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 0и     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:

   

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.

 Суммарные годовые тепловые нагрузки жилого здания

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).

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

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]:

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

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

  Распределение тепловой нагрузки при использовании бивалентной схемы

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  Qf (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 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 

  1. Абильдинова С.К. Теплонасосные технологии в режиме работы централизованных систем теплоснабжения // Вестник АУЭС. – Алматы, –№ 4. – С. 11-14.
  2. Мацко И.И. Разработка методики расчета энергетической эффективности комбинированных теплонасосных станций в системах теплоснабжения //«Тепловые насосы». – 2011. – №3. – С. 52-57.
  3. 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).
  4. СНИП РК 4.02. – 04-2003 «Тепловые сети».
  5. СН РК 4.01.-02-2011 «Внутрений водопровод и канализация зданий и сооружений».
  6. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. – Москва: МЭИ,
  7. Источник: http://www.jac.ru,www.thermocold-russia.ru
Год: 2015
Город: Алматы