CC BY
23
УДК 621.57.004.629
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ КОНДИЦИОНЕРОВ В РЕЖИМЕ ТЕПЛОВОГО НАСОСА
Л.И. Балыкова, И.П. Сарайкина (КамчатГТУ)
Использование холодильной машины кондиционера в качестве теплового насоса в условиях климата г. Петропавловска-Камчатского является одним из эффективных способов экономии электроэнергии. Проведен сравнительный анализ обогрева зданий с помощью теплового насоса и электрокалорифера.
Climatic characteristics have been estimated from the point of view of a heat pump usage. The comparative analysis and technical-economic calculations of the efficiency of the air-conditioner usage in the regime of the heat pump for room heating in Petropavlovsk-Kamchatsky climatic conditions was carried out.
В настоящее время более 90% энергии, необходимой человечеству, получают за счет сжигания органического топлива, запасы которого неуклонно уменьшаются. Подсчитано, что запасов нефти хватит на 35 лет, газа - на 50-60 лет, угля - на 200-300 лет. В связи с этим проблема экономии топливно-энергетических ресурсов является актуальной для всех стран.
Одним из эффективных мероприятий по экономии топлива, а также по защите окружающей среды является широкое использование тепловых насосов (ТН) для отопления, горячего водоснабжения и т. п. Несмотря на то что возможность использования устройств, осуществляющих обратный термодинамический цикл, для указанных целей была выяснена еще в 1852 г. физиком Уильямом Томсоном (лордом Кельвином), ТН получили распространение лишь в последние годы. Массовое производство и внедрение ТН в настоящее время осуществляют в США, Японии, Швеции, Дании, Канаде и других странах [1, 2]. Многие специалисты считают, что в ближайшей перспективе ТН не только найдут повсеместное широкое применение, но и займут основное место в низкотемпературных системах теплоснабжения.
Широкое внедрение ТН в нашей стране сдерживалось главным образом по следующим причинам: сравнительно низкая по отношению к электроэнергии стоимость топлива;
незначительная распространенность систем электрообогрева и установок кондиционирования воздуха, замена которых теплонасосными установками может принести наибольший эффект; отсутствие низкотемпературных систем отопления в децентрализованном теплоснабжении, в сочетании с которыми применение ТН наиболее выгодно.
Принцип работы ТН аналогичен принципу действия холодильной машины, но осуществляется в ином интервале температур. Среди различных типов ТН наибольшее распространение получили парокомпрессионные. В результате подвода низкопотенциальной теплоты в испаритель ТН происходит кипение рабочего тела, пары которого сжимаются в компрессоре с повышением энтальпии и температуры за счет работы сжатия. В конденсаторе теплота фазового перехода рабочего тела передается теплоносителю.
Для систем кондиционирования воздуха эффективность работы холодильной машины в режиме теплового насоса оценивается коэффициентом преобразования:
где Qэв - тепловой эквивалент мощности электровентилятора (обычно невелик по сравнению с величиной Q), кВт;
k - коэффициент, учитывающий потери тепла компрессором и его электродвигателем.
Как показали исследования [3], в действительных условиях работы кондиционера в режиме ТН значение ц = 2,5-5. При этом стоимость тепла, полученного в ТН, приблизительно в 2-4 раза меньше стоимости подогрева воздуха [3].
Что касается центрального отопления, то согласно работе [4] при достижении коэффициента ц = 2,5 стоимость производства тепла в ТН будет дешевле, чем в любой котельной, работающей как
(1)
(2)
на мазуте, так и на угле и газе. Кроме того, использование кондиционера, работающего в режиме ТН, для обогрева помещений в холодный период года в районах с умеренным климатом позволяет индивидуально устанавливать комфортный режим его работы - последнее невозможно при центральном отоплении.
Анализ литературных источников [3-5] показывает, что при работе ТН, в котором в качестве источника низкопотенциальной теплоты используется воздух, его эффективность достигается при температуре наружного воздуха не ниже -5 ... -7°С. Это объясняется тем, что при такой температуре окружающей среды коэффициент преобразования ТН достаточно высокий (в среднем выше 3 для ТН типа воздух - воздух).
Для оценки эффективности работы кондиционера в режиме ТН для нашей страны были рассмотрены характеристики климата России на примере г. Петропавловска-Камчатского. Анализ среднемесячной температуры в г. Петропавловске-Камчатском за последние 50 лет,
представленный на рисунке, показывает, что холодный период со среднемесячной температурой ниже -5°С длится четыре месяца,
а теплый период со среднемесячной
температурой выше 12°С длится всего два месяца [6]. Остальные шесть месяцев являются переходным периодом, поэтому появляется возможность использовать холодильную машину кондиционера в режиме теплового насоса.
Период со среднесуточной
температурой воздуха ниже 0°С длится в среднем 163 дня. Период со среднесуточной температурой ниже -5°С длится в среднем 104 дня. Устойчивого периода с температурой ниже -10°С в городе не бывает, но довольно часто зимой бывают дни
с положительной температурой 2-3°С, что позволяет использовать холодильную машину в режиме ТН. Период со среднесуточной температурой выше 0°С длится 202 дня, а период со среднесуточной температурой выше 10°С -
в среднем 85 дней.
Особенностью летнего сезона в г. Петропавловске-Камчатском является относительно низкая температура. Средняя летняя температура составляет 12°С. Даже в самом жарком месяце - августе
- среднемесячная температура не превышает 13,5°С [7]. Другая особенность лета -это дневной или морской бриз, что приводит к резкому колебанию температуры в течение суток. В связи с этим возникает необходимость в обогреве зданий и сооружений города при отсутствии центрального отопления в летний период. Последнее возможно осуществить с помощью кондиционера, работающего в режиме теплового насоса.
Таким образом, для г. Петропавловска-Камчатского кондиционер в режиме ТН можно использовать весь осенний и весенний периоды, а также зимой в дневные часы и летом в ночные и утренние часы, что в среднем составляет 60-70% всего времени года.
Для оценки эффективности использования данного способа обогрева зданий и сооружений было проведено сравнение двух способов обогрева: работы бытового кондиционера в режиме теплового насоса и электрообогрева. В качестве исходных данных принимали общий расход воздуха в кондиционере VoSu^ = 600 м3/ч, а холодопроизводительность Qo = 3 кВт. Для сравнительного анализа рассматривались три наиболее характерных месяца: сентябрь, октябрь и ноябрь.
Расчет количества тепла QmH, кВт, вырабатываемого холодильной машиной в режиме теплового насоса, проводили по формуле:
QmH Ц_к’ Ga'Tl, (3)
где qK - удельная нагрузка на конденсатор, кДж/кг;
Ga - массовый расход холодильного агента, кг/с;
Месяцы
Изменение среднемесячной температуры воздуха в г. Петропавловске-Камчатском
Т - количество часов работы кондиционера в режиме ТН, т1 = 360 ч.
Количество электроэнергии N0, кВт, затрачиваемой на работу компрессора, определяем по формуле:
N = I ■О а /Пе, (4)
где I - удельная работа сжатия компрессора, кДж/кг;
Пе - эффективный КПД компрессора.
Количество электроэнергии N0, кВт, затрачиваемой на работу компрессора в течение месяца определяется следующим образом:
N0 = N ■ т; (5)
коэффициент преобразования:
М = 2тн /N0. (6)
Удельное количество электроэнергии, необходимое для нагрева 1 м3/ч воздуха в месяц цтн, кВт/(м3/ч), определяем по формуле:
Цтн -^0 / Уобщ. (7)
Расчет проводился по методике, представленной в работе [4]. Для определения цк, I и Оа для каждого месяца строили цикл работы холодильной машины в режиме теплового насоса в \-lgp
диаграмме для К22 и определяли энтальпии г1, /2, /4 в узловых точках термодинамического цикла.
Для построения цикла принимается перегрев на всасывании в компрессор 15°С и переохлаждение жидкого холодильного агента в конденсаторе 5°С .
Исходные данные для расчета эффективности ТН приведены в табл. 1.
Таблица 1
Исходные данные для расчета теплового насоса
Расчетные величины Ноябрь Октябрь Сентябрь
і і, кДж/кг 610 613 616
і2, кДж/кг 648 644 639
і4 = і3, кДж/кг 432 430 427
Чк = і2 - і А, кДж/кг 216 214 212
1 = і2 - ц, кДж/кг 38 31 23
Результаты расчета работы кондиционера в режиме ТН представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчета теплового насоса
Расчетный месяц Ртн, кВт • ч Мэ, кВт N0, кВт • ч Чтн, кВт • ч / (м3/ч) М
Ноябрь 1 318 0,64 230 0,38 5,68
Октябрь 1 264 0,51 284 0,31 6,9
Сентябрь 1 210 0,36 130 0,22 9,2
Расход электроэнергии на обогрев электрокалорифером Q1, кВт, определяется по формуле:
^1 1,2 УнарОвн ^нар), (8)
где Унар - количество нагреваемого наружного воздуха. Принимаем в соответствии с санитарными нормами Унар = 90 м3/ч, что составляет 15% от общего расхода воздуха Уобщ бытового кондиционера;
1вн, 1нар - энтальпии внутреннего и наружного воздуха, кДж/кг.
Расход электроэнергии за месяц при работе электрокалорифера Qэл определяется по формуле:
Qэл = Q1 ■ Т (9)
где т2 - количество часов работы электрокалорифера в месяц с учетом коэффициента рабочего времени ер = 0,5 ч.
Удельное количество электроэнергии, необходимое для нагрева 1 м3/ч воздуха
электрокалорифером дэл, определяется так:
Цэл Qэл / У нар . (10)
Результаты расчета расхода электроэнергии при электрообогреве приведены в табл. 3.
Анализ результатов расчетов, приведенных в табл. 3, показывает, что при использовании электрокалорифера для нагревания воздуха в переходный период удельный расход электроэнергии в нем в зависимости от месяца года составляет от 1,3 до 4,2 кВт • ч на 1 м3/ч. Суммарный расход электроэнергии за весь период составляет 1 605 кВт • ч, а за сентябрь, октябрь и ноябрь - 723 кВт • ч с учетом того, что нагревается только 90 м3/ч воздуха.
Таблица 3
Расход электроэнергии при работе электрокалорифера
Месяц 1нар, кДж/кг 4н, кДж/кг Ql, кВт дэл, кВт • ч дэл, кВт • ч / (м3/ч)
Сентябрь 26 37 0,33 119 1,3
Октябрь 14 37 0,69 248 2,8
Ноябрь 4 37 0,99 356 4,0
Итого: 723
При использовании холодильной машины в режиме теплового насоса, как видно из табл. 2 и 3, появляется огромная экономия электроэнергии. Так, за три месяца - с сентября по ноябрь -затрачивается 644 кВт • ч электроэнергии с учетом того, что нагревается 600 м3/ч воздуха. В перерасчете на удельное количество электроэнергии, затрачиваемой на нагрев воздуха, особенно видны преимущества использования ТН для обогрева помещений. Так, в ноябре удельное количество электроэнергии в 10,5 раза меньше, чем при использовании электрокалорифера, в октябре - в 9 раз и в сентябре - в 6 раз.
Несмотря на то что при работе в режиме теплового насоса усложняется система автоматики кондиционера и холодильная машина дополняется четырехходовым клапаном и, как следствие, возрастают капитальные затраты, выгода, связанная с существенным уменьшением расхода электроэнергии в ТН, позволяет получить экономический эффект.
Литература
1. Коптелов К.А. Рынок холодильного и климатического оборудования в Австралии // Холодильный. бизнес - 2001. - № 2.
2. Ройхман Й. Мировой рынок холодильной техники на стыке двух тысячелетий // Холодильный бизнес. - 2001. - № 1.
3. Быков А.В., Калнинь И.М., Крузе А. С. Холодильные машины и тепловые насосы (повышение эффективности). - М.: Агропромиздат, 1988. - 287 с.
4. Рей Д., Макмайл Д. Тепловые насосы / Пер. с англ. - М., 1982. - 224 с.
5. Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы (экономия топлива и электроэнергии). - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 128 с.
6. Захаров Ю.В. Судовые установки кондиционирования воздуха и холодильные машины. -Л.: Судостроение, 1972. - 566 с.
7. Кондратюк В.И. Климат Петропавловска-Камчатского. - Л.: Гидрометеоиздат, 1983.
- 168 с.
