CC BY
31
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.today 2022, №5, Том 14 / 2022, No 5, Vol 14 https://esi.todav/issue-5-2022.html URL статьи: https://esi.todav/PDF/11SAVN522.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Кабанова, И. А. Исследование работы тепловых насосов в бивалентном режиме / И. А. Кабанова, Т. А. Колденкова, А. С. Овсянникова // Вестник евразийской науки. — 2022. — Т. 14. — № 5. — URL: https://esi.todav/PDF/11SAVN522.pdf
For citation:
Kabanova I.A., Koldenkova T.A., Ovsyannikova A.S. Investigation of the operation of heat pumps in bivalent mode. The Eurasian Scientific Journal, 14(5): 11SAVN522. Available at: https://esi.todav/PDF/11 SAVN522.pdf. (In Russ., abstract in Eng.).
Кабанова Ирина Александровна
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»
Филиал в г. Смоленск, Смоленск, Россия Доцент кафедры «Промышленная теплоэнергетика» Кандидат технических наук E-mail: ir.kabanowa@mail.ru
Колденкова Татьяна Александровна
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»
Филиал в г. Смоленск, Смоленск, Россия Магистр кафедры «Промышленная теплоэнергетика»
E-mail: tkoldenkova@mail.ru
Овсянникова Анна Сергеевна
ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»
Филиал в г. Смоленск, Смоленск, Россия Магистр кафедры «Промышленная теплоэнергетика» E-mail: annkovaleva52@mail.ru
Исследование работы тепловых насосов в бивалентном режиме
Аннотация. На современном этапе одним из актуальных вопросов в области энергетики является сокращение потребления органического топлива за счет более широкого использования возобновляемых и вторичных энергоресурсов на базе теплонасосных установок. Особое значение решение этого вопроса имеет для разработки децентрализованных систем отопления в районах, где с точки зрения экологических требований применение традиционных систем отопления не целесообразно.
При теплоснабжении здания индивидуальной застройки тепловым насосом, который в качестве низкопотенциального источника тепла использует наружный воздух, эффективность работы системы падает с понижением температуры воздуха.
Чтобы обеспечить объект индивидуальной застройки надёжным и бесперебойным теплоснабжением можно рассмотреть работу ТН в бивалентном режиме и любого резервного источника тепла (например, газового котла).
Климатические параметры регионов России весьма разнообразны. Для исследования целесообразности применения тепловых насосов с низкопотенциальным источником в виде воздуха авторами было выбрано три климатические зоны нашей страны с характерными для них температурными параметрами: III климатическая зона (г. Пермь), II климатическая зона
(г. Смоленск) и I климатическая зона (г. Симферополь). Для каждой из климатических зон были построены зависимости тепловой нагрузки здания от температуры наружного воздуха и рассмотрены продолжительности стояния температур за отопительный период.
Для исследования были выбраны популярные на рынке марки воздушных тепловых насосов: Dimplex и Viessman.
Основное внимание уделено рассмотрению бивалентного режима работы и оценке эффективности данной системы теплоснабжения при различных условиях. Представлен ряд исследований по определению параметров точки бивалентности системы в зависимости от теплотехнических и климатических факторов.
Были проанализированы факторы, влияющие на параметры точки бивалентности, а именно характерная температура различных климатических зон и температура подогрева теплоносителя в системе отопления.
Ключевые слова: тепловой насос; бивалентный режим работы; энергетическая эффективность; температура конденсации; коэффициент преобразования теплоты
Благодаря развитию технологий, уже сегодня существует возможность строить объекты с полным автономным обеспечением тепловой и электрической энергией, используя при этом установки на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ).
На практике, в системах автономного теплоснабжения жилых, административных и производственных объектов, наибольшую популярность получили тепловые насосы, являющиеся частью отопительных систем или систем кондиционирования зданий1.
При отоплении с помощью тепловых насосов расходуется гораздо меньше первичного топлива, чем при отоплении с помощью обычных теплогенерирующих установок, и в результате выделяется меньшее количество вредных веществ, которое негативно сказывается на экологической среде населенных пунктов. Кроме того, использование на их основе систем отопления позволит создать автономные центры вдали от центральных систем энергетики и отопления, что является обязательным условием на территории Российской Федерации, где главной проблемой является крайне неравномерное распределение энергии по всей территории страны [1; 2].
Чаще всего тепловые насосы применяют для решения задачи покрытия необходимой тепловой нагрузки здания. Однако для небольших объектов — типа коттеджей использование для этой цели, например грунтовых тепловых насосов, неприемлемо ввиду значительных капитальных затрат, обуславливающих весьма длительный срок окупаемости. Совсем другие перспективы открывают тепловые насосы, которые в качестве низкопотенциального источника тепла используют воздух, ввиду своей дешевизны, простоты монтажа и последующей эксплуатации [3; 4].
Однако главным вопросом остаётся то, насколько нижний предел наружной температуры низкотемпературного воздушного теплового насоса, заявленный производителем, является приемлемым для эксплуатации в условиях климата нашей страны и насколько он будет эффективен при покрытии тепловой нагрузки здания.
1 Трубаев П.А. Тепловые насосы: учеб. пособие / П.А. Трубаев, Б.М. Гришко. — Белгород: Изд-во БГТУ, 2010. — 143 с.
Страница 2 из 16
Введение
11SAVN522
С целью увеличения эффективности работы теплового насоса и поддержания энергетической безопасности, рекомендуют выбирать бивалентный режим работы. Этот режим предполагает работу теплового насоса совместно с другим нагревательным прибором. Выбор бивалентного режима работы бывает обусловлен необходимостью подачи более высокой температуры в систему отопления при низких наружных температурах воздуха. Если температура опускается ниже точки бивалентности, то тепловой насос может отключаться или же работать совместно с дополнительным источником тепла, но при этом покрывать только часть необходимой тепловой нагрузки [5; 6].
В связи с различными классификациями, приведенными в литературных источниках, стоит отметить, что в данном исследовании понятие "воздушный тепловой насос" подразумевает, в частности, тепловой насос, использующий тепло наружного воздуха в качестве низкопотенциального источника тепла.
Постановка задачи
Эффективность работы системы отопления на базе воздушного теплового насоса напрямую зависит от изменений температуры наружного воздуха. При понижении температуры производительность установки падает и система не способна покрывать необходимую тепловую нагрузку здания.
Целью работы является изучение особенностей, оценка эффективности работы бивалентных систем теплоснабжения с использованием тепловых насосов с учетом различных климатических условий.
В соответствии с целью поставлены и решены следующие задачи:
1. исследование эффективности работы бивалентной системы теплоснабжения в различных климатических условиях;
2. анализ работы теплового насоса в зависимости от температуры теплоносителя в системе отопления;
3. оценка ресурсосбережения при работе бивалентной системы отопления;
4. разработка рекомендаций по практическому применению воздушных тепловых насосов с бивалентным режимом работы.
Для достижения поставленной цели и вытекающих из нее задач использовались следующие методы:
• теоретический анализ методов исследования функционирования тепловых насосов;
• математическое моделирование;
• статистическая обработка экспериментальных данных.
Объектом исследования в данной работе является система теплоснабжения зданий индивидуальной застройки на базе теплового насоса с учетом бивалентного режима.
Методы
Районы с холодным климатом имеют существенные суточные и сезонные перепады температур и очень низкие значения в зимние месяцы. В связи с этим при эксплуатации ТН возникает ряд проблем. Прежде всего следует отметить, что основные характеристики ТНУ
существенно зависят от температуры окружающей среды [7]. При снижении уровня производительность ТНУ и коэффициент трансформации тепла достаточно быстро падают (рис. 1).
На рисунке 1 представлены характеристики ТН марки Ш 16ТЕ компании Dimplex с тепловой мощностью 16,1 кВт, при этом рассмотрены 2 варианта по уровню подогрева воды: 35 и 50°С.2
Рисунок 1. Зависимость коэффициента мощности теплового насоса от температуры наружного воздуха2
Другой важной характеристикой при рассмотрении вопроса о применении ТН является зависимость требуемой тепловой нагрузки при изменении температуры наружного воздуха, QT = ^нв) и соответствующий годовой расход тепла QT = ^т) (рис. 2).
Рисунок 2. Требуемая тепловая нагрузка условного объекта3
В соответствии с данными графиками определяется количество тепла, производимого тепловым насосом QТН и вспомогательным теплогенератором QВТ для теплоснабжения объекта, которое численно равно площади под кривой тепловой нагрузки Qт = ^т) .
2 Руководство по проектированию и монтажу. Тепловые насосы для отопления и горячего водоснабжения. / Б1шр1ех. 2006. — 230 а
3 Субботин В.И. Источники теплоснабжения и их режимы работы: Учеб. пособие. Изд. 2-е, доп. ГОУВПО "Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина". — Иваново, 2010. — 400 с.
11SAVN522
Распределение же нагрузки соответствующего оборудования напрямую зависит от температуры бивалентности4:
т,-
iTH
= J QTdr (1)
To
Lv
QB1= J QTdr (2)
Т,-
где т0, Т[, Тр — время начала отопительного сезона, время соответствующее температуре бивалентности и расчётной температуре наружного воздуха для отопительного сезона.
Для определения температуры наружного воздуха, ниже которой тепловой насос не обеспечивает тепловую нагрузку, т. е. определения точки бивалентности tб необходимо рассмотреть:
1. Кривую теплопроизводительности теплового насоса, которая задана производителем.
2. Зависимость тепловой нагрузки здания от температуры наружного воздуха, построение которой выполняется в зависимости от местоположения объекта и его климатических условий.
Точка пресечения этих двух линий и будет являться точкой бивалентности, которая охарактеризует процесс оптимально организованного теплоснабжения тепловым насосом совместно с дополнительным генератором тепла.
Расход теплоты на отопление в течение отопительного периода зависит от температур наружного воздуха и рассчитывается по формуле5:
^п-^н.в.р
где Qp — теплопроизводительность системы теплоснабжения при расчетной температуре наружного воздуха, кВт;
— температура в помещении, °С;
*:нв — температура наружного воздуха,
*:нвр — расчетная температура наружного воздуха в зимний период, °С.
При качественного регулирования системы отопления необходимо определить
гг,пр г „ гг,Обр
температуры «прямой» и «обратной» ^ воды в отопительной сети, значения которых зависят от требуемой тепловой нагрузки в соответствии с уравнениями6:
QT = QTPfE^, (3)
4 Сканави А.Н., Махов Л.М. Отопление: Учеб. для вузов. — М.: АСВ, 2008. — 576 с.
5 Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов / Е.Я. Соколов — 9-е изд., стереот. — М.: Издательство МЭИ, 2009. — 472 с.
6 Тепловые и конструктивные расчёты холодильных машин: Учеб. пособие для вузов по специальности «Холодильные и компрессорные машины и установки» / Е.М. Бамбушек, Н.Н. Бухарин, Е.Д. Герасимов и др.; Под общ. ред. И.А. Сакуна. — Л.: Машиносстроение. Ленингр. отд-ние, 1987. — 423 с.
Вестник Евразийской науки 2022, №5, Том 14 ISSN 2588-0101
The Eurasian Scientific Journal 2022, No 5, Vol 14 https://esi.today
g
С = Гвн+ДГ-ё°.8 + (?-- (4)
а
Сбр = 7Вн+ДГЧ?0-8-<?-- (5)
_пт/пт-гт — т )/(т — тр ,
•нар^/^вн Анар>
характеризующая отличие отопительной нагрузки при данной температуре наружного воздуха Тнар и отопительной нагрузки при расчётной температуре наружного воздуха Трар;
где Q = QVQp = (Твн - Тнар)/(Твн - ТНар) — относительная величина,
Гвн — температура воздуха в помещении, °С;
т-гПр . у,0(
'wp + 'wp
ДТ1* — П к(тпр -L- уобрЛ _ у . U' 'wp + 'wp J 'вн;
а = Тм/р — ^и°рр — разность температур прямой и обратной воды в системе отопления при расчётной температуре наружного воздуха.
Соответственно, при снижении температуры наружного воздуха должна повышаться температура теплоносителя в системе отопления. Благодаря качественному регулированию в традиционной системе отопления это может быть достигнуто за счет увеличения количества топлива, сжигаемого при неизменном потреблении теплоносителя. В системах отопления, традиционно принятых в жилищном и гражданском строительстве, используется теплоноситель с температурой 95°.
В настоящее время известно, что типичное значение температуры теплоносителя на выходе конденсатора теплового насоса составляет 50-55°. Исходя из этого, рекомендуется, чтобы максимальная проектная температура теплоносителя не превышала 50° .
Использование тепловых насосов предполагает работу системы отопления в низкотемпературном режиме, так как низкая температура теплоносителя в конденсаторе повышает коэффициент преобразования ТН и, следовательно, эффективность всей системы [8].
Из широкого спектра низкотемпературных систем отопления наибольший интерес к тепловым насосам представляют системы напольного отопления [9]. «Тёплый пол», в отличие от других типов отопительных панелей, позволяет достичь максимально комфортной для людей температуры в помещении, поэтому чаще всего используется для обогрева жилых помещений7.
Соответственно, в данной работе принято, что в здании функционирует низкотемпературная система отопления «тёплый пол».
Результаты исследования
В качестве исходных данных для исследования были выбраны объекты с одинаковой расчетной теплопроизводительностью системы в = 12,11 кВт при различных расчётных температурах наружного воздуха.
Расчетная температура воздуха в помещении в зимний период принимается равной ^ = 20°.
7 Уакес. Водяной тёплый пол: проектирование, монтаж, настройка. — Санкт-Петербург: Первый ИПХ, 2022. — 120 с.
Для исследования эффективности покрытия необходимой тепловой нагрузки в различных климатических зонах были рассмотрены следующие модели тепловых насосов:
• ТН Dimplex марки LI 16ХБ2;
• ТН Viessman марки Vitocal 100^А148.
При рассмотрении вопроса эффективности применения ТН в качестве источника низкопотенциального тепла принят воздух, а рабочим агентом установки — фреон R404a.
Были проведены расчёты по определению точки бивалентности для трёх различных климатических зон с характерной для них температурой наружного воздуха9. Расчётные параметры климатических зон приведены в таблице 1.
Таблица 1
Расчётные параметры климатических зон
№ п.п. Климатическая зона Расчётная температура наружного воздуха за отопительный период t °С Средняя температура наружного воздуха за отопительный период t °С •'н.в.ср.? ^ Продолжительность отопительного периода Z0т, сут.
1 г. Пермь (Зона III) -35 -5,5 225
2 г. Смоленск (Зона II) -23 -2,0 207
3 г. Симферополь (климатическая зона I) -13 2,6 154
Зависимость тепловой нагрузки здания от температуры наружного воздуха рассчитана по формуле (1). Сводные результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2
Расчёт расхода теплоты при различной температуре наружного воздуха
Температура наружного воздуха tH, °С9 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 8
Расход теплоты на отопление, кВт Зона III 12,11 11,01 9,91 8,81 7,71 6,60 5,50 4,40 3,30 2,64
Зона II — — 12,67 11,26 9,86 8,45 7,04 5,63 4,22 3,38
Зона I - - — — 12,84 11,01 9,17 7,34 5,50 4,40
Бивалентная система предполагает использование воздушного теплового насоса для покрытия основой отопительной нагрузки и газового котла, который обеспечит теплом систему при достижении точки бивалентности. Выполненные расчёты по приведенной методике позволили получить следующие результаты, которые представлены в таблице 3 и графически отражены на рисунках 3-5.
Таблица 3
Результаты исследования наступления точки бивалентности в зависимости от климатических условий
Температура точки бивалентности для климатической зоны Марка теплового насоса
Dimplex LI 16TE Viessman Vitocal 100-S.A14
Зона III (г. Пермь) -14,8 -10,8
Зона II (г. Смоленск) -10,7 -5,4
Зона I (г. Симферополь) -6,7 -1,8
8 Viessmann. Руководство по проектированию тепловых насосов. // Viessmann Werke, 2011. — 142 c.
9 СП 131.13330.2020 Строительная климатология: свод правил: утв. Приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ 24.12.2020 № 859/пр: срок введ. В д. 25.06.2021.
Рисунок 3. Определение точек бивалентности в г. Пермь (климатическая зона III) (составлено авторами)
Рисунок 4. Определение точек бивалентности в г. Смоленск (климатическая зона II) (составлено авторами)
Рисунок 5. Определение точек бивалентности в г. Симферополь (климатическая зона I) (составлено авторами)
Данное исследование позволило определить марку теплового насоса, обеспечивающего предпочтительное применение для условий бивалентного режима работы. Было отмечено, что при работе теплового насоса Б1шр1ех Ы 16ТЕ точка бивалентности наступает позже, чем при работе теплового насоса марки У1еБ8шап, причем для всех рассматриваемых регионов. Наибольшая разница в параметрах точки бивалентности при этом получена по II климатической зоне. В условиях более низких температур наружного воздуха различие по параметрам уменьшается.
В связи с чем для дальнейших исследований работы воздушных тепловых насосов был принят тепловой насос Б1шр1ех Ы 16ТЕ.
Более наглядно эффективность работы воздушного теплового насоса можно отобразить на продолжительности сезонной тепловой нагрузки.
Число часов стояния со среднесуточной температурой воздуха равной или ниже данной для трёх исследуемых климатических зон, приведены в таблице приведено в таблице 4.
Таблица 4
Продолжительность стояния температуры равной или ниже данной
Продолжительность стояния температуры, ч Температура воздуха, равная или ниже, °С
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 8
Климатическая зона III (г. Пермь) 3 12 70 218 500 1046 1838 2850 4080 5400
Климатическая зона II (г. Смоленск) — — 1 20 100 361 944 1832 3235 4968
Климатическая зона I (г. Симферополь) 20 94 310 850 3696
Сопоставляя график продолжительности тепловой нагрузки конкретной климатической зоны и характеристику теплового насоса Б1шр1ех Ы 16ТЕ, получаем точки бивалентности, отображенных на рисунке 6.
Рисунок 6. Бивалентный режим работы теплового насоса и резервного источника тепла в III и в I климатических зонах (составлено авторами)
Соответственно, при тепловой нагрузке объекта в 12,11 кВт в разных климатических зонах процент покрытия тепловой нагрузки при вспомогательном бивалентном режиме до наступления точки бивалентности будет составлять:
• III климатическая зона (г. Пермь) — 79,0 %;
• II климатическая зона (г. Смоленск) — 82,39 %;
• I климатическая зона (г. Симферополь) — 93,24 %.
Высокая эффективность работы воздушного теплового насоса достигается именно в южных регионах нашей страны. В условиях климатической зоны I, тепловой насос способен обеспечить практически полное покрытие тепловой нагрузки, что значительно снижает затраты на функционирование пикового подогревателя при низких температурах наружного воздуха. Однако использование теплового насоса в III и II климатических зонах также целесообразно рассматривать. Покрытие тепловой нагрузки в обеих зонах по результатам исследования составило около 80 %, это говорит о том, что большую часть отопительного периода воздушных тепловой насос также способен обеспечивать теплом выбранные для исследования здания индивидуальной застройки.
Также одной из основных задач исследования является выявление зависимости точки бивалентности от различных температурных графиков.
Рассмотрим характеристики теплового насоса Б1шр1ех Ы 16ТЕ, определяющие теплопроизводительность оборудования, с учетом нагрева воды в системе после конденсатора до температур ^ = 35; 50 °С .2 Объединив линию зависимости тепловой нагрузки от температуры наружного воздуха и выбранные линии теплопроизводительности теплового насоса, характеризующие разные температуры воды после конденсатора, получены характерные точки бивалентности, значения которых представлены в таблице 5.
Также результаты исследования отображены графически на рисунках 7-9.
Таблица 5
Зависимости точки бивалентности от температуры конденсации теплового насоса
Температура точки бивалентности для климатической зоны, °С Температура конденсации ТН Dimplex LI 16TE
W35 W50
Зона III (г. Пермь) -16,6 -14,8
Зона II (г. Смоленск) -12,0 -10,7
Зона I (г. Симферополь) -7,5 -6,7
20
18
• Тепловая мощность —ГН Dimplex LI 16 ТЕ W50 -Ч— ТН DimpLex LI 16 ТЕ W35
2
0 L-l
-35
' I ' ' ' ' I ' ' ' ' I ' ' I'' ' ' ' I '
-30 -25 -20 -15 -10
-20 -15 -10 -5 0
■ ' I ■ ■ ■ ' I ■ ■ ' ■ I 0 5 10
Температура наружного воздуха, °С
Рисунок 7. Зависимость точки бивалентности от температуры конденсации (климатическая зона III — низкоуровневый ТН Ы16ТЕ) (составлено авторами)
11SAVN522
Рисунок 8. Зависимость точки бивалентности от температуры конденсации (климатическая зона II — низкоуровневый ТН Dimplex LI 16TE) (составлено авторами)
Рисунок 9. Зависимость точки бивалентности от температуры конденсации (климатическая зона I — низкоуровневый ТН Dimplex LI 16TE) (составлено авторами)
Исследование показало, что температура воды, поступающей в систему отопления, напрямую влияет на точку бивалентости. При более низкой температуре конденсации точка бивалентности наступает позже.
Полученная температурная разница при использовании различных температур конденсации теплового насоса Dimplex LI 16TE для разных климатических показала, что для регионов с низкими температурами воздуха (зона III) эта величина имеет максимальное значение 1,8 °С, в то время как для регионов с мягким теплым климатом (зона I) значение значительно меньше 0,8°.
Поэтому при выборе температуры теплоносителя в системе в южных регионах необходим более полный анализ, а также сравнение энергетических характеристик (например, потребление электрической мощности при функционировании теплового насоса при различной температуре подогрева в конденсаторе).
Вестник Евразийской науки 2022, №5, Том 14 ISSN 2588-0101
The Eurasian Scientific Journal 2022, No 5, Vol 14 https://esi.today
Для более холодных регионов нашей страны разница при использовании разных климатических графиков более ощутима и предполагает, при возможности, снижение температуры теплоносителя в системе до 35°.
Это позволяет расширять диапазон работы теплового насоса для любой из климатических зон, при этом сокращая затраты на резервный источник теплоснабжения.
Оценка экономической эффективности применения ТН в бивалентном режиме работы выполнена по значениям показателя расхода условного топлива.
При этом рассматривались два разных режима работы тепловых насосов и котловых установок, включая отдельную работу каждого из них (моновалентный режим) и их совместную работу (бивалентный режим), то есть комбинированные системы отопления:
• система теплового насоса и газового котла;
• система теплового насоса и электрического котла.
В исследовании были рассмотрены варианты использования систем отопления при характерных температурах климатической зоны II с тепловой мощностью Qt = 10 кВт и временем отопительного сезона h = 5016 ч/год. Прямая сетевая вода в подающем трубопроводе в зависимости от температуры наружного воздуха соответствует графику 45/35°.
Методика по определению энергетических характеристик и удельных расходов топлива была рассмотрена в работе авторов [10].
В таблице 6 приведены результаты расчётов для работы установок в раздельном режиме при различных температурах наружного воздуха.
Таблица 6
Расход условного топлива при различной температуре стояния наружного воздуха
Температура наружного воздуха, °С -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 8
расход условного топлива В, кг у.т. тепловой насос 1,02 5,83 29,06 86,42 161,22 237,46 279,56 353,19
газовый котёл 0,95 9,80 42,48 126,33 271,16 434,11 613,28 774,80
электрический котёл 1,87 19,38 83,98 249,72 536,01 858,13 1212,30 1531,59
Расчёт показывает, что при раздельном режиме работы наибольшее потребление условного топлива наблюдается у электрокотла. Однако с понижением температуры, расход уменьшается для всех видов оборудования, так как число часов стояния температуры уменьшается.
Распределение тепловой нагрузки между ТН и КУ в бивалентном режиме совместной работы теплонасосной и котельной установок осуществляется по температурам подогрева сетевой воды в каждом из элементов комбинированной системы отопления. Было выделено четыре температурные градации и для каждой из них рассчитан расход условного топлива. В таблице 7 были представлены расходы условного топлива комбинированной системы теплоснабжения в бивалентном режиме для температур стояния наружного воздуха 1:н.в. = -10; -15; -20; -25
Как показывают исследования, до температуры наружного воздуха £н.в. = -10 ° , тепловой насос способен полностью покрывать необходимую тепловую нагрузку объекта.
Таблица 7
Расход условного топлива в бивалентном режиме работы
Температура наружного воздуха, °С -10 -15 -20 -25
Расход условного топлива В, кг у.т. Тепловой насос + газовый котёл 112,57 53,19 19,91 5,10
Тепловой насос + электрический котёл 142,00 84,03 34,84 9,36
Тепловой насос в бивалентном режиме 82,44 21,60 4,61 0,74
Газовый котёл в бивалентном режиме 30,13 31,59 15,30 4,36
Электрический котёл в бивалентном режиме 59,56 62,43 30,23 8,62
При работе системы в бивалентном режиме работы расход условного топлива для каждой установки значительно снижается. Как и в первом случае, с понижением температуры наружного воздуха уменьшается количество часов стояния среднесуточной температуры воздуха, равной и ниже данной, в связи с чем уменьшается расход топлива на котельную установку.
Полученные результаты графически отображены на рис.10 и свидетельствуют об экономичности данного режима по сравнению с традиционным котельным режимом теплоснабжения.
■25 -20 -15 -10
Температура наружного воздуха tH,°C
Рисунок 10. Расходы условного топлива в бивалентной системе отопления при различных температурах наружного воздуха (составлено авторами)
Так как расход топлива в системе «тепловой насос — электрокотёл» даже в бивалентном режиме работы значительно превышает расход в системе «тепловой насос — газовый котёл», то в данных условиях, целесообразнее будет рассмотреть именно вторую систему.
Исследование показало, что при работе в бивалентном режиме тепловой насос потребляет на 50 — 16 % меньше условного топлива (диапазон зависит от температуры низкопотенциального источника теплоты — наружного воздуха).
При работе в бивалентном режиме газовый котёл потребляет на 75 — 60 % меньше условного органического топлива, чем при раздельном режиме работы.
Выводы
Основные требования, предъявляемые к качественному процессу теплоснабжения это — надёжность, экологичность, безопасность и экономичность.
Из-за прямой зависимости производительности тепловых насосов от температуры наружного воздуха, речь о качественном и надежном покрытии тепловой нагрузки может идти только тогда, когда в системе функционирует резервный источник теплоты, то есть применяется бивалентная схема теплоснабжения.
Применение парокомпрессионной теплонасосной техники совместно с котельной установкой в зонах децентрализованного теплоснабжения позволяют существенно снизить потребление органического топлива при различных режимах работы элементов системы (раздельный, бивалентный) по сравнению с автономными традиционными отопительными котельными системами и повысить экологическую эффективность системы теплоснабжения.
Полученные результаты показывают целесообразность ресурсосберегающего бивалентного режима работы комбинированной системы теплоснабжения и возможность практического применения.
Наличие двух независимых теплоисточников повышает надежность теплоснабжения потребителей
В качестве рекомендаций для зданий индивидуальной застройки можно отметить:
• для снижения энергопотребления и возможности эффективного применения тепловых насосов в качестве систем отопления следует рекомендовать систему «тёплый пол»;
• использование пониженной температуры «тёплого пола» позволит расширить диапазон работы теплового насоса;
• более предпочтительными для использования воздушных тепловых насосов являются южные регионы с покрытием тепловой нагрузки более 90 %;
• наличие двух независимых теплоисточников повышает надежность теплоснабжения потребителей.
В данной работе была исследована только теплотехническая составляющая, для более полного анализа необходимо рассмотрение технико-экономической составляющей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алхасов А.Б. Возобновляемые источники энергии / А.Б. Алсахов. — М.: Издательский дом МЭИ, 2016. — 271 с.
2. Гершкович В.Ф. От централизованного теплоснабжения — к тепловым насосам / В.Ф. Гершкович // Энергосбережение. — 2010. — № 3. — С. 24-28.
3. Горнов В.Ф. Теплонасосные системы для коттеджей / В.Ф. Горнов. // Энергосбережение. — 2019. — № 1 — С. 30-36.
4. Везиришвили О.Ш. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения / О.Ш. Везиришвили, Н.В. Меладзе. — М.: Изд-во МЭИ, 1994. — 160 с.
5. Амерханов Р.А. Тепловые насосы / Р.А. Амерханов. — М.: Энергоатомиздат, 2005. — 160 с.
6. Воздушные тепловые насосы / Сборник статей — Издательский Центр «Аква-Терм», 2012. — 110 с.
7.
8.
9.
10.
Филиппов С.П., Дильман М.Д., Ионов М.С. Перспективы применения тепловых насосов в России // Энергосовет. 2011. № 5. С. 42-45.
Колденкова Т.А., Кабанова И.А. Оценка эффективности применения системы отопления с низкотемпературным режимом работы // Сборник трудов ХУП-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика экономика — 2020» Смоленск: «Универсум», 2020. С. 159-162.
Мачкаши А., Банхиди Л. Лучистое отопление / Пер. с венг. В.М. Беляева; Под ред. В.Н. Богословского и Л.М. Махова. — М: Стройиздат, 1985. — 464 с.
Колденкова Т.А., Овсянникова А.С., Кабанова И.А. Ресурсосбережение при работе бивалетной системы отопления // Актуальные вопросы энергетики, Т. 4.
№ 1. — 2022. — С. 25-31.
Kabanova Irina Aleksandrovna
Moscow Power Engineering Institute (National Research University)
Smolensk branch, Smolensk, Russia E-mail: ir.kabanowa@mail.ru
Koldenkova Tatiana Alexandrovna
Moscow Power Engineering Institute (National Research University)
Smolensk branch, Smolensk, Russia E-mail: tkoldenkova@mail.ru
Ovsyannikova Anna Sergeevna
Moscow Power Engineering Institute (National Research University)
Smolensk branch, Smolensk, Russia E-mail: annkovaleva52@mail.ru
Investigation of the operation of heat pumps in bivalent mode
Abstract. At the present stage, one of the urgent issues in the field of energy is to reduce the consumption of organic fuel due to the wider use of renewable and secondary energy resources based on heat pump installations. The solution of this issue is of particular importance for the development of decentralized heating systems in areas where, from the point of view of environmental requirements, the use of traditional heating systems is not advisable.
When individual buildings are supplied with heat by a heat pump, which uses outdoor air as a low-potential heat source, the efficiency of the system decreases with a decrease in air temperature.
In order to provide the object of individual development with reliable and uninterrupted heat supply, it is possible to consider the operation of TN in bivalent mode and any backup heat source (for example, a gas boiler).
The climatic parameters of the regions of Russia are very diverse. To study the feasibility of using heat pumps with a low-potential source in the form of air, the authors selected three climatic zones of our country with their characteristic temperature parameters: III climatic zone (Perm), II climatic zone (Smolensk) and I climatic zone (Simferopol). For each of the climatic zones, the dependences of the thermal load of the building on the outdoor temperature were constructed and the duration of the temperature during the heating period was considered.
Popular brands of air heat pumps on the market were selected for the study: Dimplex and Viessman.
The main attention is paid to the consideration of the bivalent mode of operation and the evaluation of the efficiency of this heat supply system under various conditions. A number of studies are presented to determine the parameters of the bivalence point of the system depending on thermal and climatic factors.
The factors influencing the parameters of the bivalence point were analyzed, namely, the characteristic temperature of various climatic zones and the temperature of heating the coolant in the heating system.
Keywords: heat pump; bivalent mode of operation; energy efficiency; condensation temperature; heat conversion coefficient
