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
|
источника
t = 25 0C . Коэффициент преобразования тепла тепловым насосом при
|
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
|
теплотехническому расчету потерь тепла через наружные ограждения, здания,
|
|
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
|
Годовая тепловая нагрузка системы отопления жилого здания:
|
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:
|
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
|
сутки;
a = 200 л / сут
– для жилого здания [5];
m – количество людей, проживающих в одном из типовых домов района
теплоснабжения,
m = 80
человек;
|
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.
|
Для отопительного периода средненедельный расход теплоты:
|
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)
|
где b – коэффициент, учитывающий изменение расхода на ГВС,
b = 8400часов / год .
Для года средненедельный расход теплоты:
|
Q ср .н × Z Q ср .н = r 1
+ Q ср .н × (350 - Z
|
r 2
350
Ht ) =
46 ,5 ×166 + 31,04 × (350 - 166 )
350
= 33 ,37
кВт .(6)
Годовой расход теплоты на ГВС:
|
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,
|
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]:
|
i
0 р
tнi = tвр + '
Q0
(tвр + tн ) , (8)
|
|
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
t = 750 C
- в подающей линии и
t = 400 C
- после
|
|
|
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