Научно-исследовательский проект «Генератор льда – конкурент тепловому насосу»


МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ГОРОДСКОЙ ЦЕНТР РАЗВИТИЯ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА
ДЕТЕЙ И ЮНОШЕСТВА»Тема: «Генератор льда – конкурент тепловому насосу»

Автор работы:
Цельмер Павел Юрьевич,
учащийся: 11 класса
МБУДО «ГЦРиНТТДиЮ»
Руководители:
Куловский Владислав Александрович,
педагог дополнительного образования
д/о «Исследовательская лаборатория»
МБУДО «ГЦРиНТТДиЮ»;
Цельмер Елена Анатольевна,
методист МБУДО «ГЦРиНТТДиЮ»
Тула 2016 год
Содержание
Аннотация………………………………………………………………………....3
Введение………………………………………………………………………..4 - 5
Основная часть…………………………………………………………....6 - 21
1.1 Топливно-энергетические ресурсы.……………………………...…...….6 - 7
1.2 Принцип работы теплового насоса ……………………………………...7 - 9
1.3 Энергетическая концепция проектируемого Семейного дома...……..9 - 21
1.3.1 Концепции проектирования О и ГВС ………………………..........10 - 11
1.3.2 Теплообменный аппарат проекта-кожухотрубный теплообменник..11-14
1.3.3 Система отопления и ГВС коттеджа…………………………..…….14 - 16
1.3.4 Выбор теплового насоса….……………………………………….....16 - 17
1.3.5 Принцип работы теплового насоса …………………………………17 - 18
1.3.6 Устройство и работа бойлера………………………………..………18 - 19
1.3.7 Машина для производства льда ……………………………...…......19 - 21
2. Расчёты потребности тепла…………………………….………….……21 - 27
3. Экономика………………………………………………….………….…27 - 28
4. Заключение – рекомендации…….…………………………………………..29
5. Список используемой литературы……. ………………………………...….30
6. Приложение…………………………………………………………...…31 - 35
Генератор льда – конкурент тепловому насосу
Цельмер Павел Юрьевич
МБУДО «ГЦРиНТТДиЮ» г. Тулы, 11 класс
Аннотация
В данной работе рассматривалась возможность использования для отопления Семейного дома тепловых насосов. Тепловые потери проектируемого дома рассчитывались согласно методике МДК 4-0,5 ∙ 2004. Одна из проблем, которая решалась в проекте при применении теплового насоса, заключалась в удалении большого количества воды, необходимой для обеспечения потребного количества тепла.
Для решения этой проблемы я применил более глубокое охлаждение воды, используя высокую энергию фазового перехода «вода - лёд». Конечным продуктом охлаждения воды в моём проекте является суспензия, в которой 80 % льда – остальное вода. Из-за очень высокой удельной теплоты плавления льда, которая составляет 80 ккал/кг, количество воды потребной для обеспечения необходимого тепла уменьшилась в 6 раз. Это позволяет не только решить проблему удаления воды, но и сэкономить 14220 кВт·ч электроэнергии за сезон и 71160 рублей.
При сегодняшних тарифах такая экономия уменьшает расходы на отопление в 2 раза по сравнению с отоплением природным газом. Устройство, которое может превратить воду в лёд и затем удалить его из машины – генератор льда. Они выпускаются серийно на любую мощность и широко используются в мясной и рыбной промышленности, в ресторанах и на хоккейных площадках. Доводка генератора проста: удаляется радиатор (или машина заказывается без него), патрубки теплоносителя соединяются с бойлером.
В работе 30 страниц текста, 5 таблиц, схема отопления, график зависимости расхода воды по месяцам и 5 страниц – приложение.
Введение
При создании проекта системы отопления Семейного дома с помощью теплового насоса появилась неожиданная идея более глубокого охлаждения воды до льда. Ведь удельная теплота плавления льда самая высокая из известных нам веществ. Но возникают сразу вопросы, как извлекать из насоса и куда удалять лёд? Эти вопросы кажутся неразрешимыми, но уж очень хороша идея с точки зрения экономики. Если охладить 1 м³ воды до состояния пульпы с 80 % льда, то можно получить в шесть раз больше тепла, чем, если бы охладить этот же объём воды до 0°С. Эта идея меня «захватила» и я с удовольствием взялся за её реализацию.
Общая задача проекта – выбрать способ отопления и горячего водоснабжения для Семейного дома. Сделать дом энергонезависимым и экологически чистым. Удалённость от газопровода более 40 км отдаляет надежду на газовое отопление. Уголь и дрова – тоже дорогое и не комфортное удовольствие. Остаётся применить систему, использующую тепло земли. Эта система с тепловыми насосами, которые широко используются во всём мире – возобновляемый источник экологически чистой энергии. Сам тепловой насос энергию не производит, он её перекачивает от теплоносителя (вода из скважины) в дом, в систему отопления. У теплового насоса есть замечательное свойство, на 1 кВт затраченной электрической энергии можно получить 3 – 5 кВт тепловой энергии.
Цель работы – доказать возможность и экономическую целесообразность замены теплового насоса машиной для производства льда (генератором льда). Найти способы удаления или складирования льда.
Я использовал расчёты для того, чтобы получить доказательства. Расчёт теплопотерь здания я провёл согласно методике МДК 4-0,5 ∙ 2004. Определил потребность в тепле (часовую, месячную и сезонную). По получившимся результатам выбрал тепловой насос Корса 22 и посчитал потребность в воде, мощности глубинного насоса, потребление электрической энергии этим насосом (помесячно), а также стоимость этой электрической энергии.
В следующем этапе своей работы я выбрал подходящий генератор льда и провёл с ним те же расчёты, результаты расчётов сравнил. Далее предположил, что оба агрегата потратят одинаковое количество энергии для получения одного и того же количества тепла. Поскольку генератор льда на получение количества тепла потратит воды в шесть раз меньше, глубинный насос, обслуживая генератор льда, затратит меньше энергии и сэкономит (по сравнению с тепловым насосом) за сезон 14220 кВт ∙ час электрической энергии, что по сегодняшним тарифам составит 71160 рублей.
При сравнении затрат за отопительный сезон с природным газом, оказалось, что при сегодняшних тарифах отопление с помощью генератора льда в два раза дешевле, чем отопление с помощью природного газа.
Таким образом, впервые я предлагаю отапливать дом с помощью генератора льда. Вероятно, людям мешал парадокс «отапливать дома с помощью машины по производству льда». Мною был проведён поиск в технической литературе, в интернете, просмотрено много патентов на эту тему, но ничего не получилось найти даже близкого моей идеи. Так же мне пришлось решить проблему удаления льда. В работе рассмотрен один из вариантов решения этой проблемы.
В работе так же я рассматриваю дополнительные источники энергии: домашнюю биогазовую установку (ДБГУ) с производительностью 8,3 м³ биогаза в сутки и ветроагрегат с генератором мощностью 1 кВт.
1. Основная часть
1.1 Топливно-энергетические ресурсы
Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет сегодня собой одну из глобальных мировых проблем, успешное решение которой, по-видимому, будет иметь определяющее значение не только для дальнейшего развития мирового сообщества, но и для сохранения среды его обитания. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ). В своём проекте я буду рассматривать в качестве источника НПТЭ (низкопотенциальной тепловой энергии) подземные воды с относительно низкой температурой, либо грунт поверхностных слоёв Земли глубиной до 400 м.
Теплосодержание грунтового массива в общем случае выше. Тепловой режим грунта поверхностных слоёв Земли формируется под действием двух основных факторов – падающей на поверхность солнечной радиации и потоком радиогенного тепла из земных недр. Сезонные и суточные изменения интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха вызывают колебания температуры верхних слоёв грунта. Глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий колеблется в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров.
Глубина проникновения сезонных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации не превышает, как правило, 15-20 м. Температурный режим слоёв грунта, расположенных ниже этой глубины («нейтральной зоны»), формируется под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр Земли, и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных изменений параметров наружного климата.
С увеличением глубины температура грунта возрастает в соответствии с геотермическим градиентом (примерно на 3˚С на каждые 100 м). Величина потока радиогенного тепла, поступающего из недр Земли, различается.
Для средней полосы европейской части России эта величина составляет 0,05 – 0,12 Вт/м³.
На глубине более 8,6 метров температура практически постоянна в течение года (изменения составляют только 1/20 изменений на поверхности). В районе Тулы на этой глубине сезонные изменения температуры грунта лежат в пределах от +10˚С до +12˚С. Таким образом, горизонт залегания грунтовых вод на глубине 8,6 м является достаточно мощным аккумулятором низкопотенциальной энергии.
Грунт – это наиболее универсальный источник рассеянного тепла. Он аккумулирует солнечную энергию, и целый год подогревается от земного ядра. При этом он всегда «под ногами» и способен отдавать тепло в независимости от погоды. Более того, в верхних слоях земли минимальное значение температуры достигается на несколько месяцев позже от пиков морозов. Потребность в интенсивном обогреве дома с помощью ТН «грунт-вода» до той поры уменьшается. В целом же, грунт достаточно надёжно поставляет калорий для теплового насоса.
1.2 Принцип работы теплового насоса
Тепловой насос (ТН) работает точно так же, как и холодильник, что стоит у вас на кухне. Принцип его работы заключается в том, чтобы «отнять» тепло у некоего продукта (охладив его) и передать это тепло в отопительную систему. Ведь согласно закону сохранения энергии, тепло (как вид энергии) никуда не девается, не пропадает и не возникает из ниоткуда. Оно просто или меняет свой вид, или переходит от одного тела к другому.
Кухонный холодильник, «отняв» тепло у продуктов, затем лишь поддерживает их низкую температуру. Поэтому работает периодически, компенсируя теплопотери через свои стенки. Но если продукты постоянно заменять-то холодильник будет работать непрерывно. Так и устроен тепловой насос. Он постоянно охлаждает какой-то источник тепла (воздух, воду, грунт) и передаёт отнятое тепло воде в системе отопления.
Прелесть теплового насоса состоит в том, что на 1 кВт затраченной при его работе электроэнергии, мы можем получить 3-5 кВт тепловой энергии! Такое соотношение «затраты – результат» делает использование теплового насоса весьма заманчивым и перспективным. И стоимость отопления с помощью теплового насоса становится весьма конкурентоспособной даже по сравнению с пеллетами и дровами! При этом оно гораздо экологичнее и чище. Объясняется это тем, что ТН не вырабатывает тепло, а тратит энергию на его перемещение.
Естественно, для нормальной работы ТН требуется «бесконечный» источник материала, у которого можно отнимать тепло. В моём проекте таким донором тепла будет вода из артезианской скважины глубиной 50 м. Эта же скважина обеспечит жильцов дома питьевой водой и водой для технических нужд. Сброс воды, отдавшей тепло, будет осуществляться в короткие скважины, пробуренные ниже по потоку грунтовых вод.
Забегая вперёд, скажу, по расчётам максимальный расход воды в сутки составит 8,4 тонн воды. Добыть такое количество воды не проблема, грунтовых вод у нас избыток.
А вот дренировать её через такую же скважину может быть проблемно. Так как грунт скважины может не принять такое количество воды из-за трудности её всасывания – прорисовывается первая проблема.
Фирмы, проектирующие и устанавливающие ТН, рекомендуют устанавливать насосы, у которых мощность на 20 – 25% ниже мощности пиковых нагрузок – дешевле стоимость насоса, монтаж насосов (меньше глубина скважин), дешевле эксплуатационные расходы (чем ниже мощность, тем выше эксплуатационный КПД насоса). Статистика подтверждает это утверждение. Можно сделать так, но где взять тепло, чтобы не мёрзнуть в морозы – это вторая проблема.
При анализе собранных материалов, я обратил внимание на то, что люди систематически стараются увеличить коэффициент преобразования (КПД теплового насоса), придумывая различные схемы установок, различные теплоносители (рассолы, антифризы, аммиак и даже фреоны – запрещённые к эксплуатации), всё ради повышения КПД. Теплоноситель – это жидкость (незамерзающая), которая переносит энергию, например от земли, воды или воздуха к тепловому насосу. В своей работе я также планирую повысить КПД установки нетрадиционным способом и это для нас третья проблема.
1.3 Энергетическая концепция проектируемого Семейного дома. Проектирования отопления и горячего водоснабжения (О и ГВС)
с тепловыми насосами.
Я получил задание на проектирование О и ГВС котеджа, Семейного дома, в котором будут проживать родители и 8 человек детей, в том числе и приёмные. Посёлок, в котором будут построены Семейные дома, удалён от газовой магистрали на 40 км, поэтому, видимо, в нём не может быть газового отопления, значит, моя основная задача – выбрать способ отопления и горячего водоснабжения для Семейного дома. Сделать дом энергонезависимым и экологически чистым.
Энергозависимый дом – это автономный дом, не требующий подключения к инфраструктурным сетям. Всю необходимую энергию для электроснабжения, тепла и горячего водоснабжения автономный дом вырабатывает сам. Также, разумеется, для утилизации стоков не требуется подключения к (городской, поселковой) канализации (дом обходится локальным очистным сооружением).
В своей работе я бы хотел спроектировать именно такой дом. Поскольку электричество в посёлке есть, я его буду использовать в проекте дома. Всё остальное требует творческого внимания.
Тепловые насосы стали интенсивно использоваться в Европе после того, как появились пассивные дома. Новые материалы, новые строительные технологии позволили создать дома с очень низким энергопотреблением (50 кВт · ч/м²), а так же с нулевым и даже с положительным энергобалансом.
В Германии разработан добровольный стандарт (Passivhaus Standard), где определены требования к проектированию и сооружению таких объектов. Я надеюсь, что наши архитекторы так же постараются сделать Семейный дом энергопассивным, но свои расчёты я производил согласно методике МДК 4-0,5∙2004 и у меня получилось: тепло потери котеджа составят в октябре месяце – 91,7 кВт · ч/м², а в январе – 290 кВт · ч/м².
5326380-370205001.3.1 Концепции проектирования О и ГВС
За основу взята следующая информация
о будущем Семейном доме.
Общая площадь котеджа 252 м²
Объём отапливаемых помещений 756 м³
Расход горячей воды 1000л/сутки
Отопление расчёты
Количество проживающих человек 10 человек
Расход электроэнергии расчёты
Водообеспечение артезианская скважина
Дебит 1500 л/ч
Глубина 50 м
Утилизация стоков проектируется
Дополнительный источник энергии ветроагрегат
После предварительных расчётов были приняты следующие решения:
Разделить отопление и ГВС по энергоносителям;
Отопление осуществлять тепловыми насосами;
Горячее водоснабжение и приготовление пищи может обеспечить биогенератор перерабатывающий фекалии и отходы пищи. По расчётам биостоки могут дать в сутки 8,6 м³ биогаза, этого достаточно, чтобы нагреть 1 м³ воды до t˚ = 45˚С и 3 раза в день готовить пищу для 10 человек.
В качестве дополнительного источника энергии предполагается использовать ветроагрегат. При достаточной скорости ветра он может обеспечить электроэнергией дом или его часть, при слабых ветрах он может греть воду в тепловом аккумуляторе (накопительном баке) с помощью ТЭНов.
В схеме работы всей системы я предусматриваю возможность рекуперации тепла от использованной горячей воды. Для этого установим теплообменник, например кожухотрубный, на подачу воды между скважиной и ТН. Тёплая отработанная вода из ванны или стиральной машины после фильтрации будет подаваться в теплообменник, отдавая тепло артезианской воде. Этот вариант будет работать только зимой.
1.3.2 Теплообменный аппарат проекта - кожухотрубный теплообменник
Самым распространённым в настоящее время теплообменным аппаратом является кожухотрубные теплообменники.
2251710174180500Такой агрегат состоит из кожуха и приваренных к нему трубных решёток, в которых закреплены трубы. Один теплоноситель движется внутри труб, другой – в межтрубном пространстве кожуха. Главное достоинство подобных теплообменников – компактность, поскольку поверхность теплообмена, образованная стенками труб, очень велика. В кожухотрубных теплообменниках можно осуществлять процессы нагревания, охлаждения и конденсации.
В нашем случае артезианская вода, проходящая по трубам бойлера, будет «заряжаться теплом сточных вод, проходящих в межтрубном пространстве. Это тепло вернётся в дом. Такой процесс называется рекуперацией. Сточные воды, отдав часть тепла, сливаются в приёмную ёмкость системы удаления (химической) воды. Здесь она так же сделает «доброе дело»: поможет быстрее растопить собравшийся лёд, сброшенный сюда генератором льда.
Для решения первой проблемы я предполагаю три варианта:
Поперёк потока грунтовых вод прокапывается траншея глубиной 1 м. Со дна траншеи бурятся скважины глубиной 2-3 метра с шагом в 5 м. Траншея засыпается на глубину 60 см крупным гравием, а сверху чернозёмом. Вода, подаваемая от теплонасоса (в том числе и из ванных после фильтрации) будет попадать в поток грунтовых вод и удаляться от скважин.
Около посёлка должен быть водоём на случай пожара. Летом в нём могут купаться дети и ловить рыбу. От каждого дома к водоёму проложены канавки или трубы, по которым и будет сбрасываться вода.
Можно значительно уменьшить объём воды, поступающей в тепловой насос, тогда у воды больше шансов впитаться в грунт. Но тогда мы получим мало тепла. Однако, вода, замерзая, выделяет очень много тепла (330 кДж/кг), что почти в 80 раз больше, чем она выделяет при остывании на 1˚С. При этом она фактически не меняет свою температуру (около -1˚С) пока не замёрзнет вся. Это тепло фазового перехода воды из жидкого в твёрдое агрегатное состояние заманчиво использовать.
Сразу возникает вопрос, как удалить лёд из испарителя теплового насоса? Я предполагаю использовать принцип ресторанной машины по производству льда. Лёд там не замораживается полностью, остаётся 20-50% воды. Такая «шуга» (скопления рыхлого губчатого льда с водой) легко удаляется из машины. Зато, какие блага сулит этот вариант с экономией воды, используемой в тепловом насосе:
а) лёгкое дренирование;
б) уменьшение затрат на подачу воды в ТН;
в) увеличивается величина отопительного коэффициента (коэффициента преобразования) за счёт уменьшения энергозатрат на подачу воды;
г) увеличиваются межремонтные сроки теплового насоса и скважного за счёт уменьшения механической нагрузки.
Мне этот вариант нравится, я его обязательно просчитаю. Кстати, предполагаемая система «лёд - вода» позволяет решить как первую, так и третью проблемы:
улучшение процесса всасывания отработанной воды грунтом за счёт уменьшения объёма воды, проходящей через тепловой насос; также за счёт уменьшения мощности ТН в связи с выбором его мощности на 20% ниже расчётной пиковой нагрузки;
2. в решении второй проблемы возникает вопрос - где взять дополнительное тепло для компенсации пика нагрузки в морозные дни. Неожиданную услугу мне оказала коллега по кружку и по проекту. Она занимается проблемой утилизации отходов жизнедеятельности людей в коттедже (дом должен быть автономным). По её расчётам суточный объём биоотходов может дать столько биогаза (смесь метана СН ~ 70% и углекислого газа СО2 ~ 30%), которого хватит на трёхразовое приготовление пищи и подогрев 1 тонны воды с 12˚С до 45˚С. То есть я могу не планировать затраты тепла на горячее водоснабжение. Это же установка может компенсировать недостающее тепло в морозные дни.
3. традиционные способы повышения КПД всей системы введением промежуточного теплоносителя, на мой взгляд малоэффективны, так как незначительная экономия электроэнергии (10-20%). В суммарном КПД установки уменьшается за счёт введения промежуточного элемента (теплоносителя), который имеет свой КПД. А общий КПД – это произведение КПД существующих элементов системы. По моему варианту – идёт снижение расхода воды в 4-6 раз, что будет соответствовать реальному снижению потребляемой мощности погружного насоса и соответственно расхода электроэнергии. В результате коэффициент преобразования тепла (СОР) или КПД всей системы значительно возрастёт.
Предполагаемая принципиальная схема обеспечения дома теплом и горячей водой.
-699135808355001.3 .3 Система отопления и ГВС коттеджа
Работа схемы отопления коттеджа
Вода из артезианской скважины с помощью погружного насоса 1 подаётся в водонапорный бак, расположенный на чердаке дома. Он утеплён и снабжён автоматикой, позволяющей контролировать верхний и нижний уровни воды в нём.
Затем вода самотёком подаётся в тепловой насос 4, который забирает у неё тепло, снижая температуру с 12°С до 0°С. Охлаждённая вода подаётся в машину для льда 5. Здесь продолжается отбор тепла, превращающей воду в «шугу» – 80% льда и 20% воды. Из машины 5 «шуга» сбрасывается в канализационный коллектор (яму) и далее в систему удаления воды. В него же сбрасывается сравнительно тёплая > 12°С вода из бойлера, которая способствует таянию льда и удалению воды через скважины, забуренные в верхний водоносный слой, для Тульской области глубина залегания 1-3 м.
Тепло из теплового насоса и машины для получения льда поступает в бойлер 6, где происходит передача тепла к системе отопления и системе тёплых полов, которые размещены в ванной, душевой и кухне. Бойлер 6 заполнен водой, которая передаёт тепло от змеевиков теплового насоса и машины к змеевикам отопления. Эту воду необходимо периодически менять, чтобы она не застаивалась. Эту функцию выполняет трубопровод от водонапорного бака, а сброс воды осуществляется в коллектор.
Холодная вода из водонапорного бака поступает к системе горячего водоснабжения, в частности к газовой колонке. В колонке сжигается биогаз из домашней биогазовой установки ДБГУ, подавая горячую воду в душ, ванную комнату, к раковинам в кухне и умывальникам.
Использованная тёплая вода после фильтра 9 либо сразу сбрасывается в канализацию, либо (зимой) подаётся в теплообменник 2, где отдаёт часть тепла артезианской воде для возврата в дом уже через отопительную систему. А часть тепла сбрасывается в канализационный коллектор, где плавит лёд из шуги, превращая его в воду для дальнейшего удаления в водоносный слой.
Таким образом мы планируем повысить коэффициент использования тепла (КИТ) в зимнее время года в проектируемом коттедже.
Немало пользы принесёт использование ветряка на площадке за домом. Его генератор напрямую подключён к ТЭНу в бойлере (зимой), который передаст всю выработанную энергию бойлеру, так же повышая КИТ. Когда будут дуть сильные ветра >4м/с, ветряк можно использовать для электроснабжения всего здания или его части, для этого можно применить преобразователь. Он состоит из выпрямителя, который выпрямляет переменный ток ветрогенератора и подаёт его в аккумулятор. Энергия полностью заряженного аккумулятора трансформируется в переменный ток 50гц напряжением 220 преобразователем и подаётся в домашнюю электросеть. Аккумулятор в этой системе будет выступать как ресивер в компрессоре, сглаживая неравномерность генерирования энергии ветроагрегатом.
Мощности ветрогенератора, выпрямителя и преобразователя составляет 1-3кВт. Ёмкость аккумулятора 120 А/часов. Количество часов в году, когда ветер превышает скорость 4м/с более 2400 часов в районе Тулы, следовательно, наш ветроагрегат будет вырабатывать электроэнергию более 100 дней в году, что ощутимо сократит расходы (обитателей дома на электроэнергию). Переключение потребителя с электросети на ветросеть будет происходить автоматически.
1.3.4 Выбор теплового насоса
На основании проведённых расчётов выбираем тепловой насос по тепловой мощности. Выбираем насос Корса 22 Российской фирмы со спиральным компрессором ZH92K4E – TWD524 фирмы Copeland. Его основные характеристики:
Модель Корса 22
Режим работы T – 0/55˚С
Тепловая энергия, кВт 20,6
Затраченная электроэнергия, кВт 6,8
Коэффициент преобразования (СОР) 3,1
Объёмный расход «холодного контура», м³/ч 3,6
Объёмный расход «горячего контура», м³/ч 1,9
Компрессор Copeland ZH92K4E – TWD524 спиральный
Номинальное рабочее напряжение 380×3×50
Максимальный рабочий ток, А 25,0
Класс защиты компрессора IP54
Объём масла, л 4,7
Количество хладагента R134, кг 9,5
Вес, кг 135
Размеры Ш×Д×В, мм 500×800×800
Ориентировочная цена, руб. 1162380
Режим работы при радиаторной системе отопления:
вода t = 55˚С/ пропиленгликоль 15% t >= 0˚С.
1.3.5 Принцип работы теплового насоса
Хладагент циркулирует по закрытому кругу, который проходит через теплообменник (испаритель), в котором также протекает, например, грунтовая вода с температурой 8-12˚С.
443865219837000Даже низкая температура грунтовой воды заставляет хладагент испаряться, при этом он принимает её тепловую энергию. Компрессор втягивает этот пар и сжимает. Таким образом, разогретый и находящийся под давлением хладагент, отдаёт во втором теплообменнике (конденсаторе), энергию циркуляционному кругу отопления и при этом конденсируется (становясь опять жидким). После прохождения расширителя, охлаждённый и под низким давлением теплоноситель, готов к новому кругу.
Тепловые насосы предлагают полноценное отопление зимой и кондиционирование воздуха летом.
И все это без дополнительных систем или устройств, без шума кондиционера и с самыми незначительными энергозатратами. С одной стороны источники тепла (воздух, вода и грунтовые воды) приносят тепло, а с другой стороны служат источником охлаждения.
1.3.6 Устройство и работа бойлера
Между тепловым насосом и системой отопления устанавливается т.н. буферная ёмкость (буферный бак), в котором происходит теплообмен между источником тепла и тепловым насосом, а в нашем проекте ещё и машиной для производства льда – с одной стороны, и системами отопления и тёплого пола с другой стороны.
250888564706500Переносчиком тепла является вода, заполнившая эту ёмкость. Поскольку эта ёмкость производит теплообмен, мы назвали её бойлером. Так нам привычней.
2036445108521500Бойлер представляет собой бочку, заполненную водой, в которой установлены змеевики, в нашем случае 4шт, связанные с тепловым насосом, с машиной для льда, с системой тёплый пол и с системой радиаторного отопления.
В нижней части бойлера установлен ТЭН, который соединён с ветроагрегатом. При достаточной скорости ветра он будет являться дополнительным источником тепла, повышающим эффективность системы отопления дома, экономя расход электроэнергии. Трубы, соединяющие агрегаты, должны быть теплоизолированы.
1.3.7 Машина для производства льда
В предложенной нами схеме отопления жилого дома, мы предложили использовать совместно с тепловым насосом генератор льда, что на наш взгляд позволит улучшить технико-экономические показатели системы отопления дома.
1266825-24003000
Принцип работы льдогенератора точно такой же, как у холодильника, а его мощность будет зависеть от производительности льда выбранной нами машины. Серийно выпускается много разных типов машин для мясной и рыбоперерабытывающей промышленности, пищевой и фармацевтической промышленности, для хлебопекарен и ресторанов и т.д.
Я выбрал для своего проекта машину для льда компании Scotsman, производительностью 1,5 тонн льда в сутки. Эта машина выдаёт пульпу с содержанием льда 50-80% (остальное вода).
Доводка машины будет заключаться в следующем: с машины снимается радиатор (конденсатор) вместе с вентиляторами. Патрубки с охлаждающей жидкостью соединяются с змеевиком в бойлере. Теплоноситель машины (фреон) будет отдавать тепло непосредственно в бойлер.
На мой взгляд, одной такой машины ЛГ будет достаточно, чтобы обеспечить теплом дом. В проекте мы заложили и ТН, и ЛГ, чтобы показать, как развивалась идея перехода от теплонасоса к генератору льда.
В экономических расчётах я проверю, насколько это рационально и целесообразно.
Таблица технических характеристик льдогенератора
SCOTMAN MAR308LIT
Общие характеристики
Тип Технологическое оборудование
Производитель: SCOTMAN (См. описание)
Код товара: 6289
Описание: Чешуя.2200 кг/сут. с желобом без агрегата, без бункера.
Страна: Италия
Наличие на складе: Предоплата.
Технические характеристики
Габариты: 133×680×520
Напряжение питания: 3/N/PE 400В/50 Гц
Напряжение управления: 230 В/50 Гц
Мощность: 7 кВт
Вес: 224 кг
Ориентировочная стоимость: 1137320 руб.
Расчёты потребности тепла
Проведём расчёты по округлённым показателям согласно методике
МДК 4-0,5∙2004.
Методика определения потребности в топливе, электрической энергии и воде при производстве и передаче тепловой энергии и теплоносителей в системах коммунального теплоснабжения.
Расчётную тепловую нагрузку определим по каждому месяцу отопительного сезона и все результаты сведём в таблицу. В качестве примера проведём расчёты по январю, где планируется максимальная тепловая нагрузка.
Qmax = aVg˳(t1-t0)(1-Kup),
где Qmax – расчётная часовая нагрузка отопления здания ккал/час.
a – поправочный коэффициент, учитывающий отличие расчётной температуры наружного воздуха, при котором определено соответствующее значение, согласно таблице 2, а = 1,08
V – объём здания по наружному обмеру 375 м3
g0 – удельная отопительная характеристика здания, согласно таб. 3, при t0 = -300C, g0 = 0,74 ккал/м3·чС˚
t1 – расчётная температура воздуха в отапливаемом помещении 18˚С
t0 – расчётная температура наружного воздуха для г. Тулы
СНиП 2301-99 (-25˚С)
Kup – расчётный коэффициент инфильтрации, обусловленной тепловым и ветровым напором.
Kup = 10-2×2ql1-273-t273+t+ʋ0 , где q = 9,8 м/с – ускорение свободного падения.
L = 6 м – свободная высота здания.
ʋ0 – расчётная скорость ветра для данной местности в отопительный период (3,8 м/с).
Kup = 0,1×[2·9,8·61-273-25273+18+3,8] = 0,55,
тогда, Qmax = 1,08·375·0,74(18-(-25))(1+0,55)=17606 ккал/час
Этот показатель для января (I).
Определяем расчёт потребности воды, которая могла бы обеспечить тепловую нагрузку дома:
Q = cm(t1 – t0),
где Q – тепло потребное для дома помесячно (ккал·ч)
с – удельная теплоёмкость воды (1 ккал/(кг·˚С))
m – масса воды в кг
t1 – начальная температура воды из скважины (12˚С)
t0 – конечная температура после охлаждения (0˚С)
Рассчитаем Q для 1 м3 воды:
Qводы = 1·1000·12 = 12000 ккал
Для января месяца часовая потребность воды составит:
V = QчQводы=1760612000=1,4м3Аналогичный расчёт для других месяцев.
Определим потребную тепловую мощность системы отопления по месяцам:
PQ = Qt·ʋPQ - расчётная потребная тепловая мощность (Дж)
Q – расчётная тепловая нагрузка (ккал/час)
ʋ - КПД системы
тепловую мощность системы отопления для января месяца:
PQ = 176063600·0,8=6,11ккал/сек . 4190=25600 Дж=25,6 кВт
Аналогично проводим расчёты для остальных месяцев отопительного сезона.
Определим мощность насоса подающего воду к тепловому насосу:
N = m·g·Ht·ʋ1·ʋ2= 1000·9,8·603600·0,4·0,98=0,765 кг·м=7,5 кВтg – ускорение свободного падения (9,8 м/сек2)
H – высота с учётом сопротивления труб (60 м)
ʋ1 – КПД насоса
ʋ2 – КПД передачи
Определим мощность насоса подающего воду к генератору льда (при плавлении льда тепло поглощается, при образовании льда тепло выделяется):
удельная теплота плавления льда:
кДж/кг-330 ккал/кг-80
1кал=4,19 Дж 1ккал/кг-4,190 Дж/кг
1т воды при t˚C = 12˚С остынув до 0 градусов отдаст
Q = cm (tн - tк) = 50400 кДж тепла.
Та же масса воды превратившись в лёд на 80% отдаст
Qл = 330*1000*0,8=264000 кДж тепла.
Следовательно, если 1 м³ воды при t=12˚ С превратить в 80% льда, можно получить Q = 264000 + 50400 = 314400 кДж тепла
Таким образом, превращая воду в шугу - 80% льда можно получить в 6,2 раза больше тепла, чем охлаждая её на 12˚С.
Удельная теплота плавления:
кДж/кгккал/г
Лёд 330 80
Воск 176 42
Парафин 150 35
Стеарин 201 48
Железо 270 64,5
Золото 67 16
Олово 59 14
Серебро 87 21
Сталь 84 20
Удивительное чудо природы – вода, она не только зародила жизнь на нашей планете, но и защищает планету от перегрева и от переохлаждения.
Если использовать лёд для отопления, т.е. довести воду до состояния шуги с содержанием льда 80 % , остальное – вода, то можно дополнительно получить:
Qл = c·m·ʋ = 80·1000·0,8 = 64000 ккал/час,
где c – удельная теплота плавления льда 80 ккал/кг
m – масса воды (1000 кг)
ʋ - КПД установки (0,8)
Объединим эти два процесса, т.е. 1 м³ довести до пульпы с содержанием льда 80 %. Тогда, общее количество тепла, которое можем отобрать у 1 м³ воды, составит: 12000 + 64000 = 76000 ккал/час.
Потребность в воде уменьшится и составит для января месяца:
Qя = 1760676000=0,23 м³Потребность в воде для января месяца была 1,4 м³, а стала 0,23 м³ - это в 6 раз меньше.
Аналогично потребность в воде считаем для остальных месяцев.
Таким же образом, я рассчитал потребности тепла для остальных месяцев отопительного сезона. Результаты сведены в таблицу.
Генератор льда (ГЛ) Стоимость
эл. энергии
(тариф 5 руб. кВт·ч)
(руб.) 1040 1585 2085 3420 2150 1930 1010 13160
Месячный
расход
эл. энергии (кВт·ч) 208 317 417 684 430 386 202 2644
Коэффиц. преобразо -
вания
(СОР) 28,5 27,2 28,5 27,8 27,8 26,9 28,5 Мощность двигателя
насоса,
обеспеч.
потреб –
ность
в воде
(кВт) 0,28 0,44 0,56 0,92 0,64 0,52 0,28 Часовая
потреб -
ностьводы
(м3) 0,07 0,11 0,14 0,23 0,16 0,13 0,07 Теловой насос (ТН) Стоимость
эл. энергии
при тарифе
5 руб. /кВт·ч(руб.) 6695 9720 13765 22320 13440 11900 6480 84320
Месячный
расход эл. энергии
(кВт·ч) 1339 1944 2753 4464 2688 2380 1296 16864
Коэффиц. преобразо –
вания
(СОР) 4,4 4,4 4,3 4,2 4,4 4,3 4,4 Мощность двигателя
насоса,
обеспеч.
потреб –
ность
в воде
(кВт) 1,8 2,7 3,7 6 4 3,2 1,8 Часовая
потребн –
ость
воды
(м3) 0,46 0,68 0,92 1,4 1,02 0,804 0,46 Потребность здания Месячная
потребн –
ость
тепла
(Гкал) 4,1 5,9 8,2 10,8 8,2 7,1 3,9 48,2
Тепловая
мощность
тепло –
носителя
(кВт) 8 12 16 25,6 17,8 14 8 Расходы за отопительный сезон
Часовой
расход
Воды
(м3) 0,46 0,68 0,92 1,4 1,02 0,804 0,46 Часовая
потреб –
ностьв тепле
(ккал/ч) 5520 8230 11052 17606 12280 9650 5520 Коэффиц.
Инфильт-
рации 0,417 0,438 0,493 0,55 0,49 0,457 0,417 Информация Средне –
месячная температура
(t˚С)
+5 -1,1 -6,7 -19,9 -9,5 -4,1 +5 Месяц/
часы
Х
744 XI
720 X
744 I
744 II
672 III
744 IV
720 Генератор льда по сравнению с тепловым насосом сэкономит:
14220 кВт·ч электроэнергии и 71160 рублей.
-10858525082500График зависимости тепла и воды
Экономика
Определим расходы топлива на обеспечение теплом (в течение сезона) проектируемого коттеджа. За сезон израсходуем по расчётам 48,2 Гкал тепла при стоимости: уголь – 4000 руб./т пиллеты – 6300 руб./т дрова – 1600 руб./м³ газ – 4820 руб. за 1000 м³
Теплоносители Теплопроизводительность (ккал/кг) Расходы топлива за сезон (т) Стоимость отопления (тыс. руб.)
Каменный уголь 6500 36 144000
Дрова сухие 2300 75,6 121000
Пиллеты 2700 66,6 150000
Природный газ 10500 4590 кг/5758 м³ 27665
Расход и стоимость электрической энергии
Тариф – 3,49 руб. за кВт∙чСпособ отопления Расход эл. энергии (кВт∙ч) Стоимость отопления
(тыс. руб.)
Тепловой насос 16864 84320
Генератор льда 2644 13160
Таким образом, генератор льда в моём проекте – серьёзный конкурент газовому отоплению, посмотрим, какие капиталовложения в проектируемом отоплении.
Нужно произвести подвод газопровода низкого давления за 40 км к посёлку. Стоимость строительства: 1 км трубопровода - 1,5 млн. рулей.
1,5 ∙ 40 = 60 млн. рублей – во столько обойдётся подвод газовой трубы к посёлку ≈ 50 домов.
Подвод газовой трубы к одному дому будет стоить: 60 : 50 = 1,2 млн. рублей. Подводка газа к дому и разводка по дому, котёл и колонки – ещё 100000 рублей.
Таким образом, капиталовложения при газовом отоплении составят примерно 1, 3 млн. рублей.
Стоимость выбранного теплового насоса составит ≈ 1,2 млн. рублей.
Скважины: 2700 ∙ (50 + 15) = 17550 рублей. Итого: 1,375 млн. рублей.
Стоимость машины для производства льда (генератор льда) ≈ 1,2 млн. рублей. Скважины: 2700 ∙ (20 + 12) = 86400 рублей. Итого: 128640 рублей.
Таким образом, в моём проекте капиталовложения в отопление примерно равны. Можно составить рейтинг по эксплуатационным затратам за сезон: генератор льда – 13000 рублей
отопление газом – 27000 рублей
тепловой насос – 84000 рублей
Генератор льда - это тот же тепловой насос и он уже стал серьёзным конкурентом газу. В Западной Европе уже тепловые насосы вытесняют газ, этому помогают сравнительно высокие тарифы на газ.
Заключение – рекомендации
При организации отопления и ГВС в индивидуальных и частных домах с использованием энергии окружающей среды, я предлагаю вместо тепловых насосов применять машины для производства льда (генераторы льда). При одинаковой стоимости и эксплуатационных расходах генератор льда «выдаёт» в 5-6 раз больше тепла, чем тепловой насос, а при одинаковой потребности в тепловой энергии будет расходовать в 5-6 раз меньше воды.
Генератор льда расширяет возможности использования низкопотенциальных источников энергии. Так, используя воду с низкими температурами мелких рек и водоёмов t=4°C, генератору льда потребуется значительно меньше воды для получения того же тепла. Тоже касается и грунтовых (подземных) вод при t < 8°C с небольшим дебетом неглубокой скважины.
Необходимо на государственном уровне настойчиво рекомендовать строительство энергонезависимых домов и сооружений с использованием энергоэффективных материалов для ограждающих конструкций (стен, окон, фундамента, кровли) с максимально возможным на сегодняшний день сопротивлением теплопередаче.
С экономической точки зрения при сегодняшних тарифах эксплуатационные расходы на отопление генератором льда в 2 раза ниже, чем отопление с помощью газа.
Список используемой литературы
А. С. Енохович «Справочник по физике и технике» - г. Москва «Просвещение 1989 год».
Васильев Г. П., Крундышев Н. С. «Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области», №5, 2002 г.
Васильев Г. П. «Энергоэффективные здания с теплонасосными системами теплоснабжения», журнал «ЖКХ», 2002 г.
Curtis R., Lund ]., Sanner В., Rybach L, Hollstrom G. Ground source heat pumps – geothermal energy for anyone, anywhere: current worldwide activity // Proceedings World Geothermal Congress 2005. – Antalya, Turkey. – 2005.
Corman Y.C., Mc.Gowan KG., Peter W.D. Solar augmented home heating heat pump systems. // 9-th Intersoc. Energy Convers. Eng. Convers. – San-Francisco, California. – 1974. – Proc, New-York. – 1974. – 334-340 p.
lerrell Robert E. Performance and analysis of «series» heat pump-assisted solar heated residense in Madison // Wisconsin. Solar energy. – 1979. – Vol. 23. – No. 5. – 451-453 p.
«Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии», Москомархитектура ГУГ «НИАЦ», 2001 г.
Соколов Е. Я., Бродянскип В. М. «Энергетические основы трансформации тепла и процессы охлаждения» - г. Москва – 1968 г. (стр. 327).
Приложение
Информация к размышлению
Задумайтесь над тем как много электроэнергии и прочей тепловой энергии мы выбрасываем на ветер!
  Строим мы дом или складское помещение – везде требуется отопительная система.   Особенно жалко, когда профессионалы, возводя складские охлаждаемые помещения, изначально планируют выбросить на ветер всю ту тепловую энергию холодильной машины, которая вырабатывается само собой по необходимости. Ведь можно же повернуть энергию конденсатора на отопление своих собственных служебных помещений… 
  Мы отапливаем наши дома обычными дедовскими методами и не задумываемся, что источники эти невосстановимы.
А ведь наша планета Земля накапливает огромное количество тепловой энергии за теплые месяцы года, и мы должны научиться грамотно распоряжаться этими запасами и тем самым существенно сэкономить свои денежные средства.  
   Строительные технологии становятся доступнее, а значит, есть возможность подумать об улучшении своих жилищных условий. 
Задумайтесь об энергопотреблении Вашего дома и посчитайте, сколько средств улетает в трубу в прямом и переносном смысле в холодное время года. 
  Весь мир – Америка, Европа, Япония давно уже перешли на альтернативные источники энергоснабжения. Наша страна, богатая энергоресурсами нещадно тратит свои энергоресурсы. Из-за сравнительной дешевизны, в прямом и переносном смысле пускает богатства Земли в трубу и на ветер. Но технологии становятся все доступнее, и избежать рационального использования собственных энергоресурсов, а значит и финансовых средств не позволяют уже обстоятельства. 
 Рынок России насыщается новыми технологиями энергообеспечения, теплоснабжения (отопления), горячего водоснабжения и водоподготовки.
Чем меньше на земле остается не возобновляемых ресурсов, тем серьезнее задумываются люди об их сбережении. Для нашей страны проблема стоит наиболее остро, но именно Россия до сих пор остается одним из самых неэкономных государств. Возможная причина — многолетняя привычка не считать того, что, по нашему всеобщему заблуждению, нам не принадлежит.
Существенную роль в изменении отношения к проблеме во многих развитых странах мира, например, в Великобритании, Финляндии, Швеции, Германии, Дании, США, играет социальная реклама. Медиа – средства убедительно и аргументировано разъясняют пагубные последствия расточительного употребления ресурсов, рассказывают о значительном ущербе для экологии планеты.
К сожалению, в России до настоящего времени решению глобальной проблемы не уделяется подобающего внимания, хотя некоторые подвижки все же есть. Многие граждане осознали и важность задач, и собственную выгоду, установили приборы учета; для большинства строительных организаций вопрос «Как вступить в СРО?» (саморегулируемая организация (СРО) – это Некоммерческая организация, основанная на членстве, объединяющая юридические лица и (или) индивидуальных предпринимателей, цель которой – регулирование определенной деятельности) перестал быть второстепенным; государственные органы с повышенной ответственностью взялись за проведение необходимых исследований, статистических наблюдений, формирование законодательной базы по вопросу энергосбережения. Как говорится, лед тронулся!
Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет сегодня собой одну из глобальных мировых проблем, успешное решение которой, по-видимому, будет иметь определяющее значение не только для дальнейшего развития мирового сообщества, но и для сохранения среды его обитания. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ). Истощение запасов традиционного ископаемого топлива и экологические последствия его сжигания обусловили в последние десятилетия значительное повышение интереса к этим технологиям практически во всех развитых странах мира.
Преимущества технологий теплоснабжения, использующих нетрадиционные источники энергии в сравнении с их традиционными аналогами, связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также новыми возможностями в области повышения степени автономности систем жизнеобеспечения. По всей видимости, в недалёком будущем именно эти качества будут иметь определяющее значение в формировании конкурентной ситуации на рынке теплогенерирующего оборудования.
Анализ возможных областей применения в экономике России технологий энергосбережения, использующих нетрадиционные источники энергии, показывает, что в России наиболее перспективной областью их внедрения являются системы жизнеобеспечения зданий. При этом весьма эффективным направлением внедрения рассматриваемых технологий в практику отечественного строительства представляется широкое применение теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ), использующих в качестве повсеместно доступного источника тепла низкого потенциала грунт поверхностных слоёв Земли.
Низкопотенциальное тепло Земли может использоваться в различных типах зданий и сооружений многими способами: для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования (охлаждения) воздуха, обогрева дорожек в зимнее время года, для предотвращения обледенения, подогрева полей на открытых стадионах и т. п.
В англоязычной технической литературе такие системы обозначаются как «GHP»-«geothermal heat pumps», геотермальные тепловые насосы.
Климатические характеристики стран Центральной и Северной Европы, которые вместе с США и Канадой являются главными районами использования низкопотенциального тепла Земли, определяют главным образом потребность в отоплении: охлаждение воздуха даже в летний период требуется относительно редко. Поэтому, в отличие от США, тепловые насосы в европейских странах работают в основном в режиме отопления. В США тепловые насосы чаще используются в системах воздушного отопления, совмещённого с вентиляцией, что позволяет, как подогревать, так и охлаждать наружный воздух. В европейских странах тепловые насосы обычно применяются в системах водяного отопления. Поскольку эффективность тепловых насосов увеличивается при уменьшении разности температур испарителя и конденсатора, часто для отопления зданий используются системы напольного отопления, в которых циркулирует теплоноситель относительно низкой температуры (35-40˚ С).
Большинство тепловых насосов в Европе, предназначенных для использования низкопотенциального тепла Земли, оборудовано компрессорами с электрическим приводом.
Совсем недавно тепловые насосы являлись экзотикой, однако, сейчас это рядовое явление. Сегодня в Европе насчитывается около 900 тысяч установок, а в мире перевалило за 10 млн. установок. Причём их устанавливают не только в домах, но и в офисах, на фермах, на мелких производствах.
14541504254500
Ниже я даю выдержку из таблицы отображающей мировой уровень использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли посредством тепловых насосов.
Страна Установленная мощность оборудования, МВт Производственная энергия, ТДж/г*˚ССША 4800,0 12000,0
Канада 360 891
Швеция 377 4128
Германия 344 1149
Швейцария 300 1962
Всего в таблице 27 стран.
Швейцария лидирует по величине использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли на душу населения. В России за последние 10 лет построены лишь ограниченные объекты.


Приложенные файлы

Добавить комментарий