оказаться использование тепловых насосов для централизованного (рис. 19.4) и децентрализованного (рис. 19.5) понижения температуры в обратных линиях теп­ловых сетей. Для этой цели предпочтительными оказывают-

44 —765
ся сорбционные тепловые насосы, в которых используется тепловая энергия системы теплоснабжения.

При проектировании новых систем центрального тепло­снабжения возможно использование комбинированных схем с тепловыми насосами. Целесообразным в этом случае яв­ляется не только понижение температуры обратной воды, но и общее понижение температурного уровня, например, с традиционного 150—70 до 120—20 °С и ниже.

При энергоснабжении от теплоэлектроцентралей приме­нение компрессионных тепловых насосов с дополнительным подводом электрической энергии часто оказывается эконо­мически невыгодным.

Целесообразной будет система центрального отопления, в которой разновременно или в параллельном режиме ис­пользуются тепловой насос и энергоаккумуляционная сис­тема. В период пиковой нагрузки в электросети тепловой насос отключается. В это время отопление полностью обес­печивается энергией от аккумулятора. В остальное время работает тепловой насос, а при большом расходе тепло­ты — тепловой насос в сочетании с энергоаккумуляционной системой.

В качестве источника теплоты для теплоснабжения могут использоваться геотермальные воды из скважин (§ 20.3). В этом случае целесообразна двухступенчатая схема, когда на первой ступени отбор теплоты происходит непосредст­венно, и только на второй ступени, когда температура ста­новится примерно равной температуре в обратной линии системы отопления, отбор теплоты осуществляется с по­мощью теплового насоса.

Тепловые насосы могут успешно применяться для отоп­ления одноквартирных отдельно стоящих домов. Обяза­тельными условиями их успешного применения являются низкотемпературная система отопления и значительное (примерно в 2 раза) усиление теплозащиты для снижения теплопотерь здания. В качестве источников низкопотен­циальной теплоты могут использоваться все выше пере­численные носители энергии окружающей среды. В идеаль­ном случае при дополнительной усиленной теплоизоляции, использовании солнечных коллекторов и аккумуляторов в схеме с тепловым насосом расход первичной энергии по сравнению с традиционным решением может быть сокращен в 3—4 раза.