2.8 Тепловые насосы
ТН называют устройства, работающие по обратному термодинамическому циклу и предназначены для передачи тепла от низкопотенциального источника энергии к высокопотенциальному.
Второй закон термодинамики: невозможно создать такой тепловой двигатель, который бы все подведенное тепло превращал в работу. Часть этого тепла он вынужден отдать нижнему источнику теплоты.
В ТН для передачи энергии от НИТ к ВИТ требуется затраты энергии. В настоящее время широкое распространение получили парокомпрессионные ТНУ. В этих установках в качестве рабочего тела используют вещества, которые имеют низкую температуру кипения. Как правило это аммиак и различные фреоны.
Принципиальная схема парокомпрессионной ТНУ:
За счет теплоты от НИТ в испарителе идет процесс парообразования рабочего тела с низкой температурой кипения. Полученный пар направляется в компрессор где происходит сжатие рабочего тела и повышение температуры. Затем пар поступает в конденсатор, где отдает тепло жидкости, циркулирующей в отопительной системе. Образовавшийся конденсат рабочего тела направляется в дроссель-вентиль, там он дросселируется с повышением давления и температуры. После дросселя жидкость снова направляется в испаритель.
Эффективность ТН оценивается коэффициентом трансформации тепла или отопительным коэффициентом μ=q1/l=(q2+l)/l, где q2 - теплота, полученная рабочим телом в испарителе; q1 – теплота отданная рабочему телу; l – работа, затраченная в компрессоре на сжатие.
μ показывает сколько теплоты отводится для потребления в расчете на единицу затраченной на привод ТН механической работы. Чем больше значение μ, тем больше количество теплоты можно передать ВИТ при одной и той же затраченной работе. μ имеет значение от 3 до 8.
В качестве НИТ (низкопотенциального источника теплоты) используют воздух помещений, почву и подпочвенную воду. Также в качестве НИТ для получения больших мощностей используют морскую, речную и озерную воду, геотермальные источники, а также грунтовые воды. Например, в Швеции в ТНУ в качестве НИТ используется вода Балтийского моря.
ТН изготавливают для автономного обогрева и горячего водоснабжения различных помещений. ТНУ экологически чистые, так как не сжигают топливо. ТНУ являются одними из немногих устройств, которые производят в 3-7 раз больше тепловой энергии чем потребляют энергию на привод компрессора.
ТНУ достаточно давно в больших количествах производят и эксплуатируют во многих странах мира. По прогнозам мирового энергетического агентства к 2020 году 75% теплоснабжения будет осуществляться с помощью ТН.
Достоинством ТНУ является то, что ее можно также использовать для кондиционирования воздуха в летнее время. Огромное количество ТН используется в Японии и США не сколько для отопления, сколько для кондиционирования воздуха в летнее время.
ТНУ позволяет значительно снизить расход электроэнергии на отопление.
Нетрадиционные источники энергии. Энергетические установки малой мощности
Место малой энергетики в энергетике России
К нетрадиционным источникам энергии можно отнести малые гидроэлектростанции, дизельные электростанции, газо-поршневые электростанции, малые АЭС.
Гарантом надежного электроснабжения, теплоснабжения и энергетической безопасности России является единая энергетическая система. Но при этом нельзя недооценивать роль малой энергетики. Малые электростанции в ряде случаев могут успешно решать те же самые задачи нередко с большей эффективностью и с меньшими затратами. Малая энергетика способна снабжать энергией труднодоступные и малоосвоенные районы. Она важна для автономного энергоснабжения. По разным оценкам централизованного электроснабжения не имеют 50-70% территории России. Обеспечить потребителей теплом и электроэнергией можно с помощью малой энергетики. Строительство крупных электростанций в ряде случаев нецелесообразно. Также с экономической точки зрения нецелесообразно прокладывать дорогостоящие теплотрассы и линии электропередач. В централизованных системах энергоснабжения значительная доля тепла теряется безвозвратно. Сначала тепло теряется на самих электростанциях, а затем в электрических сетях и теплоцентралях. Тепловые потери в сетях превышают 16% годового расхода топлива на теплоснабжение. Коэффициент полезного использования топлива на уровне конечного потребителя в системах центрального теплоснабжения находится в пределах 30-50%.
В ряде случаем снизить потери можно при использовании малых источников энергии. Мини ТЭЦ приближены к потребителю и сводят потери при транспортировки энергии к минимуму. КПД лучших современных малых электростанций составляет 80%. Эти станции являются более экологически чистыми по сравнению с крупными электростанциями. Мини ТЭЦ являются наиболее компактными и не требуют больших помещений. Они поставляются в блочно-модульном исполнении и имеют достаточно высокую надежность в работе.
В 60-80-е годы ХХ века энергетика была ориентирована на строительство крупных ТЭС, ГЭС и АЭС. В результате развитие малой энергетики замедлилось, а затем приостановилось.
Так как в настоящее время значительных капиталовложений в энергетику не предвидится, то строительство мини ТЭЦ является реальным способом увеличить производство электроэнергии. Малые электростанции не требуют значительных капиталовложений, длительных сроков окупаемости и строительства. Однако малая энергетика с точки зрения экономики сегодня не всегда выгодна. Инвестиции на 1кВт установленной мощности на малых электростанциях требуются значительно большие чем на крупных. Поэтому нужно искать пути по снижению затрат на эксплуатацию таких станций.
При расширении строительства малых электростанций необходимо решать проблемы, такие как адаптация малых энергетических установок к работе Единой энергетической системы, в условиях параллельной работы и др.
Пока малая энергетика развивается в основном в Европейской части страны. Хотя нужна населения, потребности развития экономики страны требуют производства малой энергетики в Сибири, на Дальнем востоке, в районе Крайнего севера, где нельзя компенсировать нехватку энергии с помощью ЕЭС.
Автономные электростанции необходимы в поселках топливной промышленности и отдаленных поселках.
Анализ состояния действующих автономных систем энергоснабжения(АСЭС) удаленных и труднодоступных регионов показал, что наиболее важными проблемами малой энергетики являются:
ухудшение надежности работы АСЭС из-за высокого износа энергооборудования
неприспособленность многих АСЭС для использования местных топливно-энергетических ресурсов
высокая себестоимость вырабатываемой электроэнергии
нехватка высококвалифицированного персонала
недостаточная защита окружающей среды от вредных выбросов
трудности транспортировки электрооборудования
низкий уровень унификации парка ДВС - электростанций, а также используемых на энергоустановках топлив и масел.
Для развития и совершенствования малой энергетики требуется:
повышение эффективности и надежности АСЭС
снижение энергетический зависимости регионов от завозных топливных ресурсов и вовлечение в структуру топливного баланса местных топливно-энергетических ресурсов
переход к созданию малых электростанций нового поколения с автоматизированным компьютерным управлениям и использованием энергосберегающих экологически чистых технологий