Особенности эксплуатации тепловых насосов в централизованных системах теплоснабжения

Рассмотрены особенности эксплуатации бивалентно-альтернативной системы теплоснабжения теплового насоса, водогрейного котла на примере жилого здания в климатических условиях г.Алматы. Приведена методика графического определения бивалентной точки для совместной работы источников тепла. 

Перспективы применения тепловых насосов (ТН) в Республике Казахстан определяются технологической востребованностью и тенденцией повышения цен на топливо, тепловую и электрическую энергию.

Целью публикации является определение максимальной эффективности теплоснабжения тепловыми насосами, которая в свою очередь зависит от нижнего предела эксплуатации теплового насоса.

Режим работы теплового насоса в зависимости от способа его эксплуатации в качестве источника тепла подразделяется на следующие виды:

  • моновалентный (источник тепла – только тепловой насос);
  • моноэнергетический (источник тепла – только тепловой насос с электрическим контактным нагревом);
  • бивалентный (источники тепла: тепловой насос и второй теплогенератор – водогрейный котел).

Бивалентный режим работы источников тепла может быть организован альтернативно или параллельно. В бивалентно-альтернативном режиме водогрейный котел включается, если тепловой насос не справляется с нагрузкой. В это время тепловой насос выключается. В бивалентно-параллельномном режиме водогрейный котел включается, если тепловой насос в одиночку не справляется с тепловой нагрузкой и они работают параллельно.

При бивалентно-параллельном режиме работа источников тепла - тепловой насос и пиковый водогрейный котел обеспечивают общую потребность в тепле. Водогрейный котел используется в качестве вспомогательного источника тепла. Управление всей тепловой схемой закрытой системы теплоснабжения, предложенной    автором    [1],    осуществляется    регулятором    температуры      в зависимости от t н – температуры наружного воздуха (так называемой бивалентной точки) и потребности в тепле отопительных контуров.

Максимальная температура подающего теплоносителя в системе отопления не может превышать 80ºС из-за технических возможностей выбранного теплового насоса. Эта температура ограничивается оптимальным значением температуры конденсации рабочего вещества теплового насоса при заданных режимных и технических параметрах системы. Она зависит только от температуры рабочего тела  в  испарителе,  конечной  разности  температур  в  конденсаторе, температуры

 

нагреваемого теплоносителя на входе в конденсатор, кпд ТН

 

hТН  ,  кпд пикового

 

котла

 

hк , кпд электрических  сетей

 

hэс , кпд электрической станции по   выработке

 

электроэнергии h э .

к

Согласно данным авторов [2,3], в типовых схемах бивалентно-параллельных систем принимается, что тепловой насос обеспечивает от 50% до 70% потребности в тепле потребителя. Суммарная продолжительность работы тепловых насосов составляет от 75 до 92% дней календарного года.

Для примера нами рассмотрена бивалентно-альтернативная система теплоснабжения 4-х этажного односекционного дома с подвалом и объектом обслуживания на первом этаже.

Источник теплоснабжения – внутриплощадочные тепловые сети, куда тепло поступает от бивалентно-альтернативных источников в тепловой насос, водогрейный котел. Теплоноситель – сетевая вода, с параметрами 95-40 °С в расчетном режиме, в данном случае поступает из районной отопительной котельной. В качестве альтернативного источника тепла выбран тепловой насос марки   НТ-80   ЗАО   «Энергия».   Расчетная   теплопроизводительность  теплового

 

насоса НТ-80 типа «вода-вода» QТ   = 105кВт

 

при температуре низкопотенциального

 

источника

 

t  = 12 0C

 

и     QТ

 

= 184 кВт

 

при    температуре    низкопотенциального

 

0

 

источника

 

t  = 25 0C . Коэффициент преобразования тепла тепловым насосом     при

 

0

 

расчетном режиме

 

m = 4,3 . Тепловой насос оборудован поршневым компрессором,

 

потребляемая мощность которого 43,4 кВт.

Ввод тепловых сетей запроектирован в индивидуальный тепловой пункт, в котором предусмотрен узел управления с установкой приборов учета тепловой энергии, запорно-регулирующей арматуры и контрольно-измерительных приборов. Горячее водоснабжение жилого здания осуществляется по закрытой схеме.

Из графика годовых тепловых нагрузок для жилого 4-х этажного односекционного дома в условиях г. Алматы можно определить, какую долю в теплоснабжении берет на себя тепловой насос. Годовой график  (график 1) построен с учетом расчетных тепловых нагрузок на отопление и горячего водоснабжения жилого здания.

Тепловая   нагрузка   на   отопление   в   типовом   четырехэтажном   доме при

 

расчетной температуре наружного воздуха в холодной период

 

t р  = -250 С , согласно

 

н

 

теплотехническому  расчету  потерь  тепла  через  наружные  ограждения,   здания,

 

0

 

н

 

составляет Q'

 

= 113.7 кВт .

 

При средней температуре отопительного периода нагрузка на отопление составляет:

 

t ср  = -1,80 С

 

расчетная

 

 

 

(t р  - t ср )

 

(20 0 С - (- 1,80 С ))

 

Q0    = Q0 × (t р  - t кр ) = 113 ,7 × (20 0 С - (- 25 0 С )) = 55 ,08 кВт .

 

(1)

 

ср                '            в             н

                                                         

 

в             н

 

0

 

Годовая тепловая нагрузка системы отопления жилого здания:

 

 

Q

 

год

0

 

= Qср

 

× ZHt  = 55,08×166 × 24 × 3600 = 789,98 ГДж / год .              (2)

 

Тепловая нагрузка горячего водоснабжения группы зданий,  обслуживаемых от бивалентных источников теплоты: пикового котла, теплового насоса – согласно [4] определяется по следующей формуле:

 

 

n

 

m × a × (65  - t

 

c ср

 

Q ср .н

 

=                                            х             р     ,

 

(3)

 

г

c

 

 

где  a  –  норма  расхода  горячей  воды  с температурой

 

tг  = 65

 

С ,  на  1  чел. в

 

0

 

сутки;

 

a = 200 л / сут

 

– для жилого здания [5];

 

m  – количество людей, проживающих в одном из типовых домов    района

 

теплоснабжения,

 

m = 80

 

человек;

 

р

 

cср  = 4.190 кДж /(кг × К ) – расчетная теплоемкость воды;

tх   – температура холодной воды; ºC – в отопительный период 5ºC и в

летний период – 15ºC;

nc   – расчетная      длительность      подачи      теплоты      на      ГВС,      с/сут;

nc  = 24 × 3600 = 86400с.

р

 

Для отопительного периода средненедельный расход теплоты:

 

 

 

 

Q

 

ср .н

r1

 

m × a × (65 - t х

=

nc

 

c ср

 

=  80 × 200  × (65 - 5) × 4190

86400

 

= 46 ,5

 

кВт

 

.                         (4)

 

 

Для летнего периода средненедельный расход теплоты:

 

 

 

ср .н

 

ср .н

 

(t г  - t хл )

 

(65 - 15 )

 

Qr 2

 

= Qr 1

 

× b × (t


  • t х

 

) = 46 ,5 ×

 

(65 - 5)

 

= 31,04 кВт  ,                                          (5)

 

 

г

 

где     b      –    коэффициент,     учитывающий     изменение    расхода    на    ГВС,

b = 8400часов / год .

Для года средненедельный расход теплоты:

 

 

г

 

Q ср .н × Z Q ср .н  =     r 1

 

+ Q ср .н  × (350 - Z

Ht              

 

r 2

350

 

Ht  ) =

 

46 ,5 ×166 + 31,04 × (350 - 166 )

 

350

 

= 33 ,37

 

кВт  .(6)

 

 

Годовой расход теплоты на ГВС:

 

 

 

Q

 

год ГВС

 

= Q ср .н

r 1


  • n0 + Q

 

ср .н

r 2

 

× (n Г  - n0 ) = (46 ,5 × 3984 + 31,04 × (8400 - 3984 ) ×

 

3600

10 9

 

= 1159 ,2 ГДж ,      (7)

 

 

 

где

 

n0        -    продолжительность    отопительного    периода,

 

n0  = 166 × 24 = 3984

 

часов / год ;

nГ

 

-   годовая   продолжительность   работы   системы  теплоснабжения,

 

nГ  = 8400 часов / год .

На рисунке 1 показан годовой график тепловых нагрузок для типового жилого

здания, обслуживаемого от бивалентных источников теплоты: пикового котла, теплового насоса. Совместная работа теплового насоса и пикового водогрейного котла начинается при температуре наружного воздуха наиболее холодного   месяца

 

в     отопительном     сезоне

 

t хм  = -7,80 С

 

и     продолжается     до     температуры,

 

н

 

соответствующей бивалентной точке.

 

Рисунок 1 – Суммарные годовые тепловые нагрузки жилого здания

Для определения бивалентной точки, т.е. температуры наружного воздуха, ниже которой невозможна работа теплового насоса для отопительного контура жилого здания, необходимо рассмотрение следующих графиков: зависимости температуры наружного воздуха от продолжительности года tн =f(Zt) и изменения теплопроизводительности ТН от температуры наружного воздуха  Qт  =f(tн) (рисунки 2, 3).

 

 

 

Рисунок 2 – Зависимость температуры наружного воздуха от продолжительности года для условий г.Алматы

 

 

Температура наружного воздуха при качественном регулировании отпуска тепла потребителю определяется из выражения [6]:

Q

 

i

     0                         р

 

tнi   = tвр +    '

Q0

 

(tвр  + tн  ) ,                                                                                 (8)

 

 

 

Q

 

0

 

где     i

 

– тепловая нагрузка системы отопления жилого здания при текущей

 

температуре наружного воздуха;

'                                                                                                                                                                                  0

Q0   – при температуре холодного периода tнi  = -25  C .

 

 

Рисунок 3 – Зависимость тепловой мощности теплового насоса НТ-80 от температуры наружного воздуха в отопительный период

 

 

Для  исследования  зависимости

 

tн  =  f (Zt )

 

по  формуле  (8)  рассчитывались

 

значения    температур    наружного    воздуха,    соответствующие    температурному

 

режиму   в    теплосети

 

= 750 C

 

  • в подающей   линии    и

 

= 400 C

 

  • после

 

1

 

2

 

t1

t2

i

Q0

tнi , ºС

Zt  , час

Zt  , сут

60

40

46,5

+8

4000

167

65

40

53,4

-1,1

2618

109

70

40

64,1

-3,4

2287

95

73

40

68,9

-5

1810

75

75

40

74,8

-9,6

1102

46

95

40

113,7

-25

122

5

 

 

отопительных приборов. Результаты расчета представлены в таблице 1. Таблица 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – нагрузка, покрываемая тепловым насосом; 2 – нагрузка, обеспечиваемая пиковым котлом; 3 – резервная мощность теплового насоса.

Рисунок 4 – Распределение тепловой нагрузки при использовании

бивалентной схемы

 

На рисунке 4 представлен процесс оптимально организованного теплоснабжения тепловым насосом совместно с пиковым источником тепла бивалентного режима. Резервный нагреватель пикового котла участвует только в покрытии пиковой нагрузки. Такой режим используется для вновь проектируемых систем и гарантирует наилучшее соотношение между суммой капиталовложений и

 

эксплуатационными  расходами.  Бивалентная точка

 

tб ,  или  точка  равновесия  на

 

графике  Q =

 

f (tн ), определяется пересечением линии мощности теплового насоса и

 

зависимости суммарной тепловой нагрузки от температуры наружного воздуха.

Для условий г. Алматы в покрытии пиковой части тепловой нагрузки  жилого

0

 

дома    при     температуре    наружного    воздуха

 

tн  = -13,5 С

 

участвует    только

 

водогрейный котел. В отопительном сезоне для г. Алматы с продолжительностью 166 суток, промежуток времени, в течение которого в бивалентной схеме работает только водогрейный котел, составляет 31,5 сутки. Но при работе современных тепловых насосов, использующих двухступенчатый холодильный  цикл (технология LuoHighPower), можно осуществлять обогрев помещений и при температурах до – 25ºС [7].

В этом случае тепловые насосы могут работать в моновалентном режиме весь отопительный сезон, а водогрейные котлы могут выполнять лишь роль аварийного источника тепла. Итальянская компания Thermocold Costruzioni S.r.l занимается выпуском уникальных теплонасосов с двухступенчатым сжатием, способных нагревать горячую воду до +90 °С. Тепловые насосы Thermocold гарантирует круглогодичную работу практически на всей территории Казахстана. Тепловые насосы служат для обогрева помещений с помощью водяных теплых  полов, средне- и высокотемпературных радиаторов, а также фанкойлов.

Компактные серии тепловых насосов Thermocold «Воздух-Вода» и «Вода- Вода» небольшой мощности (от 7 до 52 кВт) Air Wall, Sirio и Mara и стандартные модели мощностью до 1 МВт способны эффективно работать до -20 °С с температурой воды на выходе до +65 °С.

Тепловые насосы, использующие двухступенчатый холодильный цикл (технология Duo High Power), мощностью от 6 до 400 кВт, способны эффективно работать до - 40 °С с температурой воды на выходе до +80 °С.

С учетом вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

  • Рассмотрены особенности применения тепловых насосов типа «вода- вода» в районной отопительной котельной в условиях климата г.Алматы.
  • Приведены результаты расчетов технического исследования перспектив совместной эксплуатации бивалентной схемы теплоснабжения: тепловой насос – пиковый котел, для теплоснабжения малоэтажных зданий в сопоставлении с альтернативными решениями.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

  • Абильдинова С.К. Теплонасосные технологии в режиме работы централизованных систем теплоснабжения // Вестник АУЭС. – Алматы, –

№ 4. – С. 11-14.

  • Мацко И.И. Разработка методики расчета энергетической эффективности комбинированных теплонасосных станций в системах теплоснабжения //

«Тепловые насосы». – 2011. – №3. – С. 52-57.

 

  • Фролов В.П., Щербаков С.Н., Фролов М.В., Шелгинский А.Я. Эффективность использования тепловых насосов в централизованных системах теплоснабжения // «Новости теплоснабжения». – 2004. – № 07 (47).
  • СНИП РК 4.02. – 04-2003 «Тепловые сети».
  • СН РК 4.01.-02-2011 «Внутрений водопровод и канализация зданий и сооружений».
  • Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. – Москва: МЭИ,
  • Источник: http://www.jac.ru,www.thermocold-russia.ru
Фамилия автора: С.К. Абильдинова, А.К. Яманбекова
Год: 2015
Город: Алматы
Получить доступ
Чтобы скачать её, вам необходимо зарегистрироваться.
Яндекс.Метрика