Оценка эффективности использования реверсивных чиллеров Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Оценка эффективности использования реверсивных чиллеров

Н.Н. Руденко, Т.А. Ляшенко

Академия Строительства и Архитектуры Донской Государственный Технический Университет

Аннотация: В статье рассмотрены зависимости теплопотребностей здания от температур наружного воздуха и представлены результаты математического моделирования в виде универсальной зависимости. Получены данные процентного соотношения выработки теплоты чиллерами и представлена идеология построения графиков выработки и потребления теплоты. Произведены вычисления и численный анализ количества тепла приходящегося на дополнительный источник тепла.

Ключевые слова: стояние температур, климатические параметры, тепловая нагрузка, математическая модель, оценка эффективности, чиллер, тепловой насос.

Города России меняют свой облик. В местах малоэтажных застроек появляются новые общественные здания повышенной этажности, в связи с этим потребность в тепловой энергии значительно возрастает. Возникают проблемы с подключением к тепловым сетям. В месте строительства мощности тепловых сетей оказываются недостаточными, а в некоторых случаях они вообще отсутствуют.

Одним из вариантов выхода из создавшейся ситуации может быть использование тепловых насосов [1-3]. Установка серийных тепловых насосов вырабатывающих только тепловую энергию приводит к значительному удорожанию инженерных систем. Однако есть возможность значительно сократить первичные вложения за счёт использования систем кондиционирования для обогрева помещений.

В большинстве общественных зданий (торговые, офисные центры) в качестве источника холода используются чиллеры. Одной из модификаций этого оборудования является реверсивный чиллер (чиллер с тепловым насосом)[4]. Такой тип чиллера может вырабатывать не только холод, но и тепловую энергию, причем увеличение стоимости реверсивного чиллера по

сравнению с чиллером, работающим только на выработку холода незначительна[5,6].

В настоящее время отсутствуют чётко прописанные методики оценки эффективности использования тепловых насосов в различных регионах России.

Для разработки методики оценки эффективности реверсивных чиллеров необходимо решить, по крайней мере, три задачи:

- моделирование тепловой нагрузки за отопительный период года для различных регионов России;

- моделирование динамики выработки тепловой энергии;

-определение диапазона использования чиллера и уточнение

необходимой резервной мощности.

Для наглядности были выбраны города из разных климатических зон (южной и северной), эти города имеют разное время стояния температур и различные расчетные температуры наружного воздуха.

Для построения графиков стояния температур наружного воздуха используются значения средней продолжительности температур воздуха различных градаций представленные в приложение к СНиП 2.01.01 -82 «Строительная климатология и геофизика».

Таблица №1

Расчетные температуры наружного воздуха для зимнего периода

Город Ростов-на-Дону Москва Воронеж Махачкала Грозный

1 2 3 4 5 6

> зима Т-нар , С -19 -25 -24 -13 -17

- Расчетная температура наружного воздуха зимой, °С

Зная тот факт, что график потребления теплоты не всегда совпадает с графиком выработки, возникает необходимость в моделировании тепловой нагрузки на системы отопления [7,8].

Наибольший интерес представляет использование реверсивных зданий (общественные здания) с удельной теплоемкостью 0,417, Вт/м3 С из «СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003».

Используя полученные значения, были построены графики изменения тепловой нагрузки для различных климатических условий рис.1.

q потреб, Вт/ м3 Т,°С

20 18 16 14 12 > V -25 -20 "15 Ростов-на-Дону "10 -Москва

10 8 6 4 \ 1 1 5 £ 5 =5 а ш т а! 5 •5 Ч * * 5 Воронеж 0 Махачкала 5 Грозный 10

Часы

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Рис.1. - Графики удельных теплопотребностей для городов Ростов-на-

Дону, Москва, Воронеж, Махачкала, Грозный. Представленные графики можно аппроксимировать зависимостью

-Уг;-^: = (2)

где х -время, час; а и ^определенные числа, значения которых зависят от климатических условий и меняются в зависимости от рассматриваемого региона.

Характеристики чиллеров зависят от наружной температуры воздуха и изменяются прямо пропорционально изменению температуры[9,10]. Произведя анализ каталогов различных производителей можно сделать вывод, что для всех чиллеров характерно одно и то же процентное соотношение выработки тепла.

Таблица № 2

Процентное соотношение вырабатываемой теплоты

Температуры -11 -5 -3 0 +5 +8

% 49 61 66 76,9 89 100

% 1 тп

100

80

%

60 выработка

тепла

40

20

0 -1 Т,°С 0

5 -1 0 _ 5 1

Рис.2. - График зависимости выработки тепла чиллером с тепловым насосом от температуры наружного воздуха. В первом приближении, график изменения можно выразить в виде прямой. Достаточно неплохо график аппроксимируется полиномом.

Особенностью чиллера является невозможность выработки теплоты при температурах ниже -10°С

На рисунках представлены графики выработки и потребления теплоты для наиболее характерных южного и северного городов.

Рис.3.-Графики потребления и выработки тепла в г.Махачкала

Рис.4.-Графики потребления и выработки тепла в г.Москва Графики выработки теплоты чиллером приняты с учетом необходимой холодопроизводительности в теплый период года. В этом случае тепловая

мощность чиллера будет находиться в обратной зависимости от потребности теплоты. Пересечение двух графиков называется бивалентной точкой.

В правой части от этой точки мощность чиллера будет превышать потребность, однако при достижении низких температур наружного воздуха теплоты, вырабатываемой чиллером, будет недостаточно.

Количество потребляемой и вырабатываемой теплоты производится

путем вычисления определённого интеграла по формуле Ньютона-Лейбница

г

/СО ёх = ¥(х)\1,

Количество теплоты, необходимое для покрытия полной отопительной

нагрузки вычисляется интегралом от уравнения теплопотребности здания.

- Расчетная температура наружного воздуха зимой, °С

- Температура начала отопительного периода, °С

Количество теплоты, вырабатываемое дополнительным источником

тепла за отопительный период, вычисляется разницей интегралов. Интеграла от уравнения теплопотребности здания с пределами от хх до температуры

бивалентной точки х3 и интеграла от уравнения кривой чиллера с пределами

от х4 до х3.

х^ - Предельная температура работы чиллера, °С х?- Температура бивалентной точки, °С

Количество теплоты, вырабатываемой чиллером за отопительный период, определяется интегралом от уравнения кривой чиллера с пределами от х4 до х2.

Значения количества теплоты для различных городов сведены в таблицу 3.

Таблица № 3

Значения количества теплоты

Город Температура бивалентной точки, °С Qот, кВт-ч/м3 Qчиллер, кВт-ч/м3 Qдоп.ист, кВт-ч/м3 (%)

Ростов-на-Дону -13,5 32,6 28,9 3,7 (11,4)

Москва -0,5 46,6 28,35 18,25 (39,2)

Воронеж -10,3 43,0 31,7 11,3 (26,3)

Махачкала -10,1 25,12 24,07 0,42 (1,7)

Грозный -15,7 29,9 29,9 2,04 (6,8)

Qот- количество тепла, требуемое за отопительный период, кВтч/м3

Qчиллер- количество тепла, вырабатываемое чиллером, кВтч/м3 Qдоп.ист- количество тепла, покрываемое дополнительным источником тепла, кВтч/м3

По данным таблицы можно сделать вывод, что применение чиллеров для отопления зданий наиболее экономически выгодно в южных районах России [11], т.к количество теплоты приходящиеся на выработку

дополнительным источником значительно ниже, следовательно и расходы в южных городах на отопление зимой ниже чем в северных.

Оценка эффективности использования реверсивных чиллеров позволит подсчитать, какое количество дополнительного тепла потребуется для обогрева здания в городах с различным климатом и уточнить возможность использования чиллеров, в зависимости от стоимости дополнительного источника тепла.

Литература

1. Страхова Н.А., Лебединский П.А. Анализ энергетической эффективности экономики России. Инженерный вестник Дона , 2012, № 3. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/999

2. Камышев В.И. Тепловой насос эффективная энергосберегающая система отопления и кондиционирования. Технологии мира. 2010.№ 8(26). С.17-20.

3.Энергосбережение в зданиях. Кондиционирование и тепловые насосы. Киев: ЗНИИЭП. 2000. №1. С. 22.

4.Trushevskii S.N., Mitina I.V. Problem of heat pumps in central Russia. Applied solar energy. 2012. №Volume 48, Issue 1,. pp. 24-32.

5.Руденко Н.Н., Рыбинский В.А. Круглогодичное использование тепловых насосов. Стоительство 2009. Ростов-на-Дону: РГСУ, 2009.С. 53.

6.Tomas Nunez,WalterMittelbach, Hans-Martin Henning Development of an adsorption chiller and heat pump for domestic heating and airconditioning applications. Applied Thermal Engineering. 2007. №27. pp. 2205-2212.

7.Руденко Н.Н Особенности прогнозирования эффективности работы теплового насоса. Инженерный вестник Дона, 2012, №4 (часть 1). URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4t 1y2012/1129

8.Новгородский Е.Е., Волошановская И.Н. Оптимизация выбора мощности кондиционера. Энергосбережение и водоподготовка. 2004. №1. С. 88-89.

9.Новгородский Е.Е., Руденко Н.Н., Волошановская И.Н. Влияние режимов работы кондиционера на его энергопотребление. Энергосбережение и водоподготовка. 2004. №3. С. 67.

10.Калиниченко А.Б. Использование тепловых насосов для теплоснабжения и горячего водоснабжения. Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2000. №7. С. 16-17.

11.Везиришвили О.Ш. Тепловые насосы и экономия топливо-энергетических ресурсов. Изв. Вузов Сер. Энергетика. 1984. №7. С. 61-65.

References

1. N.A. Strakhova, P.A. Lebedinskiy. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 3. URL:ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/999

2.Kalinin I.M. Ekologicheskie sistemy. 2003. №6. pp. 3.

3.Energosberezhenie v zdaniyakh. Konditsionirovanie i teplovye nasosy [ Energy efficiency in buildings. Air conditioning and heat pumps]. Kiev ZNIIEP. 2000. №1. pp. 22.

4.Trushevskii S.N., Mitina I.V. Applied solar energy . 2012. №Volume 48, Issue 1, pp. 24-32.

5.Rudenko N.N., Rybinskiy V.A. Kruglogodichnoe ispol'zovanie teplovykh nasosov [Year-round use of heat pumps]. Stoitel'stvo 2009. Rostov-na-Donu. RGSU, 2009. pp. 53.

6.Tomas Nunez, Walter Mittelbach, Hans-Martin Henning. Applied Thermal Engineering. 2007. №27. pp. 2205-2212.

7.Rudenko N.N. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №4 (chast' 1). URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4t 1y2012/1129

8.Novgorodskiy E.E., Voloshanovskaya Energosberezhenie 1 vodopodgotovka. 2004. №1. pp. 88-89.

9.Novgorodskiy E.E., Rudenko N.N., Voloshanovskaya I.N. Energosberezhenie i vodopodgotovka. 2004. №3. pp. 67.

10.Kalinichenko A.B. Stroitel'nye materialy, oborudovanie, tekhnologii XXI veka. 2000. №7. pp. 16-17.

11.VezirishvШ O.Sh. Vuzov Ser. Energetika. 1984. №7. pp. 61-65.