Транспортировка тепловой энергии

Передача теплоты от источника потребителям осуще­ствляется с помощью систем теплоснабжения, которые вклю­чают источник, тепловую сеть и потребителей (рис. 31). Тепловая сеть включает систему трубопроводов (тепло­проводов), по которым теплоноситель (горячая вода или пар) переносит теплоту от источника к потребителям и возвраща­ется обратно к источнику.

Рис. 31.Принципиальная схема централизованного теплоснабжения и тепловой сети

Реальные тепловые сети отличаются чрезвычайной разветвленностью и могут включать несколько источников теплоты — ТЭЦ или котельные. Отдельные магистрали та­ких сетей связаны перемычками и имеют закольцованные участки, что повышает надежность снабжения теплотой.

Как показы­вает практика, в стандартных теплосетях по пути от ТЭЦ к отапливаемому зданию теряется до 40 % тепла. Большие потери тепловой энергии связаны с низким качеством тепловой изоляции – минеральной ваты, утечкой тепла, поэтому в нас­тоящее время на первый план выходит реконструкция существующих теплопроводов. Речь идет о замене старых труб на новые, эффективно утепленные — предварительно теплои­золированные трубы.

Предизолированные трубы изготавлива­ются в заводских условиях и конструктивно включают (рис. 32):

- стальную трубу для транспортировки энергоносителя;

- тепловую изоляцию из пенополиуретана с коэффициентом теплопроводности от 0,02 до 0,027 Вт/(м-К);

- защитный кожух из пластмассы.

На всем протяжении такого трубопровода проходят специальные датчики, которые в случае нарушения целостности системы посылают сигнал на диспетчерский пункт. Это позволяет оперативно определять места поврежде­ния с точностью до 1 м.

Предизолированные трубы рассчи­таны на эксплуатацию в течение 30 и более лет. При укладке систем теплоснабжения с применением предизолированных труб теплопотери не превышают 3 % от транспортируемого теплоносителя, что более чем в 10 раз позволяет уменьшить потери теплоэнергии при ее транспортировке.

Рис. 32. Схема элемента предварительно изолированного теплопровода

Предизолированные трубы характеризуются бесканальной прокладкой. Для сведения тепловых потерь к минимуму при монта­же теплопроводов предусмотрена технология герметиза­ции швов на стыках и других элементов - задвижек, переходников.

Мероприятия по уменьшению потерь теплоты в окружающую среду при транспортировке тепловой энергии можно свести к следующим направлениям:

• применение теплопроводов с высокими теплоизоляционными свойствами;

• понижение уровня температур теплоносителя без ущерба для потребителя;

• ликвидация утечек теплоносителя;

• использование гибких систем регулирования отпуска и распределения теплоты.

Перспективным направлением является распространение индивидуальных автоматизированных отопительных систем средней и большой мощности для многоквартирного жилья. Эксперты полагают, что такие системы — реальная альтерна­тива "подвальным" котельным, которые в последнее время стали "пороховыми бочками" для старого жилья.

Поквартирное отопление

(Отопление по индивидуальной программе / Республиканская строительная газета, № 46 11.12.2008 г.)

Индивидуальные квартирные отопительные аппараты или модульные котельные, обслуживающие одно здание раньше использовались преимущественно для отопления и горячего водоснабжения частных домов, а сегодня нашли применение и в городских многоэтажках. До недавнего времени индивидуальные системы теплоснабжения разрешалось использовать в зданиях не выше 5 этажей, но после внесенных изменений в стандарт "Жилые здания" отметка поднялась до 26,5 м - это значит, что они могут применяться и в 9-10-этажных домах.

Основными элементами поквартирного отопления являются двухконтурный отопительный аппарат (для отопления и подогрева воды), системы подачи воздуха и дымоудаления, отопительные приборы (радиаторы, конвекторы). В качестве источника тепловой энергии используется природный газ. Такие системы теплоснабжения внедрены фактически во всех регионах Беларуси. Уже более 6 тыс. городских квартир оборудованы индивидуальными отопительными аппаратами (в быту их называют "котлами").

Индивидуальное квартирное теплоснабжение имеет массу преимуществ в сравнении с традиционным ценрализованным. Плюсом является то, что владелец "личного" котла получает возможность поддерживать в помещении комфортный для него температурный режим - отключать подачу тепла, когда на улице тепло, и начинать "отопительный сезон", когда похолодало. Кроме того, жильцы могут запрограммировать отопительный аппарат на работу в щадящем режиме. Например, когда хозяев нет дома, установка поддерживает температуру 14-15°С, а к моменту их возвращения поднимает до 21°С. Таким образом, потребители платят не за отпущенное им тепло по утвержденным тарифам в зависимости от площади квартиры, а по показаниям газового счетчика за реально потребленную энергию, что значительно снижает расходы на коммунальные услуги за отопление и подогрев воды. Такая система, безусловно, стимулирует энергосбережение.

РУП "Институт БелНИИС" провело сравнительный анализ фактических затрат на отопление и горячее водоснабжение жильцов равных по площади квартир в двух одинаковых "девятиэтажках" с наружными стенами из газосиликатных блоков, но с различными системами теплоснабжения - централизованной и индивидуальной поквартирной. Исследование показало, что стоимость этих услуг в расчете на один квадратный метр отапливаемой площади во второй системе приблизительно на 40% меньше, чем в первой.

Очевидным преимуществом является и то, что индивидуальное отопление снимает проблемы по бесперебойному обеспечению горячей водой, а значит, не придется терпеть неудобства, связанные с отключением горячего водоснабжения из-за профилактики централизованного водопровода.

Возможно, кто-то, услышав об индивидуальных отопительных приборах в городских квартирах, вспомнил о газовых колонках для подогрева воды, которые устанавливались еще в советские годы. Однако новое отопительное оборудование лишь отдаленно напоминает своего "предка».

На смену устаревшим газовым колонкам пришли котлы с закрытой камерой сгорания. В отличие от своих предшественников эти отопительные аппараты в процессе работы не сжигают кислород в помещении, а по воздуховодам «забирают» его с улицы, не уменьшая количество кислорода в квартире. Кроме того, в новом варианте индивидуальной системы теплоснабжения дымовые газы, образующиеся в процессе горения, удаляются по общей дымовой трубе, расположенной внутри дома. Такое «новшество» не нарушает архитектуру строения.

В отличие от прежних, в котлах нового поколения розжиг осуществляется не с помощью зажженной спички, а автоматически: чтобы его запустить, достаточно нажать нужную кнопку. Кроме того, современное оборудование более безопасно в эксплуатации: в случае возникновения технических неисправностей система самостоятельно отключается.

Первое в Беларуси жилое здание с применением отопительных ноу-хау было построено в Гомеле в молодежном жилом комплексе «Солнечный». 74-квартирный дом, запроектированный по системе "каркас со скрытым ригелем» (серия Б1.020.1 -7), введен в эксплуатацию в июне 2005 года. В данном здании внедрено индивидуальное квартирное теплоснабжение с использованием двухконтурных отопительных аппаратов с закрытой камерой сгорания и коллективной дымовой трубой (на 8-9 котлов по стояку). Наружные стены выполнены из блоков ПГС, произведенных Гомельским КСМ. В полу квартиры для звуко- и теплоизоляции под стяжкой уложен пенопласт толщиной 30 мм. Окна деревянные, с двухкамерными cтeклoпaкeтaми.

Хорошая теплоизоляция наружных перекрытий и окон даже в зимний период позволяет жильцам, уходя на работу, переводить котлы в энергосберегающий режим работы. То есть устройство начнет греть только в том случае, если температура в помещении опустится ниже +10°С. Хотя, как показывает практика, даже при выключенном отоплении меньше +15 в квартирах не бывает.

Благодаря малой инерционности системы после включения котла помещения нагреваются до нормальной температуры за 20-30 минут. При этом соседние квартиры «не страдают» от повышенного расхода газа.

Комфортнее пользоваться и горячим водоснабжением: каждый жилец сам выставляет на своем котле необходимую температуру воды от +40 до +90⁰С.

В МЖК "Солнечный" совместно с институтом БелНИИС было проведено исследование экономической эффективности индивидуальной системы теплоснабжения. Оно основывалось на годовом потреблении газа в квартирах-представителях, расположенных в доме жилого комплекса.

Мониторинг этого дома показал, что по потреблению газа квартиры условно можно разделить на три категории:

I- жильцы экономно расходуют газ;

II - жильцы неэкономно расходуют газ;

III - жильцы временно не проживают, но в зимнее время поддерживают температуру внутри квартиры на уровне 15°С.

Для этих категорий квартир расход газа в метрах кубических на квадратный метр площади квартиры с учетом пищеприготовления составляет:

I - 8,4 м³/м²; II - 14,4 м³/м²; III - 0,2 м³/м².

Таким образом, реальная экономия газа при поквартирной системе теплоснабжения значительно больше, чем расчетная.

Данные исследования еще раз доказали, что при индивидуальной квартирной системе теплоснабжения эксплутационные затраты почти в два раза ниже, чем при централизованной.

Индивидуальное теплоснабжение позволяет избежать потери теплоты при транспортировке по тепловым сетям, в то время как ТЭЦ еще по дороге к потребителю растрачивает 10-20% (а в старых теплосетях - до 50%) тепловой энергии.

По заданию Минстройархитектуры РУП "Институт БелНИИС" проводило экспериментальные исследования систем автономного поквартирного отопления на газовом топливе на предмет их пожаро-, гигиенической и экологической безопасности. На основании этих исследований найдены оптимальные решения систем дымоудаления и подачи воздуха. Так что современную систему индивидуального отопления вполне можно назвать совершенной.

Кроме того, в республике налажено производство труб из нержавеющей стали, инди­видуальных отопительных аппаратов "Альфа-Калор", необходимых для индивидуальных систем отопления, которые по своим характеристикам, функциям и надежности не усту­пают зарубежным аналогам. Бесспорно, у Беларуси есть потенциал для дальнейшего внедрения индивидуальных отопительных систем в многоэтажных зданиях.

В зоне обслуживаемой ТЭЦ не следует внедрять системы индивидуального квартирного теплоснабжения, т.к. ТЭЦ вместе с электрической энергией вырабатывает и практически бесплатную тепловую энергию в виде горячей воды, которая получается в результате охлаждения турбин. Зимой она используется для отопления жилых зданий, а летом уходит в окружающее пространство при охлаждении в градирнях. Отказываться от этого потенциала экономически нецелесообразно.

Оправдано внедрение индивидуальной системы отопления при возведении многоквартирных жилых домов вне зоны действия ТЭЦ или в том случае, если ее мощности недостаточно для теплоснабжения здания.

В сельской местности, где низкая плотность застройки и отсутствует развитая инфраструктура по обслуживанию тепловых сетей, для одноквартирных, блокированных и многоэтажных жилых домов целесообразно применять системы индивидуального квартирного теплоснабжения с установкой индивидуального отопительного оборудования. При этом в одноэтажных домах системы теплоснабжения (отопления и горячего водоснабжения) должны быть в первую очередь ориентированы на использование местных видов топлива.

Тепловые насосы

http://www.ecoteco.ru/index.php?id=26

Тепловые насосы - современная технология энергосбережения и экономии энергоресурсов, источник получения альтернативной тепловой энергии систем отопления и горячего водоснабжения для коттеджей и производственных помещений.

Принцип действия теплового насоса (рис.33) аналогичен принципу действия холодильника, разница лишь в том, что в случае теплового насоса аккумулируется не холод, а тепло. Тепловой насос имеет четыре основных элемента: испаритель, компрессор, конденсатор и сбросной клапан. В испарителе хладагент нагревается до температуры 6-8^оС отобранной из окружающей среды (от земли, воды, воздуха), закипает и испаряется. Полученный пар сжимается компрессором и при росте давления температура хладагента поднимается до 35-65^оС. Эта температура отдается через теплообменник конденсатора рабочей жидкости отопительного контура и хладагент обратно конденсируется. Сбросной клапан сбрасывает давление в конденсаторе перепуская хладагент в испаритель. Цикл замыкается.

Рис. 33. Принципиальная схема системы отопления жилого дома

с применением теплового насоса.

Источники тепла и варианты установки тепловых насосов. Для рационального использования тепла из окружающей среды в распоряжении имеются такие источники тепла, как грунт, вода и воздух. Все они аккумулируют солнечную энергию, так что вместе с ними косвенно используется солнечная энергия.

Грунт аккумулирует солнечную энергию. Эта энергия воспринимается грунтом либо непосредственно в форме солнечной радиации, либо косвенно в форме тепла, получаемого от дождя или из воздуха. Грунт имеет свойство сохранять солнечное тепло в течение длительного времени, что ведет к относительно равномерному уровню температуры источника тепла на протяжении всего года, это обеспечивает эксплуатацию теплового насоса с высоким коэффициентом мощности (к.п.д.).

Аккумулированное грунтом тепло передается вместе со смесью из воды и антифриза (рассолом), точка замерзания которой должна находиться примерно на уровне -15 °С (необходимо придерживаться данных изготовителя), через горизонтально проложенные грунтовые теплообменники (которые также называются грунтовыми коллекторами) или через вертикально расположенные теплообменники, так называемые грунтовые зонды (рис. 34-35). В районах с большой глубиной промерзания использование горизонтальных грунтовых коллекторов недопустимо. Поэтому единственным приемлемым вариантом остаются вертикальные грунтовые зонды. Подобные установки, как правило, эксплуатируются моновалентно.

Рис.34. Грунтовый зонд Рис.35. Грунтовый коллектор

Грунтовые воды- хороший аккумулятор солнечного тепла. Даже в холодные зимние дни они сохраняют постоянную положительную температуру. В этом их преимущество. По причине неизменного температурного уровня источника тепла коэффициент мощности теплового насоса остается высоким в течение всего года.

В случае грунтовых вод, не содержащих кислорода, и с высоким содержанием железа и марганца колодцы могут разрушаться. В этих случаях нельзя допускать контакта грунтовых вод с окружающим воздухом, или необходимо соответствующим образом обработать воду.

Для использования тепла необходимо построить подающий колодец и водопоглощающий или инфильтрационный колодец. Для работы тепловых насосов при определенных условиях могут использоваться озера и реки, т.к. они тоже выступают в роли аккумуляторов тепла. В этом случае следует предусмотреть промежуточный контур.

Рис.36. Скважина

Тепловые насосы воздух/вода в настоящее время могут эксплуатироваться почти круглый год (до -12°С), однако при низких температурах коэффициент мощности резко уменьшается.

Окружающий воздух особенно легко использовать в качестве источника тепла, он имеется везде и в неограниченном количестве. В данном контексте под окружающим воздухом понимается атмосферный воздух. Использование воздуха внутри зданий в качестве источника тепла (отопление) для жилых домов, как правило, исключается. Его использование имеет смысл только в специальных случаях, например, для утилизации тепла отходящих газов на ремесленных предприятиях или в промышленности.
В случае насосов, использующих тепло окружающего воздуха, расчет размеров источника тепла задается конструкцией или размером установки. Требуемое количество воздуха подается вентилятором (который встроен в установку) на испаритель через воздушные каналы, при этом происходит охлаждение воздуха.

Рис. 37. Наружная установка Рис. 38. Внутренняя установка

Преимущества тепловых насосов. Тепловой насос представляет эффективную замену котлу на жидком, газовом топливе или электрическому отоплению. Для хорошо спроектированного и построенного дома площадью 180 м² необходимо 10-12 кВт тепловой энергии, которую можно получить опустив 2 зонда в землю на глубину 100 м., для этого необходим участок земли размером 6х6 м.

Преимущества теплового насоса перед другими источниками теплоснабжения приведены ниже:

Экономичность

Низкое энергопотребление достигается за счет высокого КПД теплового насоса (от 300% до 700%) и позволяет получить на 1 кВт затраченной электрической энергии 3-7 кВт тепловой энергии. Система требует минимум электроэнергии для поддержания комфортной температуры жилья, а также получения достаточного запаса горячей воды.
Система исключительно долговечна, срок эксплуатации грунтового зонда может достигать 100-150 лет; отопительного контура 100 лет. Непосредственно в самой установке единственной движущей частью является компрессор, срок службы которого составляет 15 лет, и который можно легко заменить по истечении срока его эксплуатации. Отсутствие необходимости в закупке, транспортировке, хранении топлива и расходе денежных средств, связанных с этим. Высвобождение значительной территории, необходимой для размещения котельной, подъездных путей и склада с топливом. Срок окупаемости оборудования не превышает 7 - 10 отопительных сезонов.

Комфорт

Тепловой насос работает устойчиво. Колебания температуры и влажности в помещении минимальны. Не требует специальной вентиляции помещений, где происходит нагрев воды и теплоносителя. Абсолютно взрыво- и пожаробезопасен. Обслуживание установок заключается в сезонном техническом осмотре и периодическом контроле режима работы.

Экология

Экологически чистый метод отопления и кондиционирования, т.к. не производится эмиссия CO₂, NO_Х и других выбросов, приводящих к нарушению озонового слоя и кислотным дождям. Отсутствуют аллергено-опасные выбросы в помещение, т.к. нет сжигаемого топлива и не используются запрещенные хладагенты.

Таблица 9.

Сравнительные характеристики различных типов отопительных установок мощностью 10,8 кВт/час

Из сравнительных характеристик (табл.9) можно сделать соответствующие выводы:

За 10 лет эксплуатации теплового насоса можно получить экономию, по сравнению с электрическим отоплением - 35 тыс. $, за 15 лет – 60 тыс. $, за 20 лет – 87 тыс. $.

Кроме прямого экономического эффекта, тепловой насос абсолютно экологически безвредный источник теплоснабжения, пожаро- и взрывобезопасен. Поскольку тепловые насосы не используют в своей работе топливо, то соответственно стоимость их эксплуатации не будет зависеть от изменения цен на энергоносители.

В Республике Беларусь накоплен определенный опыт применения тепловых насосов. Устройства типа «воздух- воздух» и «воздух-вода» применяются на станциях Минского метрополитена, в системах отопления торговых центров и административных зданий.

Геологические испытания показали наличие в стране источников геотермальной энергии. Самым перспективным районом для ее использования считается Брестская впадина, где на глубине около 1000 м найдена вода температурой 22-24 ºС. Ее тепло планируется использовать для обогрева теплиц КУП «Тепличный комбинат «Берестье». Тепловую установку планируется запустить в 2009 г.