Sisteme de alimentare cu căldură cu pompe de căldură

Pompele de căldură (HP) sunt utilizate pentru a utiliza energia cu potențial scăzut. Se știe că o pompă de căldură este orice mașină frigorifică concepută pentru a transfera căldură de la o sursă cu temperatură scăzută la un mediu cu o temperatură mai ridicată. În acest caz, pompa de căldură funcționează în intervalul de temperaturi de funcționare mai ridicate decât mașina frigorifică.

Dintre toate metodele netradiționale de producere a energiei termice, cea mai dezvoltată este generarea de căldură prin intermediul pompelor de căldură. În prezent, într-o serie de țări dezvoltate (SUA, Danemarca, Germania, Franța, Germania, Suedia, Elveția, Japonia etc.), pompele de căldură înlocuiesc dispozitivele tradiționale de transfer de căldură bazate pe arderea directă a combustibililor fosili. Conform previziunilor Consiliului Mondial al Energiei (CME), până în 2020 75 % din furnizarea de căldură în țările dezvoltate se va realiza cu ajutorul pompelor de căldură. În prezent, în lume sunt în funcțiune aproximativ 30 de milioane de pompe de căldură de diferite capacități, de la câțiva kilowați la sute de megawați.

Unitățile de pompare a căldurii (HPU), care realizează un ciclu termodinamic invers pe o substanță de lucru cu punct de fierbere scăzut, primesc energie termică cu potențial scăzut fie din mediu, fie din alte surse și consumă o anumită cantitate de energie mecanică sau electrică pentru a transfera căldură consumatorului la temperatura necesară pentru furnizarea căldurii. Eficiența unui LHE este cu atât mai mare cu cât este mai mică diferența dintre temperatura necesară pentru furnizarea căldurii și temperatura sursei de căldură cu potențial scăzut. În condiții favorabile, utilizarea HFO permite utilizarea a de 1,2-2,3 ori mai puțină energie primară decât arderea directă a combustibililor. Utilizarea HFO înseamnă economisirea resurselor energetice neregenerabile și protecția mediului, inclusiv prin reducerea emisiilor de CO₂ în atmosferă.

Cea mai mare utilizare a pompelor de căldură este pentru alimentarea cu căldură și apă caldă a clădirilor rezidențiale, administrative și industriale, precum și pentru alimentarea cu căldură a proceselor tehnologice (uscare, distilare, tratament termic), alimentarea cu căldură și frig a instalațiilor agricole (ferme de produse lactate, depozite de fructe, hambare etc.). Pompele de căldură funcționează la temperaturi cuprinse între 5 °C (aer atmosferic) și 70 °C (evacuări industriale la temperaturi ridicate și surse geotermale) și sunt capabile să asigure încălzirea mediului la temperaturi cuprinse între 27 °C (apă de piscină) și 110 °C.

Utilizarea HHP face posibilă trecerea, în special, la sisteme descentralizate de alimentare cu căldură (fără rețele termice lungi și costisitoare), atunci când energia termică este generată în apropierea consumatorului. Introducerea acestor tehnologii economice și ecologice de alimentare cu energie termică este necesară, în primul rând, în zonele nou construite ale orașelor și așezărilor. În acest caz, este posibilă excluderea completă a utilizării cazanelor electrice, care consumă de 3-4 ori mai multă energie electrică decât TNU. Un alt avantaj al TNU este versatilitatea sa în ceea ce privește nivelul de putere, variind de la fracțiuni la zeci de mii de kilowați. Utilizarea TNU este foarte promițătoare în sistemele combinate în combinație cu alte tehnologii de energie regenerabilă (solară, eoliană, bioenergie), deoarece permite optimizarea parametrilor sistemelor cuplate și obținerea celei mai mari performanțe economice. Avantajele de mai sus ale TNU vor permite în viitor refuzul arderii directe a combustibilului organic pentru furnizarea de căldură.

Răspândirea HFO în Rusia necesită stimularea de către stat atât a producătorului, cât și a utilizatorului acestor echipamente.

În prezent, Rusia dispune de potențialul științific, ingineresc și industrial necesar pentru a stăpâni și a produce pompe de căldură moderne de toate tipurile.

Ca sursă de căldură cu potențial scăzut în HHP pot fi utilizate

• ape reziduale industriale și menajere tratate;
• apa provenită din diverse cicluri tehnologice;
• căldura apelor subterane, arteziene și termale;
• căldura aerului exterior;
• apa din surse de suprafață (râuri, lacuri, mări) și sistemele de alimentare cu apă și căldură;
• căldura gazelor de ardere și a oricăror fluxuri de căldură evacuate;
• căldura subterană cu potențial scăzut.

Un grup de pompe de căldură este format dintr-o pompă de căldură și un sistem care asigură alimentarea cu căldură de la o sursă cu potențial scăzut, alimentarea consumatorului cu agentul încălzit în pompa de căldură și returnarea acestuia în pompa de căldură. Unitatea cu pompă de căldură poate include mai multe pompe de căldură.

Fig. 2.1 prezintă o schemă a unei pompe de căldură cu compresie de vapori. Modul de funcționare al unei astfel de pompe pe diagrama t, s (fig. 2.2) corespunde ciclului termodinamic 6-1-1 1-2 1-2 1-2 1-2-3-6. Agentul de lucru lichid are parametrii t₀ și p₀. Agentul de lucru intră în evaporator, unde este vaporizat (procesul 6-1) și supraîncălzit (procesul 1-1 1 ) datorită eliminării căldurii (Q_inp) de la o sursă cu potențial scăzut. Vaporii supraîncălziți rezultați sunt comprimați de compresor la presiunea p_кcare corespunde unei temperaturi de saturație mai ridicate t_к (procesul 1 1-2 1 ), și intră în condensator, unde cedează agentului încălzit (apa din sistemul de alimentare cu căldură) căldura (Q_тп) de supraîncălzire și condensare (procesul 2 1-3). După răcire în schimbătorul de căldură, presiunea condensatului este redusă de la p_к la p₀ în accelerație și temperatura sa scade la t₀, adică la parametrii inițiali (procesul 3-6), iar ciclul se repetă.

Astfel, într-un proces circular continuu, căldura este transferată de la un nivel de temperatură mai scăzut la unul mai ridicat, energia externă fiind utilizată pentru a crește presiunea substanței vaporoase de lucru (ciclu termodinamic invers).

Diferitele modele de pompe de căldură sunt clasificate în funcție de o serie de caracteristici:

• principiul de funcționare (compresie de vapori, absorbție, termoelectric)
• tipul de energie consumată (mecanică, electrică, termică);
• sursa de căldură cu potențial scăzut utilizată (aer, apă, sol, ape uzate)
• tipul de acționare (motor electric, motor termic) etc.

Principala caracteristică a VT este coeficientul de conversie μ — raportul dintre căldura furnizată și energia absorbită. În prima aproximație, μ depinde numai de diferența de temperatură dintre condensare și evaporare (t_к – t₀) a agentului de lucru cu punct de fierbere scăzut. Cu cât această diferență este mai mică, cu atât coeficientul μ este mai mare:

unde Q_т.п — puterea termică transferată consumatorului; N_е — este puterea utilizată pentru acționarea compresorului.

Din (2.1) rezultă că μ este mai mare decât unitatea și va fi cu atât mai mare cu cât valoarea energiei consumate de compresor este mai mică. Aceasta din urmă depinde de proprietățile agentului de lucru și de nivelul adoptat al temperaturilor sale de vaporizare și condensare.

Agentul de lucru ideal trebuie să se caracterizeze prin stabilitate chimică și inerție față de materialele de construcție și uleiurile lubrifiante, neinflamabilitate, netoxicitate, cost rezonabil și presiune de condensare scăzută, presiune de fierbere apropiată de presiunea atmosferică, temperatură critică ridicată și punct de congelare scăzut. Deoarece nu există un agent de lucru care să îndeplinească toate aceste cerințe atunci când este utilizat în gama largă de temperaturi de vaporizare și condensare întâlnite în funcționarea pompelor de căldură, se utilizează agenți de lucru care îndeplinesc cele mai importante cerințe. De exemplu, agentul frigorific R12 nu este toxic și are cea mai mare capacitate termică. Principalul dezavantaj al agentului frigorific R12 este presiunea ridicată în faza de condensare, din cauza căreia temperatura maximă a agentului de răcire, realizată în pompele de căldură, nu depășește 60 °C. Din acest punct de vedere, agentul frigorific R142c este promițător pentru aplicare. La utilizarea acestuia, temperatura agentului de răcire poate fi crescută la 90-100 ° C. Principalul dezavantaj al agentului frigorific R142v este inflamabilitatea sa. Noii agenți frigorifici ecologici R407C, R410A, R134A sunt utilizați în TH ca agenți de lucru, în plus față de agenții frigorifici bine cunoscuți R12, R22 și R142v.

Pentru a compara eficiența TH și a generatoarelor tradiționale de căldură, de exemplu cazanele, precum și pentru a compara TH cu principii de funcționare diferite, de exemplu compresia vaporilor cu acționarea compresorului cu motor electric și absorbția, care consumă energie termică, se utilizează un criteriu generalizat — coeficientul de utilizare a energiei primare K. Acesta este definit ca raportul dintre căldura utilă furnizată de TH consumatorului și energia consumată de sursa primară. O combinație favorabilă a parametrilor unei surse de căldură cu potențial scăzut și a parametrilor de căldură necesari la consumator este cea mai importantă condiție pentru aplicarea eficientă a TH. Convergența valorilor temperaturii t₀ și t_к se realizează, în special, prin îmbunătățirea sistemelor de utilizare a căldurii. De exemplu, o temperatură de 30-40 °C este suficientă pentru un sistem modern de încălzire prin pardoseală, în timp ce o temperatură de 70-100 °C este necesară pentru un sistem tradițional de încălzire.

Compararea opțiunilor alternative de furnizare a căldurii în ceea ce privește utilizarea energiei primare arată că încălzirea electrică directă este cea mai puțin eficientă, deoarece eficiența centralelor termice și nucleare nu depășește 30-40 % și, în plus, o parte din energia electrică generată se pierde în rețele. Ca urmare, K_эл= 0,27÷0,34. Alimentarea cu căldură prin arderea directă a combustibilului în cazan duce la pierderea a aproximativ 20 % din energia primară și, în consecință, K_кт = 0,75÷0,85. La aplicarea rațională a alimentării cu căldură prin arderea directă a combustibilului se realizează o economie de energie primară, K_т.н >1. Pentru VT acționate electric, coeficientul de utilizare a energiei primare (K_т.н) este egal cu produsul μ cu K_эл. Datorită valorilor scăzute ale acestuia din urmă, randamentul sistemului de încălzire este egalat cu randamentul cazanului la μ ≅ 2,5 și, prin urmare, diferența de temperatură (t_к – t₀), de regulă, nu trebuie să depășească 60-70 °С.

Pompele de căldură cu comprimare a vaporilor (PCV) acționate de un motor termic, cum ar fi o turbină cu gaz sau un motor diesel, se dovedesc a fi mai economice decât cele acționate electric. Deși randamentul acestor motoare nu depășește 35 %, atunci când funcționează ca parte a unei pompe de căldură, o mare parte din căldura evacuată cu gazele de eșapament, precum și căldura absorbită de lubrifiant și de lichidul de răcire al motorului pot fi utilizate și direcționate în fluxul general al mediului încălzit de pompa de căldură. Ca urmare, factorul de utilizare a energiei primare al motorului crește cu un factor de 1,5, iar eficiența VT este asigurată la μ > 2.

Pompele de căldură de tip absorbție (ATH) utilizează un sistem numit „termocompresor” în locul unui compresor acționat mecanic. Avantajul său este posibilitatea de a utiliza energia termică. Aceasta poate fi căldura obținută prin arderea directă a combustibilului, precum și diverse fluxuri de căldură de evacuare cu o temperatură suficient de ridicată sub formă de apă caldă, abur de evacuare etc. Aceste mașini au un randament de conversie (raport de transformare) mai scăzut în comparație cu VT cu comprimare a vaporilor. Cu toate acestea, utilizarea combustibilului cu un randament nu mai mic decât cel al cazanului asigură K_т.н = 1,2÷1,3.

Sisteme de pompe de căldură de alimentare cu căldură cu ape termale cu potențial scăzut

În Rusia există resurse uriașe de ape termale cu potențial scăzut, a căror utilizare directă este limitată din cauza temperaturii lor scăzute. Cu toate acestea, utilizarea acestor ape ca sursă de căldură la temperatură scăzută în schemele tehnologice ale centralelor termice va permite creșterea potențialului lor termic la nivelul necesar. Astfel de UAT pot fi utilizate pentru încălzirea clădirilor, alimentarea cu apă caldă și alte necesități tehnologice. În același timp, se realizează o anumită economie de resurse de combustibil.

Utilizarea completă și eficientă din punct de vedere economic a căldurii geotermale cu potențial scăzut în sistemele de alimentare cu căldură este practic imposibilă fără aplicarea pompelor de căldură. Eficiența ridicată a pompelor de căldură în utilizarea căldurii industriale și geotermale cu potențial scăzut a determinat un nivel ridicat de creare și aplicare a tehnologiei pompelor de căldură în străinătate. Mai mult de 56 % din capacitatea totală a sistemelor de căldură geotermală din lume este reprezentată de pompele de căldură geotermale. Capacitatea totală instalată a pompelor de căldură este de aproximativ 16 000 MW, cu o producție anuală de căldură de 86 600 TJ. Dacă în 2000 pompele de căldură geotermale erau utilizate în 26 de țări (în principal în America și Europa), în 2005 — deja în 32 de țări. În SUA, 69 % din totalul utilizării directe a resurselor geotermale se realizează prin utilizarea pompelor de căldură; aproximativ 60 000 de pompe de căldură au fost instalate în 2004.

Unul dintre motivele care împiedică introducerea pe scară largă a tehnologiei pompelor de căldură în economia națională este lipsa pompelor de căldură cu temperaturi de condensare ridicate. În aplicațiile tehnologice, nivelul de temperatură al apei calde produse este cel care determină fezabilitatea fundamentală a tehnologiei pompelor de căldură.

Utilizarea TNU conduce la economisirea combustibilului, reducerea poluării mediului și densificarea programelor zilnice ale sarcinii electrice a sistemelor energetice. Economia acestora este determinată de nivelul investițiilor de capital și de raportul dintre prețul electricității și cel al combustibilului. Acesta din urmă se datorează faptului că TNU consumă energie electrică și economisesc combustibil prin înlocuirea cazanelor. Prin urmare, eficiența economică a TNU este cu atât mai mare cu cât electricitatea este mai ieftină și combustibilul mai scump. Perioada de amortizare a TNU (3-4 ani) este mai mică decât perioada de amortizare normativă acceptată pentru sistemele de încălzire.

Cea mai promițătoare regiune pentru construcția în masă a sistemelor de furnizare a căldurii cu pompe de căldură este regiunea Caucazului de Nord, unde, la adâncimi mici, în depozitele sedimentare ale bazinelor arteziene, există rezerve nelimitate de apă dulce și ușor mineralizată, cu temperaturi cuprinse între 20 și 50 °С. Practic, aceste ape nu sunt utilizate pentru nevoile termocentralei. Principalul motiv este că temperatura acestor ape este insuficientă pentru încălzire și furnizarea de apă caldă. În același timp, în comparație cu apele termale cu potențial mediu și ridicat, apele cu potențial scăzut prezintă o serie de avantaje: costuri reduse de capital pentru extracția lor, mineralizare redusă și, prin urmare, probleme minime sau inexistente legate de depunerea de sare și coroziune, precum și disponibilitatea unui număr mare de puțuri gata de funcționare în regiune. Numai în Daghestan de Nord, în cadrul bazinului artezian Tersko-Kum, numărul puțurilor de autodescărcare cu ape cu potențial scăzut depășește 3500. În aceste condiții, cea mai promițătoare modalitate de utilizare a apelor cu potențial scăzut este dezvoltarea și punerea în aplicare a tehnologiilor sistemelor de alimentare cu căldură prin pompe de căldură (HPS).

Coeficientul de conversie μ al pompei de căldură este o caracteristică energetică importantă care determină nu numai indicatorii tehnici și economici, ci și limitele de competitivitate ale pompei de căldură în raport cu alte surse de căldură. Coeficientul μ al unui ciclu Rankine invers real realizat în pompe de căldură cu comprimare de vapori poate fi determinat prin formula

unde η_i — este randamentul relativ intern al compresorului, luând în considerare pierderile ireversibile; η_эм — randamentul electromecanic al compresorului; i_{2 1} , i₃ — entalpiile agentului de lucru la intrarea și ieșirea condensatorului, kJ/kg; L_а — este lucrul specific al compresorului într-un proces izoentropic ideal, care se determină din următoarea expresie

aici k este indicele adiabatic; p₀, p_к — presiunile de vaporizare și, respectiv, de condensare, kPa; V₀ — este volumul specific al agentului de lucru la intrarea în compresor, m 3 /kg.

Utilizarea apelor termale cu potențial scăzut ca sursă primară de căldură va permite creșterea temperaturii de condensare t_кpână la 100 °C, asigurând în același timp eficiența economică a TH (μ > 2,5). La temperaturi de condensare ridicate, cresc pierderile ireversibile cauzate de strangulare, cauzate de înlocuirea detritorului cu o supapă de strangulare. Pentru a le reduce, este recomandabil să se instaleze un răcitor al agentului de lucru lichid înaintea condensatorului, așa cum se arată în fig. 2.3.

În răcitor, temperatura agentului frigorific de lucru este redusă la o valoare mai mică prin transferul de căldură către apa încălzită. Răcirea agentului de lucru lichid crește cantitatea de căldură specifică eliminată în evaporator pe unitatea de debit al agentului de lucru, datorită căreia consumul specific de energie pe unitatea de căldură transformată este oarecum redus.

Ciclul termodinamic 5-1-1 1-2 1-2 1-2-3-3-4-5 corespunde schemei tehnologice cu un răcitor în diagrama t, s din figura 2.2. În procesul de strangulare entalpia substanței de lucru nu se modifică, prin urmare i₄ = i₅ și i₃ = i₆. Datorită scăderii temperaturii agentului de lucru lichid înainte de strangulare (procesul 3-4) de la t_к la t_ох puterea termică specifică crește cu valoarea (i₃ – i₄) în comparație cu o instalație fără schimbător de căldură-răcitor regenerativ.

Coeficientul de conversie μ al unei unități de cogenerare cu răcitor este determinat prin formula

Debitul masic al agentului de lucru m, kg/s, în circuitul UAT fără răcire, la un debit operațional cunoscut al puțului termic, poate fi determinat din bilanțul termic al evaporatorului

unde G_т.в — debitul masic al apei termale, kg/s; c_т.в — capacitatea termică a apei termale, kJ/kg — °C; t₁ — temperatura apei termale la intrarea în evaporator, °C; t₂ — temperatura apei termale la ieșirea din evaporator, °С; i_{1 1}— entalpia agentului de lucru la intrarea în compresor, kJ/kg; i₃ — entalpia agentului de lucru la ieșirea condensatorului, kJ/kg.

Debitul agentului de lucru în circuitul TNU cu un răcitor

unde i₄ — este entalpia agentului de lucru la ieșirea răcitorului.

Puterea compresorului TNU:

unde — i_{1 1} entalpia agentului de lucru la ieșirea compresorului, kJ/kg;

Puterea termică a condensatorului se determină prin formula

Capacitatea termică a TNU la includerea în schemă a răcitorului

Includerea unui răcitor în TNU este mai eficientă la temperaturi de condensare ridicate. În instalația cu agent de lucru R142v la t_к = 100 °С, valoarea μ_ох crește de 1,57 ori. În acest caz, gama de temperaturi de vaporizare a agentului de lucru de la 0 la 40 °C corespunde temperaturilor de condensare de la 80 la 110 °C, la care funcționarea economică a TNU este încă eficientă. Includerea unui răcitor în schema tehnologică va permite creșterea temperaturilor de condensare corespunzătoare de la 100 la 130 °С. Pentru a îmbunătăți performanța economică a TNU, este necesar să se reducă la minimum temperatura agentului de lucru în răcitor.

Unitățile cu pompă de căldură sunt cele mai eficiente pentru sistemele de încălzire la temperaturi scăzute, deoarece eficiența conversiei crește pe măsură ce temperatura de condensare scade. Unitățile panou-radiator combinate cu structuri de închidere sunt adecvate pentru astfel de sisteme.

Pentru sistemele de încălzire cu radiatoare, temperatura medie a purtătorului de căldură necesară pentru compensarea pierderilor de căldură ale clădirii se determină prin formula

unde Q_т.п — pierderile de căldură ale clădirii, kW; F_пр — suprafața radiatoarelor, m 2 ; k_пр — coeficientul de transfer termic al radiatorului, kW/ (m 2 — °C); t_вн — este temperatura din interiorul încăperii încălzite, °C.

Debitul de apă în sistemul de încălzire se determină prin formula

aici c — capacitatea termică specifică a apei, kJ/(kg — °C); Δt_от — este diferența de temperatură în sistemul de încălzire, °С. Luând în considerare (2.11) și (2.12) se pot scrie următoarele relații:

unde t_пр, t_rev — sunt temperaturile apei directe și a apei de retur în sistemul de încălzire, °C. Temperatura de evaporare a agentului de lucru se calculează prin formula

unde Δt_и — este diferența finală de temperatură în evaporator, °C. Temperatura de condensare a agentului de lucru se determină din expresia

unde Δt_к — este diferența finală de temperatură în condensator, °C.

Eficiența utilizării apei cu potențial scăzut din LHW depinde de temperatura sa finală, care trebuie să fie cât mai scăzută posibil. Aceasta poate fi obținută fie într-o singură instalație HWT, fie într-un sistem cu utilizarea secvențială a apei în două sau mai multe instalații HWT. Obținerea unei temperaturi finale scăzute a apei termale într-o unitate de cogenerare conduce la o temperatură de vaporizare și mai scăzută a agentului de lucru din pompa de căldură, ceea ce reduce randamentul de conversie și eficiența unității de cogenerare. Dacă este necesar să se obțină temperaturi de condensare suficient de ridicate ale agentului de lucru, eficiența economică a unei astfel de instalații devine minimă. Curgerea consecutivă a apei termale prin evaporatoarele a două și mai multe UTR permite realizarea procesului de evaporare a agentului de lucru la diferite niveluri de temperatură, ceea ce duce la creșterea coeficientului total de conversie al UTR și la economisirea energiei electrice cheltuite pentru acționare. În funcție de parametrii agentului de răcire primar (debit și temperatură) și de cerințele consumatorului privind temperatura finală, în TST pot fi incluse până la trei TST.

Schema tehnologică principală a TTS format din două TST este prezentată în Fig. 2.4.

După reducerea temperaturii în evaporatoarele unității de tratare a apei termale, apa termală cu grad scăzut de salinitate este trimisă la unitatea de tratare chimică a apei și apoi la rețeaua de apă rece și caldă și la sistemul de încălzire. Prima UTR este utilizată pentru încălzire, deoarece este posibil să se obțină o temperatură de condensare ridicată în condiții de funcționare acceptabile din punct de vedere economic. O parte din energia termică extrasă din răcitor în timpul răcirii condensatului este utilizată pentru alimentarea cu apă caldă. A doua unitate de cogenerare, care primește apă termală la temperatură joasă și unde temperaturile medii de condensare sunt cele mai optime, este utilizată numai pentru alimentarea cu apă caldă. În această schemă tehnologică se obține utilizarea maximă a producției din puțul geotermal atunci când se rezolvă simultan problemele de încălzire și de alimentare cu apă caldă și rece, adică potențialul termic al apei termale și apa însăși sunt utilizate pentru alimentarea cu apă caldă și rece. Astfel de scheme tehnologice sunt în primul rând de perspectivă pentru așezările mici, unde există întotdeauna probleme de încălzire și de alimentare a populației cu apă potabilă de calitate.

Sisteme de alimentare cu căldură prin pompe de căldură cu schimbătoare de căldură subterane în foraje verticale

În absența apei subterane sau a apei cu temperatură scăzută la adâncimi mici în centralele termice cu capacitate redusă, este posibilă utilizarea căldurii din sol. Această sursă de căldură ecologică este utilizată pe scară largă în SUA, Danemarca, Germania, Elveția, Suedia, Norvegia. Pentru extragerea căldurii sunt utilizate schimbătoare de căldură subterane. În Rusia a fost acumulată o anumită experiență în utilizarea căldurii din sol. Folosind tehnologiile Insolar-Invest JSC, au fost implementate o serie de proiecte TST care utilizează energia termică cu potențial scăzut a straturilor de suprafață ale pământului (complexul demonstrativ „Ecopark-Fili”, alimentarea cu energie termică a unei școli rurale din regiunea Yaroslavl, clădire rezidențială eficientă din punct de vedere energetic din Moscova).

Pentru implementarea pe scară largă a TST cu schimbătoare de căldură subterane, este necesar să se dezvolte modele optime de schimbătoare de căldură, să se studieze influența reciprocă a pompei de căldură și a schimbătoarelor de căldură subterane și să se optimizeze modurile de funcționare ale întregii instalații. Schimbătoarele de căldură din sol pot fi amplasate orizontal (la o adâncime de până la 3 m) și vertical (schimbătoare de căldură de foraj). Cel mai eficient este schimbătorul de căldură subteran vertical. O gaură de foraj verticală (fig. 2.5), în interiorul căreia este amplasată o conductă izolată suplimentară cu un diametru mai mic, poate servi ca un astfel de schimbător de căldură. Agentul de răcire intermediar (apa) coboară prin spațiul inelar intertubular al schimbătorului de căldură și extrage căldură din roca înconjurătoare, apoi, în stare încălzită, urcă prin conducta interioară.

Procesul de transfer de căldură în schimbătorul de căldură vertical subteran luând în considerare condiția limită t₁(z = 0) = t_н este descris de ecuația

unde t₁ — temperatura agentului de răcire intermediar, °С; z — coordonata verticală, m; k — coeficientul liniar de transfer de căldură de la rocă la agentul de răcire intermediar, W/m — °С; G — debitul masic al agentului de răcire intermediar, kg/s; c_p — capacitatea termică a agentului intermediar de răcire, J/kg — °C; t₀— temperatura stratului neutru, °С; G — gradientul geotermal, °С/m; t_н — este temperatura agentului de răcire intermediar la intrarea în schimbătorul de căldură, °С.

Rezolvând (2.16), se obține o formulă pentru determinarea naturii variației temperaturii agentului de răcire intermediar la adâncimea schimbătorului de căldură subteran.

Parametrii incluși în (2.17), cu excepția coeficientului de transfer termic k, sunt cunoscuți în prealabil. Pentru a determina k, este necesar să se cunoască raza zonei de perturbare a câmpului de temperatură în rocă în jurul găurii de sondă.

Circulația agentului de răcire intermediar în schimbătorul de căldură vertical din sol afectează câmpul termic din jurul forajului. Diametrul zonei de perturbare a câmpului de temperatură depinde de diametrul găurii de sondă, de intensitatea și durata funcționării schimbătorului de căldură subteran, de temperatura și proprietățile termofizice ale rocilor și ale agentului intermediar de răcire. Teoretic, atunci când agentul de răcire intermediar circulă, temperatura rocilor ar trebui să varieze pe o distanță infinit de mare. Cu toate acestea, este întotdeauna posibil să se identifice o limită în rezervor dincolo de care rezervorul își păstrează temperatura naturală. Raza de influență termică R este determinată de formula

Aici a este conductivitatea termică a rocilor, , m 2 /c; τ este timpul, s.

Într-un astfel de caz, coeficientul liniar de transfer termic este determinat prin formula:

unde d₃ — diametrul găurii de foraj la bit, m; d₁, d₂ — diametrele interioare și exterioare ale șirului exterior de conducte; λ_п, λ_ц, λ_м — sunt coeficienții de transfer termic ai rocii, inelului de ciment și metalului, respectiv, W/(m-°C); α este coeficientul de transfer termic de la peretele interior al șirului de conducte exterioare la mediul intermediar de transfer termic, W/(m 2 -°C).

Studiile arată că, odată cu creșterea duratei de funcționare a schimbătorului de căldură, eficiența eliminării căldurii din rocă scade (valoarea coeficientului de transfer de căldură k de la sol la agentul intermediar de răcire scade). Creșterea debitului agentului de răcire intermediar conduce la o oarecare creștere a coeficientului de transfer termic în perioada inițială de funcționare a sondei. Ulterior, odată cu creșterea duratei de exploatare, rezistența termică a rocilor devine cea mai importantă în procesul de transfer de căldură. Datorită faptului că coeficientul de transfer termic la o perioadă scurtă de funcționare a sondei este mult mai mare decât la funcționarea acesteia pe o perioadă îndelungată, schimbătorul de căldură de la adâncimea de 100 m, care funcționează timp de 24 de ore, este practic egal din punct de vedere al căldurii extrase cu schimbătorul de căldură de la adâncimea de 200 m, care funcționează continuu pe parcursul întregului sezon de încălzire. Calculele arată că debitul optim al agentului de răcire intermediar este de 0,5- 0,6 kg/s. Creșterea în continuare a debitului nu conduce practic la creșterea cantității de căldură extrasă din rocă.

Energia termică extrasă din schimbătorul de căldură subteran depinde liniar de adâncimea schimbătorului de căldură. Astfel, căldura specifică q extrasă dintr-o rocă la 1 m de adâncime a schimbătorului de căldură este: pentru o adâncime a schimbătorului de căldură de 200 m și funcționarea acestuia în 150 de zile q = 33 W/m; la o adâncime a schimbătorului de căldură de 100 m și funcționarea acestuia în 2 zile q = 60 W/m.

Optimă este TST cu două schimbătoare de căldură subterane în foraje verticale care funcționează alternativ în mod ciclic (un foraj funcționează 24 de ore, celălalt este inactiv pentru a restabili câmpul de temperatură din jurul forajului). Dezavantajul TST cu două sonde este necesitatea de a comuta frecvent fluxul de circulație de la o sondă la alta. În același timp, în TST cu un singur puț cu o adâncime de 200 m, costurile de capital pentru dispozitivul său sunt mai mari decât costurile totale pentru dispozitivul a două puțuri cu o adâncime de 100 m fiecare. În plus, costurile de exploatare asociate pompării agentului de răcire într-o sondă adâncă sunt mai mari din cauza creșterii de 2 ori a pierderilor de sarcină prin frecare la înălțimea schimbătorului de căldură.

Fig. 2.6 prezintă schema tehnologică de bază a TST cu două schimbătoare de căldură subterane verticale, dezvoltată în cadrul IPG DNC RAS. În schema propusă, supapele 1 sunt închise, iar agentul de răcire intermediar circulă de-a lungul conturului „schimbător de căldură subteran stâng — evaporator pompă de căldură — pompă de circulație”. După un anumit timp, supapele 1 sunt deschise cu închiderea simultană a supapelor 2 și agentul termic este comutat la schimbătorul de căldură din dreapta.

Alegerea finală a schemei tehnologice a TST, a modului de funcționare, a adâncimii și a numărului de schimbătoare de căldură subterane depinde de studiul de fezabilitate, luând în considerare costurile de capital și de exploatare, proprietățile miniere și geologice și termofizice ale rocilor din secțiune și condițiile hidrogeologice. Prezența orizontului de apă subterană în secțiunea parcursă în timpul forajului va permite reducerea atât a adâncimii forajelor, cât și a numărului acestora.

Sistemele de alimentare cu căldură cu pompe de căldură cu schimbătoare de căldură subterane verticale pot fi aplicate cu succes pentru crearea unor sisteme descentralizate ecologice de încălzire și alimentare cu apă caldă pentru consumatorii din mediul rural. Puțurile cu schimbător de căldură nu necesită achiziționarea unor terenuri vizibile și pot fi construite sub fundația clădirii sau în imediata apropiere a acesteia. Utilizarea pe scară largă a acestor tehnologii de furnizare a căldurii nu numai că va rezolva problemele legate de achiziționarea și livrarea purtătorilor de energie în așezările izolate, dar va contribui în mod semnificativ și la transformarea socială a zonelor rurale.

Fig. 2.7 prezintă schema TST cu o unitate automată cu pompă de căldură ATNU-10 (dezvoltată de JSC Insolar-Invest). Unitatea automatizată ATNU-10 este utilizată ca parte a TST pentru încălzire, răcire și alimentare cu apă caldă. Unitatea este compusă din pompa de căldură NTB-10 cu unitate de automatizare și unitate de alimentare cu apă caldă cu automatizare (HWU). Agentul termic intermediar (apa) circulă în bucla „puț — schimbător de căldură — pompă de circulație — evaporator”, preia căldura din puț de la roca înconjurătoare și o transferă în evaporator agentului de lucru cu fierbere scăzută R22. Agentul de răcire din evaporator este răcit cu 4 °C. Căldura extrasă din rocă este transferată prin condensator către circuitul de alimentare cu căldură — către sistemul de apă caldă menajeră și de încălzire. Încăperile sunt încălzite cu ajutorul elementelor de pardoseală și al radiatoarelor cu panou, unde agentul de răcire este răcit cu 8-10 °С. La temperaturi exterioare scăzute, acționarea electrică de vârf este pornită.

Funcționarea eficientă a pompelor de căldură NTB-10, care sunt utilizate pentru încălzire în TST, este asigurată de

• cerințe ridicate pentru izolarea termică a spațiilor încălzite (consumul maxim de căldură nu trebuie să depășească 80 W/m 2 );
• prezența unui sistem de încălzire cu temperatură joasă, care furnizează suficientă căldură pentru confort la valori ale temperaturii agentului termic în conducta de alimentare care nu depășesc 40-45 °С. Încălzirea prin pardoseală, convectoarele, radiatoarele cu panou cu o suprafață suficient de mare au perspective foarte bune în acest sens.

Unitatea de alimentare cu apă caldă constă dintr-un rezervor de acumulare a apei calde cu dispozitive de automatizare și control, încălzitoare electrice încorporate (TENS), schimbător de căldură, unitate de automatizare.

Rezervorul de acumulare este proiectat pentru 200 de litri de apă, temperatura apei din rezervor atunci când se încălzește de la pompa de căldură este de aproximativ 37-42 °C, iar de la încălzitoarele electrice — 75 °C. Timpul de încălzire a apei de la pompa de căldură la o temperatură de 40 ° C este de 5 ore, productivitatea la o temperatură a apei din rezervor-acumulator 37 ° C este egală cu 1500 litri / zi. Unitatea de automatizare menține temperatura apei din rezervorul-acumulator setată de consumator. Dacă este necesar să se ridice temperatura apei până la 75 ° C sau să se încălzească rapid un volum suplimentar de apă, se pornesc încălzitoarele electrice.

Datorită automatizării complete a TCT cu ATNU-10, acesta nu necesită întreținere constantă. Într-o casă echipată cu un astfel de TCT, ocupantul însuși stabilește temperatura pe care dorește să o aibă în camere pe panoul de control. Senzorii de temperatură instalați în casă vor porni sau opri automat pompa de căldură, menținând astfel temperatura setată. Noaptea sau atunci când ocupanții sunt plecați pentru perioade lungi de timp, se poate seta o temperatură mai scăzută în cameră, ceea ce va reduce semnificativ costurile cu energia pentru încălzire.

Ținând cont de faptul că straturile superficiale ale solului reprezintă o sursă de căldură cu potențial scăzut destul de universală și universal disponibilă, posibilitățile de aplicare a tehnologiilor TST cu schimbătoare de căldură verticale subterane în Rusia sunt nelimitate. În prezent, în țară există peste 30 de milioane de generatoare individuale de căldură, care dispun, de regulă, de echipamente cu eficiență scăzută și emisii sporite de poluanți în atmosferă, care ar trebui abandonate în viitorul apropiat. Cea mai promițătoare direcție pentru rezolvarea unei astfel de probleme este introducerea pe scară largă a tehnologiilor de alimentare cu căldură prin pompe de căldură cu schimbătoare de căldură subterane în foraje verticale.

Aspecte ecologice și economice ale utilizării pompelor de căldură

Pompele de căldură au fost dezvoltate pe scară largă în străinătate datorită următorilor factori

• rentabilitatea (este nevoie de 0,2-0,35 kW de energie electrică pentru a transfera 1 kW de energie termică către sistemul de încălzire)
• respectarea mediului (nu se arde combustibil și nu se produc emisii nocive)
• întreținere minimă (este necesar un operator pe tură pentru întreținerea unei unități de cogenerare cu o capacitate de până la 10 MW);
• perioadă scurtă de recuperare a investiției datorită costului scăzut al căldurii produse.

Eficiența utilizării pompelor de căldură este demonstrată în analiza comparativă cu sistemele tradiționale de alimentare cu energie termică. De exemplu, o pompă de căldură consumă de 3-4 ori mai puțin combustibil decât o cazangerie alimentată cu cărbune. Posibilitatea poluării mediului atunci când se utilizează o pompă de căldură se datorează doar emisiilor asociate producției de energie electrică care asigură funcționarea pompei de căldură. O pompă de căldură care funcționează direct la locul de instalare nu produce emisii nocive. În cazul în care energia electrică este produsă de o centrală hidroelectrică, producția de căldură prin pompe de căldură este, desigur, o tehnologie absolut curată din punct de vedere al mediului. Prin urmare, evaluarea de mediu a tehnologiei pompelor de căldură poate fi evaluată în raport cu varianta în care energia electrică este generată de centrale termice pe bază de cărbune sau petrol. În mod firesc, volumul emisiilor nocive în cazul obținerii de căldură cu ajutorul pompelor de căldură depinde de coeficientul de conversie μ, care arată ce proporție de energie electrică trebuie cheltuită pentru fiecare unitate de energie termică produsă de pompa de căldură.

Tabelul 2.1 prezintă o evaluare comparativă a emisiilor nocive provenite de la diferite surse de căldură cu o capacitate termică unitară de 1 Gcal/h (1,16 MW) în timpul perioadei de încălzire (5500 h pentru regiunea Siberia de Vest). Datele din tabel arată că trecerea la alimentarea cu căldură prin pompe de căldură permite reducerea drastică a emisiilor nocive, de 3-8 ori.

La aceeași putere termică, de exemplu, 1,16 MW, economia specifică de combustibil la utilizarea sistemului de pompe de căldură va fi de 0,277 — 0,335 t e.c. în comparație cu încălzirea electrică, 0,113-0,121 t e.c. în comparație cu cazanul pe cărbune (factor de eficiență = 0,65), cazan pe gaz natural (factor de eficiență = 0,8) 0,072-0,13 t e.c., unde prima valoare se referă la utilizarea în pompa de căldură a unei surse de căldură cu potențial scăzut, cu temperatura de 5 °C, iar a doua — la utilizarea unei surse de căldură cu temperatura de 40 °C.

Costul energiei termice produse prin metode tradiționale în centrele urbane (cazane) și în orașele mari (centrale de cogenerare și cazane) este de 2-4 ori mai mare decât în instalațiile cu pompe de căldură.

Fezabilitatea economică a proiectelor de economisire a energiei prin utilizarea TNU este determinată pe baza eficienței economice comparative a investițiilor de capital necesare pentru punerea în aplicare a unei astfel de acțiuni, adică prin compararea costurilor și a rezultatelor obținute la anumite costuri. Cea mai oportună este varianta de decizie la care costurile reduse sunt minime:

unde Z_п— costurile actuale, RUB/an; α este factorul de reducere; K sunt cheltuielile de capital pentru implementarea proiectului, RUB; E sunt costurile de exploatare, RUB/an; E este rentabilitatea (eficiența) proiectului, RUB/an.

Coeficientul de reducere se calculează luând în considerare coeficientul normativ al eficienței investițiilor de capital. Cheltuielile de capital sunt determinate pe baza valorilor agregate ale investițiilor de capital, luând în considerare instalarea echipamentelor, formarea personalului de exploatare și punerea în funcțiune la cheie a instalației. Potrivit ZAO „Energia” (Novosibirsk), care produce pompe de căldură și are o vastă experiență în implementarea și exploatarea acestora, costul agregat al pompelor de căldură este determinat pe baza capacității sale termice și este egal cu 3500 mii ruble pentru 1 Gcal/h. Perioada de amortizare a pompelor de căldură este de 2 ani, iar costul căldurii generate de centralele electrice bazate pe acestea este de aproximativ 40-65% din costul căldurii generate la CHPP.

În ciuda avantajelor evidente ale pompelor de căldură, introducerea acestora întâmpină anumite dificultăți legate de problemele legislative, juridice, economice, financiare, de reglementare, tehnice și tehnologice nerezolvate. Nu în ultimul rând, rolul este jucat de marea noutate și necunoașterea acestei tehnici de către consumatorii noștri.