CC BY
242
УДК662.99
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ТЕПЛОВОГО НАСОСА
С.К. Лунева1, А.Г. Лепеш2
Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, Санкт-Петербург, ул.Садовая, 21
Исследованы параметры процесса функционирования теплового насоса AVH-12V1D для утилизации теплоты помещения для теплоснабжения вспомогательного помещения.
Ключевые слова: теплоснабжение; тепловые насосы; хладагент; энергоэффективность; энергосбережение; низкопотенциальная теплота.
RESEARCH OF EFFICIENCY OF FUNCTIONING OF THE HEAT PUMP
S. K. Luneva, A.G. Lepesh
Saint-Petersburg State University of Economics (SPbGEU), 191023, St.Petersburg, street Sadovaya, 21 The parameters of the functioning of the heat pump AVH-12V1D for heat recovery facilities for heating auxiliary facilities.
Keywords: heating; heat pumps; refrigerant; energy efficiency; energy conservation; low-grade
heat.
Одними из актуальных проблем мировой экономики, а также экономики современной России являются вопросы рационального обращения с энергоресурсами. В условиях нарастающих ресурсных ограничений задачи оптимизации производства и использования всех видов энергетических ресурсов становятся превалирующими и способствующими повышению экономической эффективности производства. В России, продвижение новых энергоэффективных технологий в строительстве, энергетике и других отраслях промышленности происходит медленными темпами, а также отсутствие практического опыта экономически оправданных проектов не способствует активизации процесса внедрения в массовое применение. Основной проблемой новых и современных проектных решений является то, что при проектировании и разработке концепции жилых, общественных и производственных зданий, решении вопросов архитектурно-строительного и инженерно-технических направлений не уделяется достаточного внимания вопросам энергоэффективности и энергосбере-жения[1, с. 3]. Существует необходимость на
этапе проработки проектов решать вопросы экономного расходования энергоресурсов, а также и возможности использования вторичных энергоресурсов. Значительную экономию природных топливно - энергетических ресурсов можно получить при рациональном использовании источников низкопотенциальной теплоты, которая сбрасывается в окружающую среду от различных технологических систем и установок, а также от объектов различной инфраструктуры. Использование тепловых отходов промышленных предприятий и низкопотенциальной природной энергии в теплонасос-ных станциях примерно 375 ^ 420 млн. ГДж\год может уменьшить расход органического топлива в количестве 15 ^ 17 млн. т у.т. в год [2].
Тепловые насосы, как технология повышения энергоэффективности и
энергоресуросбережения, позволяющая частично вытеснить органическое топливо и обеспечить теплоснабжение с минимальными затратами первичной энергии находится в центре внимания многих исследований.
1 Лунева Светлана Курусовна - аспирант кафедры МОБиЖКН СПбГЭУ, тел.:+7 (911) 915 16 70, isvetlana 1508 @mail. ru;
2Лепеш Алексей Григорьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения СПбГЭУ, тел.: +7 (904) 510 52 27, e-mail: alepesh@yandex.ru
Эффективность применения тепловых насосов подтверждена опытом эксплуатации во многих странах Евросоюза, Японии, Америки. Несмотря на преимущества, технология тепловых насосов рассматривается больше как энергосберегающее мероприятие. Термодинамические и технологические преимуществам и свойства тепловых насосов не оценены еще по достоинству, поэтому необходимы исследования по повышению эффективности их функционирования, изучению оптимальных режимов работы, которые позволят активно внедрять их в работающие и проектируемые системы теплоснабжения.
Применение тепловых насосов в России расширяется, и будет расширяться, для этого существует огромный потенциал, поэтому научные исследования в этой области перспективны: необходимы разработки новых схем утилизации теплоты, нахождение оптимальных параметров процессов утилизации для определенных условий, более эффективного теплооб-менного оборудования и т.д.
Можно выделить следующие перспективы применения тепловых насосов:
1. Возможность использования для систем теплоснабжения источников и потоков низкопотенциальной тепловой энергии, что увеличивает ресурсную базу теплоснабжения, задейст-вуя при этом новые связи, что приводит к меньшей зависимости системы от традиционных источников топливных ресурсов.
2. Утилизация низкопотенциальной теплоты в промышленности и на производстве может способствовать повышению эффективности использования всех источников энергии на предприятиях, что способствует снижению себестоимости выпускаемой продукции и оказываемых услуг, а также повышению рентабельности производства.
3. Применение тепловых насосов с электроприводом переводит системы теплоснабжения на более качественный уровень, который присущий электроснабжающим системам. При этом упрощается система регулирования подачи теплоты потребителям, от несовершенства которой в настоящее время теряется до 20% потребляемой теплоты. Существенный дополнительный эффект может быть получен от тепловых насосов, работающих с аккумуляторами теплоты и потребляющих электроэнергию в период ночного снижения суточного графика электрической нагрузки в энергосистеме. Достаточно эффективно тепловые насосы могут использоваться непосредственно в действующих теплофикационных системах с теплоэлектроцентралями. Здесь они могут применяться
для снижения температуры обратной сетевой воды, а также в системах оборотного водоснабжения для улучшения работы градирен.
Преимуществом технологии тепловых насосов состоит также и в том, что они могут применяться в совокупности с другими нетрадиционными источниками, такими, как солнечные водонагреватели, биоэнергетические установки, установки по переработке и сжиганию твердых бытовых отходовАктуальными являются исследования реальных режимов тепловых насосов, позволяющие изучить показатели термодинамических режимов с учетом комплекса воздействующих факторов, влияющих на работу и выбрать наиболее рациональные режимы функционирования.
Целью данного исследования является изучение параметров функционирования теплового насоса для утилизации теплоты из помещения с избытком тепла и передачи его в другое помещение на нужды отопления.
В качестве экспериментальной установки выбран тепловой насос ЛУИ-12У1Б (рис.1), в котором используется хладагент И-410.
Рисунок 1 - Основные агрегаты теплового насоса ЛУИ-12У1Б
Хладагент И-410 представляет собой азеотропную смесь гидрофторуглеродов И - 32 и И - 125 при равных массовых долях компонентов (50% и 50 %). В настоящее время это наиболее часто применяемый хладагент для компрессионных холодильных агрегатов. Основным недостатком смеси является небольшое температурное изменение при фазовом переходе компонентов, но это значение у И-410 незначительно и составляет 0,15 К, что им можно пренебречь и считать смесь азеотропной, т.е. имеющей одну температуру кипения и конденсации. Хладагент И-410 считается заменой И -22, но уже нового поколения, с улучшенными теплофизическими характеристиками (табл.1). Оборудование и установки, использующие хладагент И-410 имеют меньшие габаритные размеры, но в этом случае повышаются требования к герметичности и прочности трубопрово-
дов, т.к. рабочее давление в установках выше. Высокая удельная хладопроизводительность позволяет использовать в тепловых насосах компрессор меньшей мощности, а также позволяет проводить дозаправку контура при утечке (без необходимости полной замены хладагента), что выгодно отличает его от большинства смесевых хладагентов.
Таблица 1 - Характеристики хладагента Я-410
Химическое наименование Смесь хладонов Я-32 (дифторметана, 50%) и Я-125 (пентафторэтана, 50%)
Молекулярная формула
Средняя молекулярная масса 72,6
Температура кипения при 1,013 бар -51.5 С
Критическая температура 720С
Критическое давление 49,7 атм._|
Теплота парообразования при температуре кипения 264,3 кДж/к К
Температурный дрейф 0,15 С
Пределы воспламенения на Не воспламеняется
воздухе
Потенциал разрушения озона (ОБР) 0
Потенциал глобального потепления (GWP) 1890
Группа безопасности по классификации ЛБНЯЛЕ А1
В ходе исследования работы теплового насоса ЛУЫ-12У1Б были проведены эксперименты по изучению параметров процессов теплопередачи при использовании теплового насоса в качестве оборудования для отопления по-
1
мещения. На рис.2 представлена схема теплового насоса.
Нагретый в помещении воздух, который является источником низкопотенциальной теплоты, вентилятором подается во внешний блок к контуру хладагента, в котором отдает теплоту. Нагретый хладагент сжимается в компрессоре, при этом повышается его давление и температура, поступает в теплообменный аппарат внутреннего блока. Теплоноситель - нагретая вода поступает в систему отопления помещения. В ходе проведения эксперимента проведены измерения температуры теплоносителя на входе в систему отопления, а также скорости потока воздуха, продуваемого через теплообменник. Для измерения скорости потока воздуха применялся цифровой анемометр (рис.3,а) .Для измерения температуры отопительного прибора применялся тепловизор (рис.3,б). Измерения проводились в зависимости от времени в момент включения и выключения установки, на схеме (рис.2) обозначено точкой 1, температура воздуха и скорость движения воздуха перед вентилятором измерялись в точке 2, также были проведены измерения температуры воздуха и скорости движения воздуха на выходе из внешнего блока.
Измерение температуры получено в виде полей, характеризующих излучение теплового потока с поверхности отопительного прибора (рис.4). Истинные значения температуры поверхности определялись экспериментальной настройкой коэффициентов излучения. Полученные значения наибольшей температуры по-серхности теплового прибора в моменты включения и выключении установки после ее запуска в автоматическом цикле приведены в таблице 2.
Внепшнн блок Рисунок 2 - Схема теплового насоса
Из измеренных значений следует, что в момент включения теплового насоса температура отопительного прибора (рис.4, а) соответствовала температуре воздуха помещения и составляла 24,6°С. Выключение теплового насоса в автоматическом режиме произошло через 7 мин при температуре теплоносителя 49,2°С. Последующее включение в автоматическом режиме произошло еще через 7, 27 мин после остывания отопитеоьного прибора до температуры 44,8°С. Далее в процессе работы насоса включение и выключение происходит таким образом, что температура отопительного прибора колеблется между значениями 45 ^ 55 °С.
Процесс изменения температуры при выходе теплового насоса на режим иллюстрирован полученным в эксперименте графиком, характеризующим зависимость температуры теплоносителя в системе отопления от времени (рис.5). Полученные данные характеризуют работу теплового насоса в реальных условиях и
могут быть основанием для определения оптимальных условий его применения.
Рисунок 3 - Средства измерения параметров эксперимента: а - анемометр; б - тепловизор
Таблица 2 -Результаты Экспериментальных измерений
Время, мин Температура, 0С Температура Температура на Скорость Скорость
на входе в вентилятор, 0С выходе из вентилятора, 0С воздуха, м/с воздуха, м/с
1 0 24,6 27,2 25,4 6,1 2,4
2 7 49,2
3 14,27 44,8 27,3 26,3 6,3 1,5
4 16,56 48
5 24,21 44,9 26,5 27 6,1 2,2
6 26,43 53,5
7 34,17 41,3 25,2 27,2 5,5 2,3
8 36,39 49,1
Так, например, для данных условий применения, очевидно, что по мере выхода на режим, время включения и выключения насоса стабилизируется и отношение времени работы ко времени «простоя» составляет 0,1, т.е. - тепловой насос работает на 10% от своей полной загрузки и может быть применен в более «жестких» условиях.
Для определения эффективности использования теплового насоса применим коэффициент трансформации СОР. В начале эксперимента коэффициент трансформации имеет максимальное значение 7,33 (рис. 6), что связанно с большим температурным напором и более низкой температурой. В процессе выхода насоса на режим коэффициент трансформации достигает среднего диапазона значений от 3,94 до 4,60.
Количество низкопотенциальной теплоты Q, утилизируемой тепловым насосом за од-
но включение из исследуемого помещения определим по формуле:
Q = M Св(12-11), где: М и Св - масса и темплоемкость воздуха воздуха в помещении; ¿1 и ¿2 - начальная и конечная температуры воздуха, соответственно.
Результаты расчетов сведены в табл.4 и иллюстрированы графиком на рис.7.
Из графика следует, что в момент начала работы теплового насоса происходит постепенное увеличение количества теплоты за счет большого температурного напора. По мере выхода теплового насоса в режим отопления количество теплоты примерно стабилизируется в границах 3200 - 3800 кДж заодин цикл,. Спад на графике (рис.7) характеризует интенсивность теплоотвода в окружающую среду через ограждения помещения.
ндЫэ! ¿о» од
Шкала ^ "С
48. Э
Й Авто
45
- 40
33.3
I
35
Граничные значения Изотерь
б)
Рисунок 4 - Измеренная тепловизором температура поверхности отопительного прибора: а - в исходном состоянии (тепловой насос выключен); б - при работе теплового насоса в режиме утилизации тепла.
20
Время, мин
0,86051
15
Врем25, мин
Рисунок 5 - Зависимость температуры отопительного прибора от времени при выходе теплового насоса на режим
Рисунок 6 - Изменение коэффициента трансформации
Полученное количество тепловой энергии можно использовать для отопления
5
5
помещения тепловым насосом площадью 20 м2 и поддержания температуры в пределах 18 ^ 20
°С.
Таблица 3 - Количество утилизируемой теплоты в циклах работы теплового насоса
Температура, ¿2, °С СОР Температура, ¿1, °С й,кДж
1 24,6 7,3 24,6 0
2 49,2 4,3 25 3373,3
3 48 4,3 25,6 3122,4
4 53,5 4,3 26,2 3805,4
5 49,1 26,5 3150,3
Предварительные расчеты показывают, что эффективность применениыя теплового насоса будет возрастать в значительной степени [10] если темература утидлизируемого воздуха будет выше. Например, такие существенные избытки теплоты, приводящие к росту температуры до +50°С и выше наблюдаются в помещениях котельных и других генерирующих энергию предприятий. Здесь применение теплового насоса будет цнаиболее целесообразным.
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
30 40 время, мин
Рисунок 7 - Диаграмма интенсивности нагрева помещения помещения
Выводы
1. Проведены измерения рабочих характеристик теплового насоса в условиях утилизации теплоты от перетопа помещения.
2. В результате эксперимента определены коэффициенты трансформации теплоты и их изменение в процессе выхода насоса на режим.
3. Полученны данные, подтверждающие эффективность применения данного насоса для целей утилизации теплоты от перетопа помещения для целей обогрева неотапливаемых помещений.
4. На основании экспериментальных данных предложено применение теплового насоса для утилизации теплоты в помещениях энергопроизводящих предприятий, где традиционно наблюдается перетоп из-за недостаточной термоизоляции ограждающих конструкций энергетических установок.
5. Полученные данные могут положены в основу методики расчета теплового баланса помещений с отопительным оборудованием и технологиями, основанными на применении тепловых насосов.
Литература
1.Прогноз долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2030 года, 8 февраля 2013 ГАРАНТ .РУ: http://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/
2. . Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: Федеральный закон Российской Федерации от 23.11.2009 N 261-ФЗ (ред. от 02.07.2013)// Сборник Федеральных конституционных законов и федеральных законов. - М ., 2009. - Вып.12
3. Богданов А. Б. Применение тепловых насосов в «большой» энергетике. Материалы X Всероссийской научно-практической конференции «Эффективность систем жизнеобеспечения города». Красноярск, 25-26 ноября 2009
4. Васильев Г.П., Шилкин Н.В. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в тепло-насосных системах.// АВОК.- 2003.-№2.с.15-21
5. Куртова Н.А. Энергосберегающие инженерные системы в жилищном строительстве. Журнал «Оборудование Разработки Технологии». 2011, № 4-6. - С. 23-27.
6. Лунева, С. К. Решение вопросов энергосбережения и энергоэффективности при применении тепловых насосов // Технико-технологические проблемы сервиса .2014.-№3(29)
7. Лунева, С. К., Чистович, А. С , Эмиров И. Х. К вопросу об использовании тепловых насосов // Технико-технологические проблемы сервиса .2013.-№4(26)
8.Николаев Ю. Е., Бакшеев А. Ю. Определение эффективности тепловых насосов, использующих теплоту обратной сетевой воды ТЭЦ. Промышленная энергетика. 2007, № 9. - С. 14-17.
9. Тепловые насосы, их назначение и основные типы. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://msd.com.ua/misc/teplovye-nasosy-4/
10. Энергосбережение в системах жизнеобеспечени-язданий и сооружений/ Г.В.Лепеш. - СПб.: Изд-во СПбГЭУ,2014.-437с
