Справочник

В.Ф. Гершкович, к.т.н., руководитель Центра энергосбережения КиевЗНИИЭП, г. Киев, Украина

Теме использования тепловых насосов для теплоснабжения зданий посвящается все большее количество статей в технических изданиях, но они посвящены, главным образом, пропаганде этого направления. Научные исследования в этой области у нас не проводятся, а зарубежные фирмы, прикладывающие немало усилий для того, чтобы убедить отечественных клиентов в привлекательности тепловых насосов, не утруждают себя распространением научной информации о физических характеристиках тех или иных деталей теплонасосных систем теплоснабжения. Полное отсутствие отечественного опыта в сфере применения тепловых насосов не оставляло нам никаких надежд на то, что такого рода информация станет доступной широкому кругу специалистов, проявляющих интерес к этой теме.

Когда в 2006 г. была изготовлена по разработанной в Центре энергосбережения КиевЗНИИЭП конструктивной схеме опытная установка с тепловым насосом, использующим теплоту канализационных стоков жилого дома и теплоту грунта, появилась возможность получить опытным путем некоторые физические характеристики этой установки.

В течение полугода собирались данные измерений различных параметров, и теперь есть возможность реально увидеть многое из того, о чем прежде можно было утверждать только предположительно.

Эти исследования не претендуют на полноту, т.к. тепловая мощность установленного теплового насоса была недостаточной для того, чтобы он мог полностью обеспечивать все потребности здания в горячей воде в зимний период, когда температура холодной водопроводной воды была близка к 0 °С. Зимой вместе с тепловым насосом работал параллельно включенный теплообменник, в котором вода подогревалась теплоносителем из тепловой сети. Тепловой насос включался автоматически лишь в часы повышенного водоразбора. Тем не менее, полученные в результате исследований данные, в особенности, относящиеся к работе сточногликолевого теплообменника, могут быть интересны специалистам, поскольку сами теплообменники такого рода в литературе не описаны, и уж совсем было неведомо, на что они способны.

Испытательный стенд

В работе [1] описаны назначение и особенности установки горячего водоснабжения общежития аспирантов КиевЗНИИЭП, где было проведено исследование работы теплового насоса, работающего на низкопотенциальной энергии грунта и канализационных стоков. На рис. 1 представлена схема фрагмента теплового пункта этого здания, который использовался в качестве испытательного стенда для исследования теплового насоса.

Два сточно-гликолевых теплообменника 1, выполненные из нержавеющих коаксиально установленных труб диаметром 100 и 125 мм, работают в общем циркуляционном контуре с грунтовыми теплообменниками 2, изготовленными из полиэтиленовых U-образной формы труб (60 шт.) диаметром 14 мм, погруженными в грунт петлями длиной по 3 м.

Насос 6 обеспечивает циркуляцию водного раствора этиленгликоля между источниками низкопотенциального тепла 1, 2 и испарителем теплового насоса 5.

При работе компрессора теплового насоса в его конденсаторе подогревается вода, циркулирующая при помощи насоса 7, подающего подогретую воду в баки-накопители 9. Параллельно конденсатору теплового насоса установлен теплообменник 3, присоединенный к узлу ввода тепловой сети 4.

Для регулирования теплового потока, кроме регулятора, встроенного в тепловой насос 5, использованы регуляторы 11, 12 и 13. Регулятор, встроенный в тепловой насос, настроен для работы в системе горячего водоснабжения таким образом, что он автоматически включает компрессор теплового насоса при температуре поступающей в конденсатор воды ниже 26 °С, а при поступлении из бака воды с более высокой температурой компрессор автоматически отключается. Таким образом, если баки-накопители настолько заполнены горячей водой, что в самой холодной точке бака температура превышает 26 °С, то тепловой насос работать не будет.

Другой автомат, встроенный изготовителем в тепловой насос, не позволит компрессору по условиям его защиты включиться ранее, чем через 7 мин после отключения. Поэтому в схему добавлен электромагнитный клапан 12, который связан с компрессором теплового насоса так, что при работе компрессора он открыт, а при останове – закрывается. При отсутствии этого клапана холодная вода могла бы в течение 7 мин, свободно протекая через конденсатор неработающего теплового насоса, поступать в самую горячую часть бака-накопителя, в результате чего жители, принимающие теплый душ, могли внезапно оказаться под струей холодной воды.

Конструктивно клапан 12 выполнен с возможностью пропуска небольшого расхода воды при закрытом клапане. Это сделано для того, чтобы датчик температуры встроенного в тепловой насос регулятора мог уловить момент, когда в конденсатор начнет поступать вода с температурой ниже 26 °С, чтобы тепловой насос мог вовремя включиться.

Температура холодной воды, поступающей на подогрев в конденсатор теплового насоса, изменяется в интервале от 1 до 26 °С, в то время как температура подогретой воды должна находиться в более узком диапазоне допустимых температур 50-55 °С. Обеспечить такой диапазон удалось при помощи регулятора температуры прямого действия 11 и ручного балансировочного вентиля на байпасной линии.

Балансировочный вентиль настроен таким образом, что при открытии электромагнитного клапана 12, в то время, когда клапан 11 закрыт, через балансировочный вентиль проходит минимальный расход воды. Если бы байпаса не было, то при пуске компрессора и отсутствии протока воды через конденсатор сработал бы автомат защиты, который при повышении давления конденсации холодильного агента отключает компрессор без возможности последующего автоматического запуска. При наличии байпасной линии холодная вода сразу после пуска компрессора начинает поступать на подогрев в небольшом объеме, ограниченном положением балансировочного вентиля. Через несколько секунд, после того как температура подогретой воды достигнет 50 °С, автоматически и постепенно открывается регулятор температуры прямого действия 11, и расход подогреваемой воды увеличивается, в то время как ее температура остается все время на уровне 50-55 °С.

Регулятор 11 поддерживает эту температуру в течение всего времени работы компрессора, увеличивая расход нагреваемой воды при повышении температуры и уменьшая его при понижении температуры. Циркуляционные насосы 6 и 7 работают безостановочно. Насос 7 подает воду не только в конденсатор теплового насоса, но и в теплообменник 3, тепловая мощность которого регулируется клапаном 13 по обычной для тепловых пунктов схеме.

Основными теплофизическими параметрами теплонасосной установки являются расходы и температуры жидкостей, циркулирующих в различных контурах. Расходы сточной воды в канализационных трубах измерить практически невозможно, но они определялись косвенным путем на основе теплового баланса сточно-гликолевого теплообменника.

Расходы водного раствора этиленгликоля измерялись по разности давления до и после балансировочных вентилей 10, дросселирующие органы которых были зафиксированы в положениях с известной пропускной способностью.

Для измерения температур жидкостей были установлены датчики температуры ДТ1-ДТ5 в местах, указанных на рис. 1. Электронные датчики записывали температуры через каждые 10 мин в течение 200 дней с августа 2006 г. по февраль 2007 г.

Температурные кривые термотрансформации

Рис. 2а наглядно демонстрирует, как изменялись 17 августа 2006 г. температуры жидкостей, участвовавших в процессе преобразования тепловой энергии в тепловом насосе. По кривым, графически отобразившим показания температурных датчиков ДТ1-ДТ5, нетрудно воссоздать динамику процессов преобразования теплоты, происходивших в тот день.

Тепловой насос отключился за несколько минут до полуночи, и в течение шести ночных часов он не работал, т.к. бакинакопители были заполнены горячей водой.

Только примерно в 2 ч. 40 мин. кто-то из жителей, принявших среди ночи душ, вызвал кратковременное понижение температуры воды на входе в тепловой насос, который при этом автоматически включился, но ненадолго.

В 5 ч. 45 мин. утра проснулись самые активные жители, и начался водоразбор. Холодная вода устремилась в конденсатор теплового насоса, в результате чего он автоматически включился, и температура охлажденного этиленгликоля начала понижаться.

До 7 ч. 45 мин. тепловой насос дважды отключался на короткое время (скорее всего, на 7 мин, предусмотренных заводскими установками программы управления) и это видно по характеру изменения температур этиленгликоля. После этого тепловой насос работал беспрерывно вплоть до 11 ч. 30 мин., когда после утреннего пикового водоразбора баки заполнились горячей водой, что послужило сигналом для его отключения.

Вечерний раунд активной работы теплового насоса начался примерно в 16 ч. 30 мин., а до этого времени он включался всего лишь несколько раз и ненадолго. Этот раунд длился вплоть до полуночи, когда баки заполнились горячей водой после вечернего пикового водоразбора. В течение этого периода тепловой насос несколько раз отключался, но после 20 ч. 30 мин. уже никаких отключений не было, и тепловой насос работал с полной отдачей. Около полуночи тепловой насос, исправно выполнявший в течение дня свою необычную работу, отключился до утра.

Летний режим

Температура в канализационной трубе в течение ночи 17 августа 2006 г. оставалась на уровне 23 °С, т.к. было лето, и вода из водопровода, попадающая в небольшом количестве в канализацию через неплотности смывных бачков, имела примерно такую же температуру. В дальнейшем температура стоков, поступающих в греющий контур сточногликолевого теплообменника, изменялась в диапазоне от 23 до 31 °С, а температура стоков, покидающих дом, была на 1-4 °С ниже.

Колебания температур сточной жидкости носят случайный характер и уложить эти колебания в рамки строгих математических зависимостей вряд ли возможно. Самые теплые стоки отмечены во время пиковых водоразборов, и это вполне естественно, а достаточно резкие колебания температур в это время можно объяснить тем, что потребителей горячей воды в доме, где проживает 150 чел., относительно немного, и влияние каждого открытого крана здесь более заметно, чем это было бы в большом доме.

Температура охлажденного этиленгликоля 17 августа колебалась от 8 до 19 °С. Эти крайние значения можно рассматривать как равновесные в режимах работающего и остановленного теплового насоса. Продолжительность выхода на низшую (8 °С) равновесную температуру – около 2,5 ч (от 5 ч 45 мин. до 8 ч 15 мин.), а на высшую (19 °С) – примерно 2 ч (от 11 ч 30 мин. до 13 ч 30 мин.).

Всего в течение суток тепловой насос работал 12 ч и 45 мин.

В отличие от режима активного охлаждения теплообменников, когда температура на входе этиленгликоля в теплообменники была самой низкой в системе, в режиме повышения температур, возникшем при остановке теплового насоса, самой низкой температурой становится температура этиленгликоля после грунтового теплообменника. Это происходит из-за того, что при работающем тепловом насосе на температуру этиленгликоля оказывает воздействие испаритель, а также грунтовый и сточно-гликолевый теплообменники, в то время как при неработающем компрессоре испаритель исключен из этого процесса, и теплообмен происходит между грунтом и стоками. Реализуется этот процесс при посредничестве этиленгликоля, который при неработающем компрессоре продолжает циркулировать в своем контуре, играя роль промежуточного теплоносителя.

Как оказалось, важность этой роли трудно переоценить, потому что, благодаря именно этой необычной роли, постоянно подогреваемый теплыми стоками грунт легко восстанавливает свой температурный потенциал, способствуя работе теплового насоса с неизменно высоким коэффициентом преобразования. Известно, что грунтовые теплообменники, охлаждающие грунт постоянно в течение зимы, к концу отопительного сезона обрастают ледяными наростами, что заметно ухудшает коэффициент преобразования теплового насоса, и даже за летний период изначальный тепловой потенциал грунта не всегда восстанавливается полностью. В нашей схеме достаточно 2,5 ч, в течение которых тепловой насос «отдыхает», для того, чтобы грунт восстановил свою естественную температуру, которая, как это видно из кривых на рис. 2а, находится вблизи +17 °С. Напомним, что в данном случае речь идет не о грунте вообще, а о трехметровом слое грунта, расположенном непосредственно под пятном здания.

На рис. 2а не нанесена кривая изменения температуры воды на выходе из конденсатора теплового насоса, которая автоматически поддерживалась на уровне 47-52 °С.

Поздней осенью…

Изначально тепловой насос общежития аспирантов предназначался для работы в летний период с использованием теплоты атмосферного воздуха. С этой задачей он успешно справлялся в течение 8 лет, и после подключения новых источников низкопотенциальной теплоты его эффективность при работе в летний период еще более повысилась.

К концу осени экспериментальный тепловой насос, номинальная тепловая мощность которого составляет всего 25 кВт, перестал справляться с задачей обеспечения бесперебойного горячего водоснабжения шестиэтажного общежития, для которого по действующим нормам проектирования необходим (с учетом имеющихся емкостей) водоподогреватель мощностью 35 кВт. Когда вода стала поступать из городского водопровода с температурой 10 °С и ниже, в конденсаторе не удавалось подогревать ее до температуры 50 °С.

Поэтому зимой параллельно тепловому насосу был включен водоподогреватель, работающий на сетевой воде ТЭЦ, и день 17 ноября был последним днем поздней осени, когда тепловой насос грел воду самостоятельно (рис. 2б).

Только к 2 ч. ночи баки-аккумуляторы заполнились горячей водой в этот день, и это дало возможность отключиться тепловому насосу, но уже в 6 ч. утра он снова включился, работая практически безостановочно до 3 ч. ночи следующего дня. В отличие от летнего дня, когда температура этиленгликоля не понижалась ниже +7 °С, теперь его самая низкая температура достигала –1 °С. Именно при такой температуре устанавливалось в конце ноября тепловое равновесие в теплообменной системе «грунт – этиленгликоль». Самая высокая температура этиленгликоля не превысила 15,5 °С, и это на 3,5 °С ниже, чем в августе.

Температура в канализационной трубе опускалась до 14 °С, потому что водопроводная вода, попадающая в канализацию, в основном, через неплотности смывных бачков, имея начальную температуру около 8 °С, подогревалась в неизолированных трубопроводах водоснабжения, в смывных бачках, а также в канализационных стояках, проходящих через отапливаемые помещения. В течение суток температура стоков, поступающих в греющий контур сточно-гликолевого теплообменника, изменялась в диапазоне от 14 до 30 °С, а температура стоков, покидающих дом, была на 0,5-3 °С ниже.

Верхний температурный уровень грунтового массива понизился по сравнению с летним периодом от 17 до 14 °С. Так же, как и летом, температура грунта успевает восстановиться до верхнего уровня во время ночного перерыва в работе теплового насоса, правда, для этого потребовалось не 2,5 ч, а 4 ч, т.к. период активного охлаждения более продолжителен, чем летом.

Продолжительность выхода на равновесные температуры составила около 4 ч (от 6 ч. утра до 12 ч. дня в режиме активного охлаждения и от 2 ч. ночи до 6 ч. утра в режиме «отдыха»).

В течение суток 17 ноября тепловой насос работал 20 ч. Температуры воды на выходе из конденсатора теплового насоса в этот период поддерживались на уровне 44-47 °С.

В разгар зимы

Чтобы поднять температуру горячей воды на нормативный уровень (50-55 °С), пришлось призвать на помощь теплосеть, задействовав теплообменник (рис. 1, поз. 3). Начиная с 18 ноября 2006 г., в течение всей зимы тепловой насос автоматически включался только в часы пикового водоразбора.

На рис. 2в показано, как изменялись температуры жидкостей, участвовавших в процессе преобразования тепловой энергии в тепловом насосе в течение суток 31 января 2007 г.

Температура стоков в канализационной трубе ночью снижалась до 7 °С, потому что попавшая в канализацию водопроводная вода с начальной температурой около 2 °С подогревалась в трубопроводах, проложенных внутри дома. В течение суток температура стоков, поступающих в греющий контур сточно-гликолевого теплообменника, изменялась в диапазоне от 7 до 32 °С, а температура стоков, покидающих дом, была на 0,5-4 °С ниже.

Температура охлажденного этиленгликоля колебалась от 4 до 20 °С. Эти значения рассматриваются как равновесные в режимах работающего и остановленного теплового насоса. Продолжительность выхода на низшую равновесную температуру составляет примерно 2,5 ч, а на высшую – около 5,5 ч.

Период активного использования низкопотенциальных источников энергии в это время года не превышал 7 ч в сутки. Вода в конденсаторе теплового насоса подогревалась при этом до 50-58 °С.

«Загадочные» температурные кривые

Внимательный читатель уже обратил внимание на загадочный характер экспериментальных температурных кривых рис. 2в, зафиксировавших повышение температуры этиленгликоля ночью. Действительно, от основного источника тепла – сточногликолевого теплообменника среди ночи толку мало, он холоден, и протекающее через него ничтожно малое количество стоков с температурой 7 °С не может нагреть этиленгликоль в течение ночи до 20 °С. Грунт, который перед этим интенсивно охлаждался, тоже не может подогреть жидкость до столь высокой температуры.

Возможно, некоторое количество тепла передается этиленгликолю в процессе конденсации водяных паров из влажного воздуха, которым, в основном, заполнено в это время пространство внутренней трубы сточно-гликолевого теплообменника. И это вполне вероятно, потому что параметры влажного воздуха в этом случае определяются сточной жидкостью вентилируемых через теплообменник наружных канализационных сетей, где температура стоков может быть более высокой, чем в исследуемом доме. В пользу этой версии свидетельствуют температурные кривые, характеризующие процесс в 13-15 ч. дня. В это время сточная жидкость холоднее этиленгликоля, но, несмотря на это, его температура в процессе прохождения через теплообменник заметно повышается.

Но, все же, ночью температура этиленгликоля повышается, главным образом, вследствие теплообмена на поверхности неизолированных трубопроводов. Этиленгликоля в системе немного, всего около 100 л. Чтобы его нагреть на 15 °С, нужно всего 1400 ккал.

Примерно столько холода теряют неизолированные трубопроводы, транспортирующие этиленгликоль через относительно теплые помещения подвала от теплового насоса к теплообменникам.

Тепловой поток от канализационных стоков

Для вычисления величин теплового потока в сточно-гликолевом теплообменнике (QТО) и коэффициента теплопередачи (k) использована информация о температурах этиленгликоля (рис. 2а-2в) и о его расходе, который в течение всего времени опытной эксплуатации был неизменным и составлял 1,2 т/ч.

В табл. 1 представлены результаты этих вычислений. При этом учитывалось, что величина удельной теплоемкости водного раствора этиленгликоля с концентрацией 20% составляет 3,87 кДж/(кг.К), а расход стоков вычислялся, исходя из теплового баланса жидкостей, участвующих в теплообмене.

Величина теплового потока колеблется в диапазоне 4,26-9,29 кВт. Удельная тепловая мощность сточно-гликолевого теплообменника, отнесенная к погонному метру его длины, находится в интервале 0,53-1,16 кВт/м. Наибольшие значения величин теплового потока отмечены, как и можно было предположить, при самых низких температурах этиленгликоля и самых высоких температурах сточной жидкости. Величина коэффициента теплопередачи в сточно-гликолевом теплообменнике колеблется в диапазоне 125-211 Вт/(м2.К).

Тепловой поток от грунта

Тепловой поток от грунтового теплообменника (QГР) вычислялся при постоянном значении расхода этиленгликоля, равном 3,5 т/ч, и измеренных его температурах на входе в теплообменник и на выходе из него.

В табл. 2 представлены результаты этих вычислений.

Величина теплового потока от грунтового теплообменника колеблется в диапазоне 4,59-9,43 кВт. Удельная тепловая мощность грунтового теплообменника, отнесенная к одному погонному метру скважин, находится в интервале 24-52 Вт/м.

Для практических целей может представлять интерес удельный тепловой поток от грунтового теплообменника, составленного из скважин глубиной 3 м, отнесенный к площади подвала здания, в котором эти скважины пробурены. Эти величины находятся в диапазоне значений 39-86 Вт/м2.

Наибольшие значения величин теплового потока отмечены при самых низких температурах этиленгликоля.

Коэффициент преобразования

Коэффициент преобразования (η) теплового насоса представляет собой отношение его тепловой мощности (QT) к мощности электрической (N): η=QT/N. В свою очередь, тепловая мощность теплового насоса складывается из его холодильной мощности (QX) и

мощности электрической: QT=QX+N.

Холодильная мощность теплового насоса, установленного на испытательном стенде общежития аспирантов, вычисляется по формуле: QX=QТО+QГР+QПОТ, где QТО и QГР – измеренные тепловые потоки в сточногликолевом и грунтовом теплообменниках, а QПОТ – вычисленные потери холода в трубопроводах, транспортирующих этиленгликоль от теплового насоса к сточногликолевому и грунтовому теплообменникам.

Сводная информация о тепловых потоках и о коэффициентах преобразования теплового насоса в характерных режимах работы экспериментальной установки приведена в табл. 3. Эти данные позволяют получить лишь относительное представление об эффективности тепловых процессов, поскольку фактические величины потребляемой мощности при проведении исследования не измерялись, и величины N, приведенные в таблице, вычислялись по паспортным характеристикам теплового насоса в зависимости от температур кипения и конденсации холодильного агента.

Значения коэффициента преобразования находятся в диапазоне величин 2,75<η<3,61, что отвечает известным представлениям об эффективности тепловых насосов, реализованных на других объектах. Наиболее высокие значения коэффициента преобразования получены 17 ноября 2006 г., в день, когда тепловой насос работал практически непрерывно в течение 20 ч, и режимы теплообмена были близки к стационарным. В этих режимах ошибки измерений, связанные с нестационарностью теплообмена в условиях замеров с интервалами 10 мин, минимальны. Поэтому средневзвешенная величина коэффициента преобразования теплового насоса близка к 3,5.

Основные результаты исследования

1. Технические решения обеспечения теплом системы горячего водоснабжения жилого дома от теплового насоса, использующего низкопотенциальную энергию канализационных стоков этого дома и грунта, расположенного под ним, в том виде, как они реализованы в общежитии аспирантов КиевЗНИИЭП, продемонстрировали работоспособность экспериментальной установки и ее эффективность.

2. Температура сточной жидкости, которую обычно сливают в канализацию, достигает зимой 31 °С, и ее тепловой потенциал можно использовать. Сточно-гликолевые теплообменники, общая длина которых в экспериментальной системе была ограничена 8 м, используя этот потенциал далеко не в полной мере, обеспечили около половины тепловой мощности теплового насоса.

3. Величина удельного теплового потока от поверхности сточно-гликолевого теплообменника, выполненного из стальной нержавеющей трубы диаметром 100 мм, отнесенная к одному метру его длины, находится в интервале значений 0,53-1,16 кВт/м, а коэффициент теплопередачи в процессе исследований колебался в диапазоне 125-211 Вт/(м2.К).

4. Удельная тепловая мощность расположенного в подвале дома грунтового теплообменника, отнесенная к погонному метру скважин глубиной 3 м с U-образными полиэтиленовыми трубками диаметром 16х2 мм, находится в интервале 24-52 Вт/м. Величина удельного теплового потока из грунта, отнесенная к площади той части подвала здания, в которой пробурены скважины, находится в диапазоне значений 39-86 Вт/м2.

5. Тепловой насос работал со средней величиной коэффициента преобразования 3,5.

6. Совместная работа [2] сточногликолевого и грунтового теплообменников в едином гликолевом контуре циркуляции, работающем безостановочно, предотвращает переохлаждение грунта, который при неработающем компрессоре теплового насоса прогревается теплотой стоков, способствуя более эффективной выработке тепловой энергии.

7. При работе теплового насоса в течение 20 ч в сутки температура этиленгликоля понижается до минимального значения –1 °С. Среднее значение температуры охлажденного этиленгликоля +5-8 °С.

8. Время выхода установки на стационарный температурный режим – от 2,5 до 4 ч от начала работы теплового насоса.

9. Максимальная температура воды, подогретой в конденсаторе теплового насоса, 57 °С; среднее значение – 51 °С.

10. Изменения температуры наружного воздуха в период проведения исследований в интервале значений от +28 до –15 °С не оказали заметного влияния на величину теплового потока от грунта, расположенного под пятном здания.

11. Для обеспечения полностью автономного и независимого от тепловой сети горячего водоснабжения общежития аспирантов КиевЗНИИЭП необходимо дополнительно установить тепловой насос тепловой мощностью 20 кВт и увеличить протяженность сточно-гликолевых теплообменников до 26 м.

12. Научная информация, полученная в результате исследования экспериментальной установки, достаточна для того, чтобы на ее основе проектировать и строить здания с тепловыми насосами, эффективно использующими энергию канализационных стоков и грунта.

Литература

1.  Гершкович В.Ф. От простого погодного регулятора до нулевого теплопотребления. Этапы модернизации теплоснабжения жилого дома // Энергосбережение в зданиях. 2006. № 2.

2.  Гершкович В.Ф. Неожиданный подарок от экспериментальной теплонасосной системы. Этапы модернизации теплоснабжения жилого дома // Энергосбережение в зданиях. 2006. № 4.

Источник: Информационный бюллетень "Энергосовет", выпуск 3(8), март 2010 г.

Назад в раздел