CC BY
175
УДК 621.577
ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИТОЧНО-ВЫТЯЖНЫХ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ С ТЕПЛОВЫМИ НАСОСАМИ
А. В. ОВСЯННИК, Д. С. ТРОШЕВ
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого», Республика Беларусь
Введение
Согласно программе энергосбережения Республики Беларусь на 2011-2015 гг. утилизация тепловых вторичных энергоресурсов является приоритетным направлением государственной политики. Эффективной альтернативой различным отопительным системам по разумной цене является система воздушного обогрева помещений, применяемая более чем в 80 % коттеджей и частных домов северных стран [1]. В таких системах целесообразно использовать в качестве источника теплоты тепловой насос, работающий на теплоте вентвыбросов. Также следует рассмотреть комбинированную схему с использованием рекуператоров теплоты вентвыбросов. В качестве примера рассмотрены парокомпрессионный тепловой насос серии ZUBADAN компании Mitsubishi Electric (Япония) и воздушная климатическая система компании УПЭК (Украина).
Целью данной работы является определение энергетической эффективности использования ТНУ в системах вентиляции и кондиционирования воздуха по сравнению с использованием традиционных схем с водяными подогревателями воздуха.
При этом выполнено следующее:
1. Рассмотрен рекуператор тепловой энергии системы вентиляции с расходом воздуха 1000 м /ч.
Количество теплоты, идущее на нагрев приточного воздуха уходящим на 1000 нм3/ч, Гкал [2]:
QГОД = ^СР^ВОЗД (^СР — ^СР.ОТ ) Р^рабЛ ' 10 =
= 1000 • 1(18 - (-1))1,2 -188 • 24 • 0,6 • 10-6 / 4,19 = 14,8 • 10-3 Гкал, (1)
где еВОЗд = 1 кДж/(кг -°С) - теплоемкость воздуха; ¿СРОТ =-1 °С - средняя за отопительный период температура наружного воздуха для г. Гомеля [3]; р = 1,18 кг/м3 -плотность воздуха; NРАБ - число часов работы системы вентиляции за отопительный период, ч; л - эффективность рекуператора, для пластинчатых рекуператоров принимаем л = 0,6.
Годовая экономия тепловой энергии в т у. т.:
Д8ТЭ = Qrm • 0,175 = 14,8 • 0,175 = 2,59 т у. т. (2)
Увеличение расхода электрической энергии за счет принудительной вентиляции на 1000 нм /ч, тыс. кВт • ч [4]:
АЖВ = #ВГРАБ = 2 • 0,1 • 24 -188 = 0,902 тыс. кВт • ч, (3)
где МВ - мощность приточного (вытяжного) вентилятора, кВт [1]:
N = ГСРрАН/(лВ • 3600) = 1000-1,18• 200/(0,65 • 3600) = 100 Вт; (4)
ТРАБ - время работы вентилятора в году, ч.
Увеличение расхода электроэнергии в т у. т. [3]:
АВЭЭ = АWВ • 0,28 = 0,902 • 0,28 = 0,253 т у. т. (5)
Изменение расхода условного топлива:
АВ = АВТЭ - А8ЭЭ = 2,59 - 0,253 = 2,34 т у. т. (6)
2. Произведен расчет и анализ энергетической и экономической эффективности внедрения парокомпрессионного теплового насоса (ПТН) и воздушной климатической системы (ВКС) по сравнению с нагревом воздуха от газового котла с калорифером.
Удельный расход топлива на выработку теплоты в котлоагрегате, использующем теплоту сгорания органического топлива, составит [4]:
1000 = 1000 29,3 -лКА = 29,3 • 0,92
Ьса -= от а по = 37,1 кг у. т./ГДж = 155,4 кг у. т./Гкал, (7)
где ^КА - КПД котла (для газовых котлов не менее 92 %).
С учетом потерь в теплопроводах и рекуператоре удельный расход на отпуск составит 41,6 кг у. т./ГДж (174,4 кг у. т./Гкал).
В парокомпрессионном тепловом насосе (ПТН) при использовании электроэнергии на привод компрессора от тепловой электростанции удельный расход топлива, кг у. т./ГДж [1]:
1000
29,3МтнЛЭЛЛЭЛ.(
7 1VVV s0\ ЬТН = от.. „ -. (8)
Экономия условного топлива рассчитывается для каждого диапазона температур наружного воздуха по формуле (8), а затем суммируется за год:
АВ = (Ька - Ьтн) QcTn. (9)
СОР для заданного теплоперепада определяем по характеристикам воздушного парокомпрессионного теплового насоса серии ZUBADAN (на японском языке это означает «суперобогрев») компании Mitsubishi Electric (рис. 1).
11Я 3 1
кд
я
I 1:
-1-1- " ИМИШВДСН 14 им^-ид Кг*
/
~ — —
___
- — 1.1 р^лмилшлц^>и ь
1 1 1
■15 -21 ■ 5 -10 -5 С 5 Н 1£
Рис. 1. Энергетические характеристики теплового насоса в зависимости от температуры наружного воздуха [5]
Расчеты для ВКС производятся аналогично ПТН. СОР определяется исходя из данных производителя (рис. 2).
Рис. 2. Сравнение ВКС (1) и ПТН (2) в режиме отопления [6]
3. Рассчитана схема с совместным применением ПТН и рекуператора тепловой энергии (рис. 3).
. ■ воздух из помещения
3
2 / с
/
\ г
т X1
,1.3
воздух в помещение
1 1 - парокомпрессионный тепловой насос в составе:
1.1 - испаритель
1.2 - компрессор
1.3 - конденсатор
1.4 - дроссель
2 - рекуператор пластинчатый
3 - приточный вентилятор
4 - фильтр приточного воздуха
5 - вытяжной вентилятор
6 - фильтр вытяжного воздуха
1.2
воздух на улицу
воздух с улицы
Рис. 3. Принципиальная схема ПТН с рекуператором
4
6
5
Из формул для определения количества теплоты, полученного в рекуператоре, еделим т куператора:
определим температуры приточного ^к2 и вытяжного воздуха на выходе из ре-
0РЕК ^ВОЗДРСВ (^вых - ^нар ); 0РЕК = ^ВОЗДРСВ (^вн — ^нар )Л;
QpЕК = ^оздР^ВН — Сх^ (10)
Из уравнения (10) получаем:
Сх1 = ^вн—л(^вн—О; (11)
грек2 = г +л(г — г ). (12)
вых нар IV вн нар/ V /
Для нахождения СОР для начала необходимо определить температуру низкопотенциального воздуха на выходе из ПТН. Для этого воспользуемся формулами для нахождения тепловых мощностей испарителя и конденсатора:
0КОНД = ^ВОЗДРСВ (гвн — гнар);
бнСП = ^ВОЗдРСВ (гвн — гвых ), (13)
где QИСП - тепловая мощность испарителя, кВт; 0КОНд - тепловая мощность конденсатора, кВт; гнар - температура наружного воздуха, °С; гвых - температура низкопотенциального воздуха на выходе из ПТН, °С;
6конд ,, 1 оисп . (14)
ц _ 1
Из уравнений (13), (14) получаем:
г = грек1 —-— грек2). (15)
вых вых V вн вых / V /
(Л,
Однако так как СОР также является функцией от температуры воздуха на выходе, то расчет ведем методом последовательных приближений до тех пор, пока разница в принятой и расчетной температуре выходящего воздуха не станет меньше 1 °С.
Экономия условного топлива расчитывается как сумма экономии топлива от рекуператора и от ТН (определенного по формуле (6)).
Заключение
1. По схеме с ПТН и ВКС:
- при использовании ПТН в качестве источника теплоты для системы вентиляции с часовым расходом воздуха 1 тыс. м /ч (при расчетной температуре воздуха -11 °С) экономический эффект составляет за год 1542 кг у. т.;
- при использовании ВКС в тех же условиях экономический эффект составляет за год 1882 кг у. т.;
- экономический эффект от использования ПТН и ВКС в системах вентиляции ниже, чем от рекуператора теплоты с догревом воздуха от газового котла. Поэтому установка ПТН и ВКС без рекуперации теплоты не целесообразна.
2. По схеме с рекуператором и ПТН или ВКС в качестве догревателя:
- во всем диапазоне температур наружного воздуха в отопительный период г. Гомеля для систем вентиляции (от +8 до -11 °С) применение ПТН для догрева воздуха энергетически более выгодно по сравнению с газовым котлом с калорифером;
- общий годовой экономический эффект составит 2,79 т у. т., что выше чем в схемах с ВКС и рекуператором.
При анализе возможности применения тепловых насосов в системах вентиляции и кондиционирования воздуха было выявлено, что в системах вентиляции и кондиционирования самое оптимальное решение - это установка ПТН с рекуператором тепловой энергии. Однако при замене существующих источников тепловой энергии для вентиляции данное энергосберегающее мероприятие имеет высокие сроки окупаемости из-за значительной стоимости ТНУ. Но при внедрении ТНУ на строящихся объектах капвложения в традиционные источники тепловой энергии могут быть даже выше, чем в ТНУ. Кроме того, ТНУ в летний период может работать в качестве кондиционера, обеспечивая тем самым необходимый микроклимат в производственных и общественных помещениях.
Литература
1. Воздушное отопление и кондиционирование. Использование воздушных тепловых насосов // Тепловые насосы. - 2014. - № 6 (15). - 25-29 с.
2. Трошев, Д. С. Оценка эффективности установки рекуператоров теплоты и тепло-насосных установок для утилизации теплоты вентвыбросов птичников / Д. С. Трошев, А. В. Овсянник // Прил. к журн. «Холодильная техника и технология». -2013.- № 6.-С. 66-73.
3. Строительная климатология. - Изменение № 1 СНБ 2.04.02-2000: 01.07.07. -Минск : М-ва архтктуры i будаунщтва Рэсп. Беларусь, 2007. - 35 с.
4. Трошев, Д. С. Анализ энергетической эффективности теплонасосных установок в системах индивидуального теплоснабжения : дис. ... магистра техн. наук / Д. С. Трошев. - Гомель, 2012. - 61 с.
5. Тепловые насосы. Mitsubishi Electric : информ. кат. - М., 2013. - 68 с.
6. Воздушные климатические системы, УПЭК : информ. кат. - Харьков, 2013. - 20 с.
Получено
