Организация теплоснабжения малоэтажных зданий с использованием низкопотенциальной теплоты открытых водотоков

Введение. Доля тепловой энергии в энергетическом балансе сельскохозяйственного производства обычно превышает 60%. Теплоснабжение является, кроме того, и важнейшим фактором для нового жилищного строительства и улучшения социально-бытовых условий жителей удаленных районов. Причем если поставку электроэнергии можно обеспечить по имеющимся или вновь создаваемым сетям, то тепловую энергию (горячая вода) на значительные расстояния транспортировать не представляется возможным, т.е. ее надо производить на месте. Зачастую уголь или дрова отсутствуют, использование электроэнергии для целей отопления или получения горячей воды слишком дорого. В результате сдерживается развитие производства, в основном малого и среднего бизне- са, а социально-бытовые условия населения отстают от современных стандартов.

В таких условиях представляется весьма целесообразным использовать зарубежный опыт организации теплоснабжения с применением теплонасосных установок (ТНУ), которые отличаются высокой энер-гоэ ффе кти вностью.

В таких системах на 1 кВт ч затраченной электрической энергии можно получать 3-6 кВт ч тепловой энергии. По своей экономической эффективности такие системы уступают только системам отопления на основе природного газа и намного превышают эффективность систем теплоснабжения, основанных на использовании электроэнергии, мазута, дизельного топлива и угля [1]. Поэтому они широко применяются для теплоснабжения автономных, удаленных объектов.

Наиболее распространёнными, простыми и дешёвыми в монтаже являются воздушные теплонасосные установки, в которых для выработки высокопотенци альной теплоты, пригодной для целей отопления и горячего водоснабжения зданий, используется низкопотенциальная теплота, отобранная от наружного воздуха [2]. К сожалению, такие установки становятся малоэффективными при снижении температуры окружающего воздуха ниже -5-10 °C и потому не могут выступать надёжными источниками тепла для регионов, характеризующихся низкими пиковыми температурами в холодное время.

Сегодня большое распространение получили теплонаносные установки с грунтовыми теплообменниками, в которых теплота приповерхностных (а иногда и более глубинных) слоев Земли используется для выработки горячей воды с заданными параметрами, которая затем используется как для отопления, так и для горячего водоснабжения. Для отбора низкопотенциальной теплоты от грунта в таких установках применяются вертикальные или горизонтальные грунтовые теплообменники-коллекторы (рисунок 1).

Рисунок 1 - Теплонасосные системы теплоснабжения с вертикальным (л) и горизонтальным (б) теплообменником-коллектором

В Швеции почти 90% новых зданий отапливается с помощью тепла, которое извлекается из пробуренных у дома скважин. В Германии в 2005 году застройщики подали около 12 тыс. заявок на геотермальные установки, год спустя количество заявок на бурение составило уже 28,5 тыс. и продолжает расти (данные Федерального союза геотермии Германии).

Положительные примеры есть и в России. Так, например, в Ярославской области реализован проект по созданию системы теплоснабжения сельской школы с использованием теплоты грунта [3].

Недостатком геотермальных теплонасосных систем является их высокая стоимость, обусловленная необходимостью монтажа дорогостоящих систем отбора подземной теплоты, что связано с большим объемом земляных (бурильных) работ.

Более перспективными представляются теплонаносные системы теплоснабжения, основанные на использовании тепла поверхностных водных сред и, в частности, малых водотоков, таких как каналы и небольшие реки.

Недостаточное распространение таких систем по сравнению с системами с грунтовыми теплообменниками объясняется тем обстоятельством, что их внедрение требует наличия водотоков как источников низко потенциальной теплоты. Стоит отметить, что в качестве таких водотоков могут также выступать каналы мелиоративных систем, которые часто образуют развитые сети на территориях орошаемого земледелия.

Системы с использованием теплоты водотоков по своей эффективности не уступают вышеописанным ТНУ с грунтовыми теплообменниками и даже превосходят последние при несравненно более низких капитальных затратах.

Технология использования низкопотенциальной теплоты поверхностных вод отработана далеко не в такой степени, как технология использования геотермальной теплоты. В России такие системы, несмотря на их простоту, распространения не получили, а исследования в данном направлении развиты слабо.

Схема с непосредственным забором воды из водоёмов и водотоков с последующим её охлаждением в испарителе теплового насоса и сбросом обратно в водоём или водоток, хотя и представляется наиболее очевидным решением, но обладает существенными недостатками, прежде всего высокой вероятностью замерзания и засорения системы, поэтому не пригодна в большинстве случаев.

Известна схема отбора теплоты от поверхностного водоёма или водотока, при которой на дно водоёма или водотока погружается сложенная петлями труба большой длины, как правило, полиэтиленовая, скреплённая различными способами и снабжённая дополнительными грузами для удержания на дне. Через трубу посредством циркуляционного насоса прокачивается нагреваемый теплоноситель. Пример исполнения такой схемы представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Конструкция теплообменных матов на основе полиэтиленовых труб для отбора низкопотенциальной теплоты от поверхностного водоёма или водотока

Однако такие технические решения хотя и просты в реализации, но демонстрируют недостаточно высокую эффективность и зачастую оказываются совершенно непригодными для размещения в малых водотоках.

Основным недостатком описанной схемы в целом является низкая интенсив ность теплообмена между водной средой и трубой, что влечёт за собой следующие последствия:

• -    повышенную материалоёмкость из-за необходимости использования трубы большой длины и, в ряде случаев, изготовления для неё рамы большого размера или нескольких рам, а также значительный

объём теплоносителя, необходимого для заполнения трубы;

• -    наличие достаточного по размеру, доступного для размещения конструкции участка водотока;

• - повышенные затраты энергии на прокачку теплоносителя вследствие значительной длины трубы;

• -    увеличенное расхождение между температурой теплоносителя на выходе из трубы и средней температурой водотока, что особенно проявляется при наличии на дне слоя илистых отложений, ограничивающих конвективный теплообмен и увеличивающих градиент температуры между трубой, погруженной в эти отложения, и основной массой воды в верхней части водоёма.

Последний показатель имеет большое значение, так как максимальное приближение температуры теплоносителя к температуре источника низкопотенциальной теплоты позволяет добиться наивысших показателей производительности и эффективности теплового насоса.

Из перечисленных недостатков описанной выше схемы также наиболее существенным является необходимость использования значительного количества теплоносителя-антифриза, требуемый объём которого измеряется в сотнях и тысячах литров. В качестве теплоносителя в настоящее время используют водный раствор либо этиленгликоля, либо пропиленгликоля. При это этиленгликоль является токсичным веществом и представляет опасность для человека и окружающей среды, а также характеризуется достаточно высокой вязкостью и коррозионной активностью, а пропиленгликоль, хотя и является безопасным, но обладает чрезмерно высокой вязкостью при низких температурах и характеризуется высокой стоимостью, что делает его использование в контуре отбора низкопотенциальной теплоты крайне невыгодным. Так, например, стоимость теплоносителя на основе пропиленгликоля, необходимого для заполнения приведённых выше конструкций из полиэтиленовых труб, существенно превышает стоимость самих полиэтиленовых труб и прочих составляющих. Таким образом, использование применяемых сегодня теплоносителей существенно увеличивает стоимость системы и, вследствие высокой вязкости, существенно снижает эффективность её работы.

Описание предлагаемого технического решения. Проведённые нами исследования позволили сделать вывод, что наиболее перспективным представляется использование в качестве теплоносителя раствора хлорида кальция, который характеризуется малой вязкостью, низкой стоимостью и экологической безопасностью [4].

Увеличение эффективности отбора теплоты от водотока возможно достичь за счёт использования естественного движения воды в направлении течения для интенсификации теплообмена. Принципиальная схема такого метода приведена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Принципиальная схема эффективного отбора низкопотенциальной теплоты от водотока с помощью специального речного теплообменника

Известно, что скорость течения воды в открытом русле принимает наибольшие значения вблизи поверхности, особенно при наличии слоя илистых отложений на дне. Одно из технических решений, которое позволяет более эффективно производить отбор теплоты от водотока, - это размещение теплообменника на специальных поплавках, обеспечивающих ему положительную плавучесть. Конструкция и внешний вид разработанного нами плавучего речного теплообменника представлены на рисунках 4 и 5, Такой теплообменник можно расположить и удерживать с помощью тросов в зоне наибольшей скорости течения водотока. При этом даже суще ственное уменьшение уровня воды в русле не приведёт к осушению трубы змеевика, так как теплообменник начнёт опускаться вслед за уровнем воды. Улучшение теплообменных характеристик также происходит за счёт того, что при такой конструкции и таком расположении теплообменника в русле обеспечивается поперечное обтекание потоком воды прямых участков трубы змеевика, что интенсифицирует процесс теплопередачи. Такой теплообменник достаточно компактен для размещения в малых водотоках, прост в монтаже и не требует большого объёма теплоносителя.

1 - рама; 2 - трубы; 3 - поплавки; 4 - грузы-якоря; 5 - тросы Рисунок 4 - Принципиальная схема разработанного теплообменника для небольшого водотока

Рисунок 5 - Экспериментальный образец теплообменника

Заключение. Экспериментальный образец описанного теплообменника проходит испытания в составе специально собранной теплонасосной системы отопления и показывает высокие техникоэкономические результаты. Внедрение в практику этого и других решений, способных снизить стоимость теплонасосных установок и срок их окупаемости, будет способствовать более широкому распространению подобных систем.