В сельскохозяйственных предприятиях, таких как птичник, инкубатор, фермы КРС и тд топливо и энергия расходуются на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение производственных помещений, на сушку зерна, семян и кормов, на тепловую обработку сельскохозяйственной продукции.
В связи с дефицитом топливно-энергетических ресурсов, ростом потребления топлива, разобщенности коммунально-бытовых и производственных объектов, неравномерности теплового потребления возникает необходимость использования нетрадиционных (вторичные и возобновляемые) источников энергии.
В настоящее время разработка устройств, использующихэнергию ветра, воды, солнца, геотермальную энергию, а также тепловую энергию, содержащуюся в воде, воздухе и земле, актуальна среди ученых во всем мире [1-3]. Одним из таких устройств являются тепловые насосы.
Тепловой насос реализует обратный термодинамический цикл, в результате чего осуществляется перенос теплоты от менее нагретых тел к более нагретым. По принципу работы тепловые насосы можно разделить на парокомпрессионные исорбционные.
Парокомпрессионные устройства выполняются обычно в виде системы из трех замкнутых контуров. В первом циркулирует антифриз, который собирает теплоту из окружающей среды, данный контур так же называется внешним. Второй представляет собой цикл теплового насоса, в котором циркулирует хладагент. Он отбирает теплоту внешнего теплоносителя, испаряясь при низкой температуре, и отдает теплоприемнику, конденсируясь при высокой температуре. Третий контур является внутренний контуром, по которому циркулирует теплоприемник, например вода систем теплоснабжения [3].
В сорбционных тепловых устройствах сорбент при помощи термохимических процессов поглощает рабочий агент с выделением теплоты — процесс сорбции. А затем, с поглощением теплоты из сорбента выделяется рабочий агент — процесс десорбции. Для работы такого теплового насоса необходимо располагать тремя внешними источниками теплоты: греющий источник, источник низкой температуры, для охлаждаемого элемента установки, и окружающая среда. Использование дополнительного источника теплоты делает такой вид насоса более затратным по сравнению с парокомпрессионным [3].
Тепловые насосы так же классифицируют по источникам низкопотенциальной теплоты, которые в свою очередь могут быть искусственного иестественного происхождения. Естественными источниками могут служить наружный воздух, подземные воды, грунт, солнечная энергия, поверхностные воды, такие как река, озеро, море. К искусственным источникам теплоты относят сбросные воды, вытяжной воздух систем вентиляции и так далее.
В воздушных тепловых насосах воздух продувается через испаритель, отдавая тепло холодильному агенту. Холодильный агент, проходя через конденсатор отдает тепло воде, которая используется для отопления.
Наружный воздух как источник низкопотенциальной теплоты для тепловых насосов является очень доступным ресурсом. Однако коэффициент теплоотдачи воздуха очень низок, а при изменениях его температуры в большом диапазоне, достигая отрицательных значений, эффективность теплового насоса сильно снижается [3].
Исходя из этих соображений, можно сделать вывод, что данный тип теплового насоса самый лучший выбор для условий Башкирии.
Тепловые насосы, которые используют воду в качестве низкопотенциального источника теплоты, так же подразделяются на два типа: открытый и закрытый.
Особенностью открытого типа является то, что вода из скважины или водоема поступает непосредственно в испаритель. Благодаря этой особенности монтаж и эксплуатация являются наиболее экономичными [1-3]. Однако в реальных условиях данная система сталкивается с многими проблемами. Необходимо учитывать требования местной администрации в вопросах организации сточных вод. Сильная загрязненность источника так же играет свою роль, быстрое загрязнение теплообменников приводит уменьшению их эффективности. Эксплуатационные затраты на отвод и подвод воды, работу обустройство скважин и колодцев для тепловых насосов имеют высокую стоимость. Большим потенциалом, за счет высокой температуры обладают промышленные водостоки, воды обратных систем охлаждения промышленных предприятий, а так же канализационные неочищенные и очищенные сточные воды. Однако для такого рода систем необходимо проектировать индивидуальные теплообменные поверхности и учитывать излишнюю загрязненность источника [3].
В закрытом типе на дно водоема укладывается контур, по которому циркулирует антифриз, и протягивается до места установки теплового насос. При монтаже такого типа теплового насоса проводится минимум земляных работ, что делает его достаточно экономичным. Однако имеются требования по минимальной глубине и объему водоема для конкретного региона. Установка данного типа имеет смысл при наличии поблизости непромерзающего водоема.
Таким образом для реализации теплового насоса, отбирающего теплоту у воды, необходимы либо большие затраты на очистное оборудование, либо, находящийся рядом со зданием, достаточно глубокий водоем, что является частным случаем. В связи с этим типы тепловых насосов, использующие воду в качестве низкопотенциальной теплоты, не подходят для повсеместного использования на территории региона.
За последние годы в десятки раз возрос процент продаж воздушных тепловых насосов в Скандинавских странах, которые можно назвать умеренно холодными. В официальном рейтинге холодных стран России принадлежит первое место. Поэтому актуальным остается вопрос о возможности и эффективности применения таких тепловых насосов в климатических условиях большей части РФ.
В настоящее время работоспособность и целесообразность использования низкотемпературных тепловых насосов в условиях Подмосковья оценена и подтверждена практически [1], поэтому, безусловно, имеет смысл получить данные и для других регионов России.
Оценка энергетической и экономической эффективности применения тепловых насосов, использующих в качестве низкопотенциального источника энергии наружный воздух в климатических условиях Пермского края, была выполнена на основе математической модели [2], в которой было изменено описание работы первичного контура, представляющего собой воздушный испаритель. В качестве объекта исследования был выбран индивидуальный жилой дом с тепловой нагрузкой на систему отопления 15 кВт и потребностью в нагреве 600 л воды в сутки. Поскольку продолжительность стояния наиболее низких температур наружного воздуха в течение отопительного периода мала, экономически нецелесообразно проектировать мощность дорогостоящих тепловых насосов на покрытие всей расчетной тепловой нагрузки. В связи с этим рассматривалась бивалентная схема теплоснабжения дома, когда тепловая нагрузка распределяется между тепловым насосом и дополнительным пиковым электронагревателем, подключаемым только в период стояния температуры наружного воздуха ниже бивалентной tб (рисунок 1).
Существенным ограничением в использовании воздушных тепловых насосов является минимальная рабочая температура наружного воздуха. Для большинства моделей, представленных на рынке, она составляет –20 до –25 °C. Поэтому при стоянии температуры воздуха ниже рабочей всю тепловую нагрузку обеспечивает электрический котел.
Эффективность работы теплового насоса характеризуется действительным коэффициентом преобразования εд и зависит от температуры хладона в испарителе и конденсаторе теплового насоса.
(1)
где v — степень термодинамического совершенства реального процесса, учитывающая все необратимые потери при реальном термодинамическом цикле; εс — коэффициент преобразования кругового цикла Карно; tи и tк — соответственно температура испарения и конденсации хладона, °C.
Задачей нашей работы является — определение влияния бивалентной температуры на энергопотребление и срок окупаемости теплонасосной системы теплоснабжения птичника в условия ООО «УралАгро» по сравнению с прямым электрическим отоплением.
Энергопотребление теплонасосной системы теплоснабжения
(2)
где ЕТН, Е1, Е2 — соответственно энергопотребление тепловым насосом, вентилятором первичного контура, насосным и тепловым оборудованием системы отопления, а также горячего водоснабжения.
Результаты исследования зависимости энергопотребления системой теплоснабжения в зависимости от бивалентной температуры представлены на рисунке 2. Поскольку рабочая температура теплового насоса ограничена значением –25 °C, при исследовании был рассмотрен диапазон бивалентной температуры от –25 до +5 °C.
Увеличение температуры бивалентности существенно повышает энергопотребление теплонасосной системой теплоснабжения из-за неэффективной выработки тепловой энергии электрическим котлом. Таким образом, теплонасосная система теплоснабжения, рассчитанная на минимальную температуру бивалентности –25 °C, по сравнению с электрическим отоплением позволит сэкономить 23 630 кВт·ч за год (42,6%), что, например, в денежном эквиваленте для условий Перми составит около 62,5 тыс. руб.
Таким образом, применение тепловых насосов в условиях Башкирии позволяют снизить энергопотребление птицефермы «УралАгро» на 42,6% и окупаются в сравнительно небольшие сроки.