ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО НАСОСА ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЕПЛО- И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

​ASSESSMENT OF THE EFFECTIVENESS OF USING A HEAT PUMP FOR A HEATING AND COOLING SUPPLY SYSTEM

Natalia Shiropaeva

student, Department of Industrial Thermal Power Engineering, Smolensk branch of the National Research University "MPEI",

Russia, Smolensk

АННОТАЦИЯ

Тепловые насосы представляют собой современные и эффективные технологии для обеспечения отопления и горячего водоснабжения в жилых и коммерческих зданиях, путем использования для теплоснабжения низкопотенциальных возобновляемых энергетических ресурсов и природной теплоты. Они могут значительно уменьшить энергопотребление и выбросы парниковых газов в сравнении с традиционными системами отопления, особенно в холодных климатических условиях. В работе рассматриваются вопросы оценки и анализа эффективности круглогодичного применения тепловых насосов в системах энергообеспечения зданий.

Ключевые слова: тепловой насос, энергообеспечение, вентиляция, отопление, энергоресурсы.

В настоящее время в энергетике, особенно остро стоят две взаимосвязанные проблемы: экономия топливно-энергетических ресурсов и сокращение загрязнения окружающей среды. В условиях истощения запасов органического топлива и стремлении рационально расходовать энергию все большую популярность обретает применение нетрадиционных и возобновляемых источников энергии.

При проектировании и реконструкции современных систем теплоснабжения нужно учитывать возможность использования технологии тепловых насосов.

Источником низкопотенциальной тепловой энергии может быть тепло как естественного, так и искусственного происхождения.

В качестве естественных источников низкопотенциального тепла могут быть использованы: тепло грунта, подземные воды (грунтовые, артезианские, термальные), наружный воздух.

В качестве искусственных источников низкопотенциального тепла могут выступать: удаляемый вентиляционный воздух, сточные воды, промышленные сбросы, тепло технологических процессов, бытовые тепловыделения.

Целью исследования является оценка и анализ эффективности круглогодичного применения тепловых насосов в системах энергообеспечения зданий.

В качестве объекта исследования рассмотрено здание индивидуальной застройки с теплопроизводительность системы отопления Q^Т_р = 2 МВт и климатическими параметрами г. Москвы.

При этом следует учитывать, что отопление с помощью тепловых насосов осуществляется с более низкой средней температурой воды в системе отопления, и поэтому для обеспечения работы по обычному температурному графику теплосети 95/70 (95 и 70 °С — соответственно температура «прямой» и «обратной» воды теплосети при расчетной температуре наружного воздуха) необходимо иметь пиковую систему подогрева воды; в летнее время тепловой насос работает как холодильная машина для кондиционирования воздуха.

Расход теплоты на отопление зависит от температуры наружного воздуха и определяется по формуле:

                                                                                      (1)

где Q^Т_р-расчётная теплопроизводительность системы, МВт; t_п-температура воздуха в помещении, ^оС (при расчёте температуре принята равной 20^оС); t_н.в.-температура наружного воздуха, ^оС. Расчеты выполнены с учетом изменения температуры воздуха за отопительный сезон.

На основании исходных данных построен график изменения теплопроизводительности и годового отпуска теплоты системы отопления представленный на рисунке 1.

Рисунок 1. Изменение теплопроизоводительности системы отопления и продолжительности сезонной нагрузки

Эксергетический КПД теплового насоса определяется по формуле

,                                                                                         (2)

где е_{в -} эксергия, полученная высокопотенциальным теплоносителем в конденсаторе: ; e_э      - эксергия электроэнергии, потребляемой электродвигателем: ; e_н  - эксергия, отданная низкопотенциальным теплоносителем в испарителе: ; l_сж - работа сжатия в компрессоре теплового насоса: l_сж= h₂ – h₁ 

Параметры для расчета эксергетического КПД получены на основании построения термодинамического цикла по диаграмме фреона R134a.

Результаты расчетов ТН в режиме отопления представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты расчетов для системы отопления

Общее количество теплоты, отпускаемой потребителю системой тепло и хладоснабжения за отопительный сезон, а также долю теплоты, приходящейся на тепловой насос и систему пикового подогрева, находят с учётом производительности и продолжительности постоянства температур наружного воздуха

;                                                                        (3)

В режиме летнего кондиционирования воздуха тепловой насос работает как холодильная машина по обычному регенеративному циклу. Холодопроизводительность машины определяется с учётом теплопоступлений в охлаждаемый объект при условии постоянства интенсивности теплопередачи ограждений объекта k_огр·F_огр. Тогда холодопроизводительность Q_0р машины при расчётном режиме

  МВт                                                                             (4)

где^оС – расчётная температура наружного воздуха для условий г. Москвы; ^оС – температура воздуха в помещении в период летнего кондиционирования

Графики изменения холодопроизводительности машины в зависимости от температуры наружного воздуха и расхода холода за сезон кондиционирования приведены на рисунке 2.

Рисунок 2. Изменение холодопроизоводительности системы хладоснабжениия и продолжительности сезонной нагрузки

Расчет теплового насоса в режиме летнего кондиционирования выполняется по аналогии с расчетом теплового насоса в режиме отопления, с соответствующим построением термодинамического цикла при соответствующих параметрах наружного воздуха и хладоагента.

Количество теплоты, отведённой от охлаждаемого объекта за сезон кондиционирования

                                                                                   (5)

Результаты расчетов ТН в режиме кондиционирования представлены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты расчетов для системы кондиционирования

Оценивая полученные результат расчета ТН в режиме отопления и кондиционирования, можно заметить достаточно хорошие показатели по эксергетическому КПД.

При теплоснабжении объекта отопления от котельной для летнего кондиционирования воздуха необходима холодильная машина. Условия ее работы определяются температурами источников подвода и отвода теплоты.

Методика и последовательность расчёта холодильной машины аналогична расчёту теплового насоса в режиме кондиционирования.

Для оценки энергетической эффективности применения теплового насоса для тепло- и хладоснабжения был выполнен расчет экономии условного топлива при рассмотрении вариантов тепло- хладоснабжения только с ТН, либо от централизованного источника теплоты и холодильной машины для работы в составе системы кондиционирования:

                                                               (8)

где С=29,3 МДж/кг – теплота сгорания условного топлива; η_кот=0,85 – КПД районной котельной; η_т.с.=0,96 – КПД тепловых сетей; W_т.н. – суммарный годовой расход энергии на привод компрессоров и насосов теплового насоса; W_х.м. – суммарный годовой расход энергии на привод компрессоров и насосов холодильной машины с учётом расхода энергии на циркуляционный насос пиковой котельной за отопительный сезон; W_ц=10100 кВт/год; b_к=0,35 – удельный расход топлива на производство электроэнергии по конденсационному циклу. С учетом принятых значений экономия условного топлива составила:

Можно говорить о целесообразности круглогодичного использования ТНУ для климатической зоны г. Москвы.

Список литературы:

1. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоёв земли. М.: 2006.
2. Тепловые и конструктивные расчёты холодильных машин. Учебн. пособие для вузов по специальности «Холодильные и компрессорные установки» / под ред. Сакунна И.А., СПБ.: Машиностроение, 1987.