Разработка и исследование теплонасосной системы отопления сельского дома на основе использования низкопотенциальной теплоты открытого водотока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.08, кандидат наук Сычев Арсений Олегович

• Сычев Арсений Олегович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Сычев Арсений Олегович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Сфера теплоснабжения в России и перспективы использования в ней возобновляемых источников энергии

1.2 Принцип действия, история развития и внедрения тепловых насосов

1.3 Источники низкопотенциальной теплоты

1.4 Способы отбора низкопотенциальной теплоты от водной среды

1.5 Выводы по главе

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТЕПЛОНАСОСНЫХ СИСТЕМ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ

НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНУЮ ТЕПЛОТУ ВОДОТОКА

2.1 Анализ применяемых конструкций и выбор схемных решений

2.2 Постановка задачи оптимизации

2.3 Разработка расчётной программы

2.4 Проведение предварительных расчётов. Выбор материала труб и состава теплоносителя

2.5 Оптимизация теплообменника для экспериментальной теплонасосной установки

2.6 Выработанные конструктивные решения

2.7 Анализ влияния обледенения посредством расчётной программы

2.8 Выводы по главе

3 РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА

3.1 Разработка и изготовление теплонасосной установки

3.1.1 Описание теплонасосной установки

3.1.2 Изготовление плавучего теплообменника и организация низкотемпературного контура

3.1.3 Изготовление компрессорного блока теплового насоса

3.2 Разработка системы мониторинга параметров работы экспериментальной теплонасосной установки

3.2.1 Описание системы мониторинга

3.2.2 Схема подключения датчиков температуры

3.2.3 Схема подключения датчиков и измерителей с импульсным и

частотным выходом

3.2.4 Схема подачи сигналов с нескольких датчиков на один вход аналого-цифрового преобразователя

3.3 Разработка программного модуля для системы мониторинга

3.3.1 Описание программного модуля

3.3.2 Преобразование сигналов с терморезисторов в показания температуры

3.3.3 Фильтрация шумов

3.3.4 Преобразование импульсных сигналов в показания

3.3.5 Обработка совмещённых сигналов от нескольких датчиков

3.3.6 Диагностика установившихся режимов работы

3.4 Выводы по главе

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ТЕПЛОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНУЮ ТЕПЛОТУ ВОДОТОКА

4.1 Измерения характеристик циркуляционных насосов при работе с теплоносителем на основе хлорида кальция

4.2 Исследования на экспериментальной теплонасосной установке

4.3 Выводы по главе

5 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ ТЕПЛОНАСОСНОЙ СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ПРОГРАММА РАСЧЁТА И ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛООБМЕННИКА ДЛЯ ВОДОТОКА В СРЕДЕ MATHCAD

ВВЕДЕНИЕ

Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) по большей своей части несут энергию Солнца. Использование такой энергии вместо энергии, получаемой из ископаемого топлива, на данный момент является практически единственным путём надёжного обеспечения человечества энергией в долгосрочной перспективе, не грозящим дальнейшим ухудшением экологической обстановки и состояния климата. В то же время ресурсы ископаемых видов топлива расходуются высокими темпами и уже в этом столетии их дефицит может существенно сказаться на жизни людей [42], в связи с чем требуется скорейший переход на использование ВИЭ. При этом, говоря о ВИЭ, следует должное внимание уделять и возможности использования энергии Солнца, накопленной в окружающей среде в виде низкопотенциальной теплоты.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование теплонасосной системы отопления сельского дома на основе использования низкопотенциальной теплоты открытого водотока»

Актуальность темы

В удалённых и вновь осваиваемых регионах России и других подобных стран представляют интерес системы, позволяющие сократить затраты на теплоснабжение жилых и производственных объектов. Как правило, это одна из наиболее затратных статей в расходах. Поиск эффективных путей решения проблемы теплоснабжения - актуальнейшая проблема. Один из путей её решения - использование низкопотенциальной энергии окружающей среды с применением тепловых насосов (ТН). Такие устройства вырабатывают, используя низкопотенциальную теплоту (НПТ), примерно в 3..5 раз больше высокопотенциальной тепловой энергии, чем затрачивают механической или электрической. При этом эффективность теплового насоса тем выше, чем выше температура источника НПТ. В получивших распространение в ряде стран, таких как США, Германия, Япония и других, теплонасосных установках (ТНУ) в качестве источников НПТ, как правило, используют окружающий воздух, грунт или грунтовые воды. Не менее эффективным источником может быть и водная среда поверхностных водоёмов и водотоков. В то же время работы, посвящённые вопросу использованию НПТ водотоков, крайне малочисленны. Отсутствие научно-методической базы создания подобных теплонасосных систем и

в особенности контура обора НПТ существенно сдерживает их распространение.

Степень разработанности

Произошедшее за последний век развитие теплонасосной техники и её внедрение во многие сферы жизни было бы невозможно без трудов большого числа учёных и научных коллективов по всему миру. За рубежом вопросами применения теплонасосных установок (ТНУ) занимались такие учёные как Рей Д., Макмайкл Д., Доссат Р. Дж., Хайнрих Г., Мааке В., Эккерт Г.-Ю., Кашпен Ж.-Л. и др. Из числа отечественных учёных значительный вклад внесли Мартыновский В. С., Калнинь И. М., Янтовский Е.И., Соколов Е. Я., Амерханов Р. А., Васильев Г. П., Елистратов С. Л., Огуречников Л. А. и др. При этом на сегодняшний день ощущается нехватка исследований, посвящённых вопросу использования теплоты открытых водных источников.

Цель исследования - разработка и исследование теплонасосной системы, позволяющей обеспечить экономичное теплоснабжение сельского дома с использованием низкопотенциальной теплоты открытого водотока.

Задачи исследования

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- разработать методику расчёта низкотемпературного контура теплонасосной установки для эффективного отбора низкопотенциальной теплоты от водотока;

- разработать технические решения, направленные на технико-экономическую оптимизацию контура отбора низкопотенциальной теплоты от открытого водотока;

- спроектировать и изготовить теплонасосную систему теплоснабжения сельского дома с использованием низкопотенциальной теплоты открытого водотока;

- разработать средства мониторинга параметров работы теплонасосной установки с контуром отбора низкопотенциальной теплоты от открытого водотока;

- провести исследование работы теплонасосной системы отопления дома с контуром отбора низкопотенциальной теплоты от водотока.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель и методика расчёта низкотемпературного контура теплонасосной установки со входящим в состав погружным теплообменником с учётом возможности обледенения теплообменной поверхности;

2. Предложены и обоснованы новые технические решения для эффективного отбора низкопотенциальной теплоты от водотока (новизна подтверждена патентом на изобретение);

3. Исследован процесс отбора низкопотенциальной теплоты посредством разработанного плавучего теплообменника и получены данные о влиянии условий эксплуатации теплообменника на эффективность отбора теплоты.

Теоретическая и практическая значимость:

1. Методика расчёта низкотемпературного контура ТНУ, реализованная в виде программы-расчёта в среде MathCAD, позволяет проектировать оптимальные с технико-экономической точки зрения погружные теплообменники для водотока и в целом низкотемпературные контуры ТНУ, содержащие такие теплообменники. В частности, методика позволяет рассчитывать оптимальный расход теплоносителя в контуре.

2. Предложенные решения по построению ТНУ с использованием низкопотенциальной теплоты водотока, в частности, использование плавучего теплообменника вода-теплоноситель, теплоносителя на основе хлористого кальция и другие, позволяют создавать эффективные ТНУ с использованием низкопотенциальной теплоты водотока, обладающие минимальным сроком окупаемости.

3. Экспериментальная ТНУ вместе с системой мониторинга позволяет проводить исследования, направленные на оптимизацию и усовершенствование подобных установок.

4. Разработанные принципы построения системы мониторинга, в частности, предложенные решения по подключению нескольких датчиков на один канал аналого-цифрового преобразователя (АЦП), позволяют строить системы сбора

данных как для целей измерения параметров и оценки эффективности работы ТНУ, так и для других целей, при этом позволяя использовать АЦП с меньшим числом входов.

5. Разработанная на основе результатов диссертационной работы ТНУ с использованием теплоты водотока внедрена и используется для отопления дома правления СНТ «Московская правда» (подтверждено актом внедрения).

Методология и методы исследования

Научные исследования проводились с использованием математического аппарата теории тепломассообмена, в вычислениях применялись как аналитические, так и численные методы. Трёхмерное моделирование разрабатываемых конструкций выполнялось в системе автоматизированного проектирования KOMnAC-3D. Обработка экспериментальных данных выполнена с использованием компьютерных программ Microsoft Excel и Advanced Grapher.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Низкопотенциальная теплота открытых водотоков может использоваться для целей теплоснабжения через применение разработанной теплонасосной системы с предложенными решениями по отбору теплоты, которые обеспечивают многократное снижение материалоёмкости при сохранении высокой эффективности.

2. Предложенная математическая модель адекватно отражает процессы, происходящие при отборе теплоты от водотока посредством погружного трубчатого теплообменника и позволяет прогнозировать параметры работы теплонасосной установки, содержащей такой теплообменник.

3. Разработанная методика расчёта и оптимизации низкотемпературного контура теплонасосной установки позволяет оптимизировать размеры погружных теплообменников для водотока и в целом низкотемпературные контуры теплонасосных установок, содержащие такие теплообменники.

4. Разработанный погружной теплообменник вода-теплоноситель при предложенных схемах его размещения в водотоке и правильном расчёте обеспечивает высокий удельный тепловой поток (более 560 Вт/(м2-К) при скорости

течения 0,15 м/с) и позволяет повысить технико-экономическую эффективность теплонасосных установок, использующих теплоту водотока.

Степень достоверности основных положений и выводов подтверждается использованием обоснованных научных методов и адекватного математического аппарата, применением современных методик, приборов и оборудования, а также высокой степенью соответствия результатов расчётов и результатов измерений, выполненных на экспериментальной установке.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены на:

- ежегодных международных научно-технических конференциях молодых учёных и специалистов «Инновации в сельском хозяйстве» (ГНУ ВИЭСХ/ФГБНУ ФНАЦ «ВИМ», Москва, 2012-2019 гг.);

- ежегодных международных научно-технических конференциях «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (ГНУ ВИЭСХ, Москва, 2012-2017 гг.);

- ежегодных международных научно-технических конференциях «Агроинженерные инновации в сельском хозяйстве» (ФГБНУ ФНАЦ «ВИМ», Москва, 2017-2019 гг.);

- международной конференции «International Conference of Industrial Technologies and Engineering (ICITE) 2014» (Чимкент, Казахстан, 2014 г.);

- XII международной ежегодной конференции «Возобновляемая и малая энергетика - 2015» (Москва, 2015 г.);

- I международной конференции «International Conference on Intelligent Computing and Optimization (ICO) 2018» (Паттайя, Таиланд, 2018 г.);

- всероссийской научно-технической онлайн видеоконференции «Электрооборудование, электротехнологии и возобновляемые источники энергии в АПК» (ФГБНУ ФНАЦ «ВИМ», Москва, 2020 г.);

- международной научно-практической конференции молодых учёных и специалистов «Агроинженерные инновации в сельском хозяйстве» (ФГБНУ ФНАЦ «ВИМ», Москва, 2021 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях из перечня ведущих периодических изданий, определенных ВАК РФ, 3 в международных базах цитирования (WoS, Scopus), а также получены 1 патент РФ на изобретение и 1 патент РФ на полезную модель. Объём публикаций 11,81 п.л., из которых доля авторского вклада - 8,56 п.л.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения, изложенных на 189 страницах печатного текста. Диссертация содержит 89 рисунков, 2 таблицы, список литературы и одно приложение.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Сфера теплоснабжения в России и перспективы использования в ней возобновляемых источников энергии

Суровые климатические условия на большей части территории России делают отопление одним из наиболее социально значимых и одновременно энергоёмких секторов экономики. Производство тепловой энергии в стране в значительной мере обеспечивается крупными источниками централизованного теплоснабжения, работающими на ископаемых видах топлива. К таким крупным теплоисточникам относятся тепловые электростанции, которых насчитывается более 500, и котельные различных мощностей, которых в России около 74 тысяч. Немалый вклад дают и котельные предприятий, а также котлы малой мощности, общее количество которых исчисляется сотнями тысяч. Суммарная годовая выработка тепловой энергии источниками различного типа оценивается примерно в 2 млрд Гкал, а совокупный расход сожжённого топлива в условном исчислении в тепловой энергетике и теплоснабжении России составляет примерно 400 млн т у.т./год (389,5 млн т у.т. по данным за 2016 год) или около 40 % от всех потребляемых в стране энергоресурсов. При этом на теплообеспечение коммунально-бытового сектора приходится около половины производимой тепловой энергии [52,32].

Помимо потребления непосредственно сжигаемого топлива процессы выработки и передачи тепловой энергии сопровождаются довольно существенным расходом электроэнергии. На нужды систем теплоснабжения ежегодно расходуется примерно 25,5 млрд кВт-ч электроэнергии или 4,1 % от общей выработки электроэнергии тепловыми электростанциями России. Удельные затраты электроэнергии на отпуск тепла источниками в среднем составляют 36,7 кВт-ч/Гкал для ТЭС и 27,6 кВт-ч/Гкал для котельных. Затраты на перекачку теплоносителя в среднем оцениваются в 3,3 кВт-ч/Гкал, а в Сибири -

6.2 кВт-ч/Гкал. В среднем удельный расход электроэнергии на 1 Гкал тепла на ТЭС и котельных можно оценить как примерно равный, составляющий величину около

30..35 кВт-ч на 1 Гкал [52].

Согласно энергетической стратегии России на период до 2030 года [62] стратегическими целями развития сферы теплоснабжения являются в числе прочего:

- достижение высокого уровня комфорта в жилых, общественных и производственных помещениях, включая количественный и качественный рост комплекса услуг по теплоснабжению (отопление, ГВС), вентиляции и хладоснабжению (кондиционирование), высокий соответствующий ведущим европейским странам уровень обеспеченности населения и отраслей экономики страны этим комплексом услуг при доступной их стоимости;

- кардинальное повышение технического уровня систем теплоснабжения на основе инновационных, высокоэффективных технологий и оборудования;

- обеспечение управляемости, надёжности, безопасности и экономичности теплоснабжения;

- снижение негативного воздействия на окружающую среду.

Среди задач, решение которых необходимо для достижения поставленных целей, в энергетической стратегии обозначены следующие:

- модернизация и развитие систем децентрализованного теплоснабжения с применением высокоэффективных конденсационных газовых и угольных котлов, когенерационных, геотермальных, теплонасосных и других установок;

- оптимальное сочетание централизованного и децентрализованного теплоснабжения с выделением соответствующих зон.

Предполагается, что перспективная структура, а также объёмы производства и потребления тепловой энергии на рассматриваемый период должны быть максимально ориентированы на обеспечение потребностей экономики России и учитывать уже начавшуюся деурбанизацию городских поселений, включая вынос за пределы городской застройки промышленного производства и активное развитие индивидуального малоэтажного строительства, доля которого планируется на уровне 52-55 % всего вводимого в эксплуатацию жилого фонда. Малоэтажная застройка, как правило, будет обеспечиваться индивидуальными

теплогенераторами, а многоэтажная - централизованными (частично децентрализованными) источниками.

Кроме того, увеличится использование теплоутилизационных установок и особенно возобновляемых источников тепла на базе геотермальной, солнечной энергии и биомассы. В результате доля котельных в производстве тепловой энергии в системах ЦТ уменьшится с 49 % до 40 % к концу 3-го этапа реализации энергетической стратегии [62].

В качестве одной из наиболее важных задач в энергетической стратегии называется энергосбережение в сфере производства тепловой энергии, которое должно осуществляться в числе прочего по следующим направлениям:

- развитие систем распределённой генерации тепла с вовлечением в теплоснабжение возобновляемых источников энергии;

- обоснованное разделение сферы централизованного и децентрализованного теплоснабжения.

В России централизованные системы (на основе ТЭЦ, крупных котельных, систем отвода тепла от АЭС и других источников) обеспечивают теплоснабжение порядка 72 % всех потребителей тепла. В децентрализованном секторе снабжения (28 % производства теплоты) на долю котельных приходится примерно 1/3 выработки, а на долю различных индивидуальных и автономных теплогенераторов - 2/3 или около 18 % общей выработки [31].

Децентрализованное теплообеспечение характерно прежде всего для сельской местности. При этом доля сельского населения составляет более четверти всего населения страны (37,2 млн. человек) [34]. С учётом тенденций к размещению предприятий за пределами городов и развития индивидуального малоэтажного строительства не ожидается уменьшения доли потребителей тепла, расположенных вне имеющихся сетей централизованного теплоснабжения. Организация централизованного теплоснабжения в случае сельскохозяйственных и прочих объектов, размещаемых на больших площадях, нецелесообразна. Это связано, во-первых, с высокой стоимостью подведения необходимых коммуникаций, и, во-вторых, со значительными тепловыми потерями при передаче теплоты на

большие расстояния. Таким образом, организация теплоснабжения на местах должна решаться индивидуально и в соответствии с имеющимися на объекте возможностями.

В ряде случаев может быть целесообразен переход от имеющегося централизованного теплоснабжения к индивидуальным теплоисточникам. Это может быть актуально для небольших населённых пунктов, таких как сельские поселения, теплоснабжение которых обеспечивается местными котельными. Затраты на теплоснабжение сельских поселений, как правило, выше аналогичных затрат в крупных городах. Это связано с меньшим количеством абонентов, подключённых к котельной, с зачастую значительной изношенностью оборудования и теплофикационных сетей, что ведёт к увеличенным потерям и дополнительным расходам на поддержание работоспособности и устранение аварий, и с прочими факторами.

Независимо от способа обеспечения объекта тепловой энергией, затраты на теплоснабжение являются одной из существенных статей расходов. Известно, что около 60 % энергопотребления частных жилых домов приходится на отопление и горячее водоснабжение [20]. С учётом действующих цен на газ индивидуальное теплоснабжение на основе котла, работающего от магистрального газа, на сегодняшний день, как правило, является наиболее или одним из наиболее выгодных способов автономного обеспечения теплом. Однако степень газификации территорий вне крупных населённых пунктов не столь высока, и, кроме того, даже в случае расположения объекта поблизости от газопровода стоимость подключения к нему порой оказывается неоправданно высокой.

Помимо магистрального газа в качестве возможных ресурсов для выработки теплоты могут выступать:

- электроэнергия из сети или микросети;

- завозное топливо различных видов;

- энергия биомассы;

- солнечная тепловая энергия (посредством солнечных коллекторов).

Из перечисленных выше ресурсов наиболее универсальным, и кроме того

характеризующимся наименьшими сложностями в организации и обслуживании системы теплоснабжения, является электроэнергия. Другие ресурсы могут быть недоступны в нужном объёме (особенно это относится к солнечной энергии в холодное время года), а также зачастую могут не удовлетворять требованиям к источнику теплоснабжения или быть сопряжёнными с нежелательными сложностями, такими как: необходимость организации отдельного помещения под размещение котла, отвечающего требованиям пожарной безопасности, необходимость отведения пространства под хранение топлива, проблематичность регулярного завоза топлива, необходимость чистки дымохода и прочего регулярного обслуживания и т.д.

Достаточно распространённый прямой электрообогрев является весьма нерациональным и затратным способом теплообеспечения. Значительно более целесообразным представляется использование электроэнергии в целях теплоснабжения посредством теплового насоса, на что требуется в 3-5 раз меньше электроэнергии, чем при прямом электрообогреве. В такой системе электрическая энергия не преобразуется непосредственно в тепловую, а используется для трансформации низкопотенциальной теплоты в более высокопотенциальную, пригодную для целей теплоснабжения. В качестве низкопотенциальной теплоты может использоваться теплота окружающей среды, которая, по сути, является возобновляемым ресурсом, либо бросовая теплота антропогенного происхождения, которая обычно не может быть использована иным способом и в результате оказывается рассеянной в окружающей среде.

При работе теплового насоса от электроэнергии, выработанной за счёт сжигания топлива, коэффициент использования первичной энергии топлива, равный отношению полученной полезной тепловой энергии к расчётной энергии, запасённой в топливе и получаемой при его сжигании, как правило оказывается не ниже, чем при сжигании топлива в отопительном котле непосредственно на объекте, и это без учёта тепла, которое остаётся после выработки электроэнергии на электростанции и как правило также идёт на цели теплоснабжения. При высокой эффективности системы значение этого коэффициента может превышать единицу,

то есть количество получаемой от теплового насоса теплоты может превышать количество энергии, выделяемое непосредственно при сжигании топлива.

В случае выработки электроэнергии для работы теплового насоса за счёт возобновляемых источников, например, на ВЭС или микроГЭС, теплоснабжение объекта оказывается полностью обеспеченным за счёт ВИЭ. Такая схема позволяет организовать полностью автономное теплоснабжение за счёт ВИЭ объектов, не имеющих подключения к централизованной электросети. Полностью автономное теплоснабжение на основе теплового насоса возможно в том числе в достаточно холодных регионах с низким уровнем инсоляции в зимний период, где альтернативная схема автономного теплоснабжения на основе солнечных коллекторов практически не имеет перспективы. Благодаря тому, что тепловой насос потребляет для своей работы в несколько раз меньше ценной энергии (электрической или механической в случае парокомпрессионного теплового насоса и высокопотенциальной тепловой в случае абсорбционного), чем вырабатывает тепловой, становится возможным обеспечивать его такой энергией в достаточном количестве от, например, ветрогенератора приемлемого размера или системы из нескольких различных генераторов на основе ВИЭ. В этом ключе необходимо упомянуть также одно из перспективных направлений - объединение ряда локальных потребителей электроэнергии и ряда источников генерации электроэнергии в так называемую микросеть [56,70].

1.2 Принцип действия, история развития и внедрения тепловых насосов

Тепловым насосом называется устройство, работающее по обратному термодинамическому циклу и предназначенное для переноса теплоты от источника низкого потенциала к приёмнику теплоты более высокого потенциала [32]. По своей сути ТН идентичен холодильной машине, только в отличие от последней, в которой выделение теплоты обычно рассматривается как побочный эффект, полезным действием теплового насоса является именно нагрев. Наиболее распространённым типом теплового насоса является парокомпрессионный. Абсорбционные машины используются реже и как правило это установки большой мощности.

Принципиальная схема системы теплоснабжения на основе парокомпрессионного ТН показана на рисунке 1.1. На схеме изображён обобщённый вариант системы, содержащей ТН, жидкостный контур отбора и передачи НПТ от источника к ТН и жидкостный контур распределения вырабатываемой теплоты. На практике система может не содержать того или иного жидкостного контура, если предполагается непосредственный теплообмен между средой и рабочим телом ТН без использования промежуточного теплоносителя.

КОНТУР ОТБОРА ТЕПЛОТЫ ТЕПЛОВОЙ НАСОС КОНТУР РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТЫ

расширительный клапан

Рисунок 1.1 - Принцип действия парокомпрессионного теплового насоса

В качестве рабочего тела в ТН применяют различные вещества, применяемые и в холодильной технике. В установках малой и средней мощности наиболее часто применяются соединения из класса хлорфторуглеводородов, обобщённо называемыми фреонами. На приведённой схеме ТН упрощённо показан в виде замкнутого фреонового контура, содержащего, подобно типичной парокомпрессионной холодильной машине, четыре основные элемента: испаритель, конденсатор, компрессор и дросселирующее устройство. В контуре имеется две зоны давления: высокого и низкого. Испаритель находится в зоне низкого давления и в нём происходит кипение фреона при температуре на несколько градусов ниже температуры источника НПТ с отбором теплоты от этого источника. Испарившийся фреон перекачивается компрессором в область высокого давления, где он конденсируется в конденсаторе при относительно высокой температуре, отдавая полезную теплоту. Сконденсировавшийся фреон затем возвращается в зону низкого давления, проходя через дросселирующее устройство, в качестве которого обычно выступает специальный

терморегулирующий вентиль, электронный регулирующий вентиль или капиллярная трубка. На практике контур ТН обычно включается в себя ещё ряд вспомогательных элементов. Нередко ТН выполняется по реверсивной схеме, при которой возможно переключение направления движения фреона и, соответственно, изменение направления «перекачивания» теплоты.

Помимо упомянутой классификации по принципу действия, ТН и ТНУ принято классифицировать и по ряду других признаков, основные из которых: используемый источник НПТ (наружный воздух, грунт, грунтовые воды, поверхностные воды, тепловые отходы и др.), сочетание сред - используемой в качестве источника НПТ и применяемой для распределения выработанной теплоты («воздух-воздух», «воздух-вода», «грунт-вода» и др.), тип привода парокомпрессионного ТН (электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания и др.), способ регулировки производительности парокомпрессионного ТН с электроприводом (циклическое включение-выключение, частотное регулирование).

Общий принцип работы термотрансформаторов, к которым относятся и тепловые насосы, был описан Сади Карно ещё в 1824 г. наряду с принципом работы тепловой машины [22]. Первая парокомпрессионная холодильная машина была сооружена Дж. Перкинсом в 1834 г. Начало же массовому холодильному машиностроению положила разработка аммиачной холодильной машины в 1870-х годах [64]. Что касается возможности использования подобных устройств для целей отопления, то об этом высказывался ещё в 1852 г. Уильям Томпсон (лорд Кельвин), предложив такое применение для воздушной холодильной машины, работающей за счёт сжатия и расширения газа. Считается, что первая ТНУ для целей отопления и горячего водоснабжения была изготовлена на базе аммиачной холодильной машины английским инженером Холдейном в собственном доме в Шотландии в 1927 г. [64]. С начала 1930-х годов опытные ТНУ стали эксплуатироваться в США, Великобритании, Швейцарии, Японии и других странах [12].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сычев Арсений Олегович, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Амерханов, Р. А. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии / Р. А. Амерханов. - М.: КолосС, 2003. - 532 с.

2. Амерханов, Р. А. Тепловые насосы / Р. А. Амерханов. - М.: Энергоатомиздат, 2005. - 160 с.

3. Быков, А. В. Холодильные машины и тепловые насосы / А. В. Быков, И. М. Калнинь, А. С. Крузе. - М.: ВО «Агропромиздат», 1988.

4. Васильев, Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоёв земли: дисс. ... д-ра техн. наук. - М.: МГСУ, 2006.

5. Васильев, Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоёв земли / Г. П. Васильев. - М.: Граница, 2006. - 173 с.

6. Васильев, Г. П. Энергоэффективный жилой дом в микрорайоне Никулино-2 / Г. П. Васильев // АВОК. - 2002. - № 4. - С. 10-18.

7. Воскобойников, Ю. Е. Основы вычислений и программирования в пакете MathCAD: учеб. пособие / Ю. Е. Воскобойников и др. - Новосибирск: НГАСУ, 2012. - 212 с.

8. Годовой расход тепловой энергии на отопление и вентиляцию. URL: http://s.ovkm.ru/otoplenie/obshchie-voprosy/raschety/godovoy-raskhod-teplovoy-energii-na-otoplenie-i-ventilyatsiyu/ (дата обращения: 27.09.2021).

9. Государственный водный реестр. URL: https://voda.gov.ru/activities/list.php?part=20 (дата обращения: 27.09.2021).

10. Государственный доклад «О состоянии и использовании водных ресурсов Российской Федерации в 2017 году». URL: https://water-rf.ru/water/gosdoc/490.html (дата обращения: 27.09.2021).

11. Доссат, Р. Дж. Основы холодильной техники. Пер. с англ / Р. Дж. Доссат. - М.: Лёгкая и пищевая промышленность, 1984. - 520 с.

12. Дуванов, С. А. Исследование работы тепловых насосов на режимах, отличных

от номинального, при сохранении выходных параметров: дисс. ... канд. техн. наук. - Астрахань, 2006. - 198 с.

13. Европейский рынок тепловых насосов // АВОК. - 2016. - № 7. - С. 50-55.

14. Елистратов, С. Л. Комплексное исследование эффективности тепловых насосов: дисс. ... д-ра техн. наук. - Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2010.

15. Железняков, Г. В. Теория гидрометрии / Г. В. Железняков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 330 с.

16. Загребаев, А. М. Методы математического программирования в задачах оптимизации сложных технических систем: учебное пособие / А. М. Загребаев, Н. А. Крицына, Ю. П. Кулябичев, Ю. Ю. Шумилов. - М.: МИФИ, 2007. - 332 с.

17. Иванов, В. Л. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных двигателей и комбинированных установок / В. Л. Иванов, А. И. Леонтьев, Э. А. Манушин, М. И. Осипов. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004.

18. Информация о базовом уровне доходности вкладов. Банк России. URL: https://cbr.ru/statistics/bank_sector/ibudv/ (дата обращения: 27.09.2021)

19. Калнинь, И. М. Термодинамические циклы холодильных машин и тепловых насосов. Расчёт. Оценка эффективности: учеб. пособие / И. М. Калнинь, К. Н. Фадеков. - М.: МГУИЭ, 2006. - 92 с.

20. Калькулятор теплопотерь дома. URL: https://kalk.pro/heating/building-heat-loss/ (дата обращения: 27.09.2021).

21. Канакин, Н. С. Технико-экономические вопросы электрификации сельского хозяйства / Н. С. Канакин, Ю. М. Коган. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 192 с.

22. Карно, С. Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу. - В кн.: Второе начало термодинамики. Сб. работ: Сади Карно, В. Томсон, Р. Клаузиус, Л. Больцман, М. Смолуховский / Под ред. А. К. Тимирязева. - М., Л.: Гостехиздат, 1934. С. 17-61.

23. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Пер. со второго английского переработанного издания / Т. Корн, Г. Корн. - Москва : Наука. Главн. редакция физ-мат. лит-ры, 1978. - 831 с.

24. Леонтьев, А. И. (ред.) Теория тепломассообмена / А. И. Леонтьев. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1997.

25. Линейка тепловых насосов Henk. URL: http://www.netgaza.ru/cena-tn.html (дата обращения: 27.09.2021).

26. Мааке, В. Учебник по холодильной технике / Пер. с франц. под ред. д-ра техн. наук В. Б. Сапожникова / В. Мааке, Г.-Ю. Эккерт, Ж.-Л. Кашпен. - М.: Издательство Московского университета, 1998. - 1142 с.

27. Мартыновский, В. С. Тепловые насосы / В. С. Мартыновский. - М.: Госэнергоиздат, 1955. - 191 с.

28. Мартыновский, В. С. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов / В. С. Мартыновский. - М.: Энергия, 1979. - 285 с.

29. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов. Вторая редакция. Официальное издание. - М.: Экономика, 2000. -421 с.

30. Нагорная, Н.В. Экономика энергетики: учеб. пособие / Н.В. Нагорная. -Владивосток: ДВГТУ, 2007. - 157 с.

31. Некрасов, А. С. Состояние и перспективы развития теплоснабжения в России / А. С. Некрасов, С. А. Воронина // Энергетик. - 2004. - №10. - С. 7-11.

32. Низамутдинов, Р. Ж. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли для теплоснабжения сельского потребителя в условиях южного Урала: дисс. ... канд. техн. наук. - Челябинск: ЧГАА, 2013. - 180 с.

33. Новиков, Ю. В. Экология, окружающая среда и человек: Учеб. пособие для вузов / Ю. В. Новиков. - М.: Гранд : Агентство "Фаир", 1998. - 316 с.

34. Оценка численности постоянного населения на 1 января 2020 года и в среднем за 2019 год, Росстат, URL: https://www.gks.ru/storage/mediabank/Popul2020.xls (дата обращения: 27.09.2021).

35. Патент № 158486 Российская Федерация, МПК8 F28D 1/047, F25B 30/00. Устройство для отбора теплоты от поверхностного водотока : № 2014121270/0 : заявл. 27.05.14 : опубл. 10.01.16 / В. В. Харченко, А. О. Сычев ; заявитель ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ.

36. Патент № 2572495 Российская Федерация, МПК8 F28D 1/02, F25B 30/06. Устройство для отбора теплоты от поверхностного водотока : № 2014122143/06 : заявл. 02.06.14 : опубл. 10.12.15 / В. В. Харченко, А. О. Сычев ; заявитель ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ.

37. Прогноз социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2024 года, Министерство экономического развития Российской Федерации, URL: https://www.economy.gov.ru/material/file/450ce3f2da1ecf8a6ec8f4e9fd0cbd d3/Prognoz2024.pdf (дата обращения: 27.09.2021).

38. Рей, Д. А.Тепловые насосы / Пер. с англ. Е. И. Янтовского / Д. А. Рей, Д. Макмайкл. - М. : Энергоиздат, 1982. - 285 с.

39. Рогалев, Н.Д. Экономика энергетики: учеб. пособие для вузов / Н. Д. Рогалев,

A. Г. Зубкова, И. В. Мастерова и др.; под ред. Н. Д. Рогалева. - М.: Издательство МЭИ, 2005. - 288 c.

40. Самсонов, В.С. Экономика предприятий энергетического комплекса: учеб. для вузов. 2-е изд / В. С. Самсонов, М. А. Вяткин. - М.: Высшая школа, 2003. -416 c.

41. Соколов, Е. Я. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения: учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб / Е. Я. Соколов,

B. М. Бродянский. - М.: Энергоиздат, 1981. - 320 с.

42. Стребков, Д. С. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии / Д. С. Стребков, П. П. Безруких. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2005. - 264 c.

43. Сычев, А. О. Анализ теплового потенциала ряда рек московского региона для целей теплонасосного теплоснабжения / А. О. Сычев // Инновации в сельском хозяйстве. - 2019. - № 3 (32). - С. 16-25.

44. Сычев, А. О. Оптимизация состава теплоносителя для применения в низкотемпературных контурах теплонасосных установок / А. О. Сычев, В. В. Харченко // Инновации в сельском хозяйстве. - 2018. - № 3 (28). - С. 225231.

45. Сычев, А. О. Оценка влияния обледенения на процессы теплообмена при отборе низкопотенциальной теплоты от водной среды / А. О. Сычев //

Инновации в сельском хозяйстве. - 2015. - № 4 (14). - С. 169-174.

46. Сычев, А. О. Повышение технико-экономических показателей теплонасосных установок, использующих теплоту поверхностных вод / А. О. Сычев, В. В. Харченко // Сборник трудов XII Международной ежегодной научно-практической конференции «Возобновляемая и малая энергетика-2015» (Москва, 8-9 июня 2015 г.). - 2015. - С. 279-285.

47. Сычев, А. О. Пути повышения технико-экономических показателей теплонасосных установок, использующих теплоту поверхностных вод / А. О. Сычев, В. В. Харченко // Альтернативная энергетика и экология. - 2015. -№ 10-11. - С. 84-90.

48. Сычев, А. О. Система теплоснабжения сельского дома на основе использования низкопотенциальной теплоты поверхностного водотока / А. О. Сычев // Инновации в сельском хозяйстве. - 2014. - № 3 (8) . - С. 87-91.

49. Сычев, А. О. Снижение эффективности отбора низкопотенциальной теплоты от водной среды в условиях обледенения теплообменной поверхности /

A. О. Сычев // Инновации в сельском хозяйстве. - 2016. - № 5 (20) . - С. 310315.

50. Сычев, А. О. Теплоснабжение сельского дома с использованием низкопотенциальной теплоты открытых водотоков / А. О. Сычев,

B. В. Харченко // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2015. - № 1. - С. 14-17.

51. Теплообменник для использования тепла рек и озер. URL: http://heatpumps.spb.ru/news/news_post/teploobmennik-dlya-ispolzovaniya-tepla-rek-i-ozer (дата обращения: 27.09.2021).

52. Теплоэнергетика и централизованное теплоснабжение России в 2015-2016 годы: Информационно-аналитический доклад. М., 2018.

53. Тихонов, П. В. Обоснование параметров фотоэлектрического теплового модуля: дисс. ... канд. техн. наук. - Москва, 2014. - 142 с.

54. Хайнрих, Г. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. пер. с нем. / Г. Хайнрих и др.; под ред. Б. К. Явнеля. - М.:

Стройиздат, 1985. - 351 с.

55. Харченко, В. В. Использование низкопотенциальной теплоты поверхностного водотока в теплонасосной системе теплоснабжения сельского дома / В. В. Харченко, А. О. Сычев // Научный вестник Национального университета биоресурсов и природопользования Украины. - 2014. - № 194, ч.2. - С. 19-24.

56. Харченко, В. В. Микросети на основе ВИЭ: концепция, принципы построения, перспективы использования / В. В. Харченко // Энергия: экономика, техника, экология. Журнал Президиума РАН. - № 5. - 2014. - С. 20-27.

57. Харченко, В. В. Оптимизация низкотемпературного контура теплонасосной установки на основе теплоты поверхностных вод / В. В. Харченко, А. О. Сычев // Альтернативная энергетика и экология. - 2013. - № 7. - С. 31-36.

58. Харченко, В. В. Организация теплоснабжения малоэтажных зданий с использованием низкопотенциальной теплоты открытых водотоков / В. В. Харченко, А. О. Сычев // Вестник аграрной науки Дона. - 2015. - Т. 4. -. № 32. - С. 58-63.

59. Харченко, В. В. Перспективные схемы отбора низкопотенциальной теплоты открытых водотоков в целях теплоснабжения малоэтажных зданий / В. В. Харченко, А. О. Сычев // Научный вестник Национального университета биоресурсов и природопользования Украины. - 2015. - № 209, ч.1. - С. 57-64.

60. Харченко, В. В. Расчёт влияния обледенения на эффективность отбора низкопотенциальной теплоты от водной среды / В. В. Харченко, А. О. Сычев // Энергетика и автоматика. - 2017. - № 4 (34). - С. 21-29.

61. Харченко, В. В. Теплонасосная система теплоснабжения на основе низкопотенциальной теплоты поверхностного водотока / В. В. Харченко, А. О. Сычев // Материалы конференции «Проблемы и пути решения эффективного использования топливно-энергетических ресурсов» (Карши, 2223 декабря 2013 г.). - 2013. - С. 178-181.

62. Цены "под ключ" на монтаж теплового насоса в Московской и Ленинградской областях. URL: https://www.energylex.ru/tseny-pod-klyuch (дата обращения: 27.09.2021).

63. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. - М., 2010.

64. Янтовский, Е. И. Парокомпрессионные теплонасосные установки / Е. И. Янтовский, Ю. В. Пустовалов. - М.: Энергоиздат, 1982. - 144 с.

65. Янтовский, Е. И. Промышленные тепловые насосы / Е. И. Янтовский, Л. А. Левин. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 128 с.

66. Case Study - Restoration of an Old Watermill. URL: http://www.kensaengineering.com (дата обращения: 27.09.2021).

67. Kharchenko, V. Monitoring System of A Heat Pump Installation for Heating A Rural House Using Low-grade Heat from a Surface Watercourse / V. Kharchenko, A. Sychov, P,L, De Angelis, U. Fiore// J. Sens. Actuator Netw. 2020, 9, 11.

68. Kharchenko, V. V. Heat supply systems based on utilizing of low-grade heat from irrigation systems channels / V. V. Kharchenko, A. O. Sychov // Proceedings of the International Conference of Industrial Technologies and Engineering 2014 (ICITE 2014) (Shymkent, Kazakhstan, October 30-31, 2014). - 2014. - pp. 378-381.

69. Kharchenko, V. V. Innovative Instruments for Extraction of Low-Grade Heat from Surface Watercourses for Heating Systems with Heat Pump // Innovative Computing Trends and Applications / V. V. Kharchenko, A. O. Sychov, G. N. Uzakov // P. Vasant, I. Litvinchev, J. A. Marmolejo-Saucedo Innovative Computing Trends and Applications. EAI/Springer Innovations in Communication and Computing. - 2019.

- С. 59-68.

70. Kharchenko, V. Reliable Electricity Generation in RES-Based Microgrids / V. Kharchenko, V. Gusarov, and V. Bolshev // Handbook of Research on Smart Power System Operation and Control. - 2019. - p.162-177.

71. Liu, L. A practical research on capillaries used as a front-end heat exchanger of seawater-source heat pump / L. Liu, M. Wang, Y. Chen // Energy. - 2019. - № 171.

- pp. 170-179.

72. Sychov, A. Application of Various Computer Tools for the Optimization of the Heat Pump Heating Systems with Extraction of Low-Grade Heat from Surface Watercourses / A. Sychov, V. Kharchenko, P. Vasant, G. Uzakov // P. Vasant., I. Zelinka, GW. Weber (eds) Intelligent Computing & Optimization. ICO 2018.

Advances in Intelligent Systems and Computing. - 2019. - Т. 866. - С. 310-319.

73. URL: http: //www. frank-gmbh. de/de/Produktgruppen/Geothermie/wasserwaermetau scher.php (дата обращения: 27.09.2021).

74. URL: http: //www.homeforlife.ru/oborudovanie/vidy-geotermalnykh-teplovykh-nasosov (дата обращения: 27.09.2021).

75. URL: http://www.technicalsolution. rs/pdf/zastupanj e/Frank/LIMA%201 %20brosura .pdf (дата обращения: 27.09.2021).

76. URL: https://awebgeo.com (дата обращения: 27.09.2021).

77. URL: https://www.baystar.co.uk/heat-pumps/ (дата обращения: 27.09.2021).

78. URL: https://en.wikipedia.Org/wiki/File:Pond_Loop_Being_Sunk.jpg (дата обращения: 27.09.2021).

79. URL: https://geoteplo.by/o_tehnologii/ustanovka-teplovogo-nasosa/ (дата обращения: 27.09.2021).

80. URL: https://teplo-zemly.ru/tseny/ (дата обращения: 27.09.2021).

81. URL: https://www.thegeoguy.com/dont-do-this/ (дата обращения: 27.09.2021).

82. Zheng, W. The thermal performance of seawater-source heat pump systems in areas of severe cold during winter / W. Zheng, T. Ye, S. You, H. Zhang // Energy Conversion and Management. - 2015. - № 90. - pp. 166-174.

83. Zhou, Ch. Development of heat transfer correlations for multi-row helically coile d tub e heat exchangers use d in surface water heat pump systems / Ch. Zhou, Y. Yao, L. Ni // International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2020. - № 163.

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ПРОГРАММА РАСЧЁТА И ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛООБМЕННИКА ДЛЯ ВОДОТОКА В СРЕДЕ МАТИСАБ

Vin(Sx2) = 017

Расход теплоносителя, кг/с