Оценка энергетической эффективности современных систем автономного энергоснабжения (на примере тепловых насосов) Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ДИАГНОСТИКА И НАДЕЖНОСТЬ ЭНЕРГООБОРУДОВАНИЯ

УДК 621.577

Оценка энергетической эффективности современных систем автономного энергоснабжения (на примере тепловых насосов)

Г. Я. Волов,

кандидат технических наук, участник Международного консорциума организаций в области инженерно-технического аудита (ОДО «Энерговент»)

В. И. Зуев,

начальник лаборатории тепловых динамических процессов и энергосбережения Технологического института энергетических обследований, диагностики и неразрушающего контроля «ВЕМО»

Рассматриваются вопросы применения имитационных динамических моделей для расчетов и выбора режимов работы систем на базе тепловых насосов, оценки их энергетической эффективности как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации при изменении и варьировании фактических эксплуатационных нагрузок.

Ключевые слова: тепловой насос, имитационная модель, коэффициент трансформации, тепловые нагрузки.

Введение

Стремление уменьшить затраты первичной энергии (потребление топлива) без снижения или даже с увеличением отдачи энергии конечному потребителю за счет более рационального способа ее преобразования - главная тенденция развития современной техники и технологий [1]. Это относится и к системам теплоснабжения самых различных потребителей.

В настоящее время более половины всего топлива, расходуемого в системах энергоснабжения, используется для теплоснабжения.

Там, где потребители теплоты рассредоточены, где природные условия не позволяют применять высокоэффективные установки комбинированной выработки электроэнергии и тепла, основными источниками теплоты остаются различные котельные и печи (от индивидуальных внутридомовых печей до крупных районных котельных), а также различные электронагревательные приборы.

Земля и грунтовые воды сохраняют тепло даже в холодное время года. Тепловые насосы могут использовать это тепло, повышая потенциал отведенного тепла и передавая его в систему отопления.

Тепловой насос, отбирая у внешнего теплоисточника (земля, грунтовые воды, воздух) низкопотенциальное тепло, передает его в систему отопления с необходимой температурой теплоносителя. Для повышения температуры до необходимого уровня расходуется дополнительная энергия. Эффективный тепловой насос отличается тем, что теплота, выработанная им, многократно превышает количество энергии, затраченной на привод самого насоса.

В индивидуальном жилом фонде тепловые насосы могут использоваться для отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха (где это необходимо). В общественных зданиях тепловые насосы используются в централизованных и децентрализованных системах кондиционирования воздуха, а также для рекуперации тепла в холо-

дильных установках. В промышленности возможно широкое использование тепловых насосов в системах охлаждения, в процессах сушки, испарения, кипения и рекуперации тепла сбросных потоков жидкости.

В силу климатических и некоторых других причин в Европе доминирует использование тепловых насосов в домашних отопительных системах, а именно в индивидуальном жилом фонде.

Оценка энергетической эффективности автономного теплоснабжения на базе тепловых насосов (ТН) (на стадии проектирования) выполняется практически всегда. Однако каждый раз разработчик сталкивается со значительными трудностями. Дело в том, что тепловая эффективность теплонасосных установок напрямую зависит, как правило, только от коэффициента трансформации, т.е. отношения выработанной тепловой энергии ТН к затраченной энергии, как правило электрической, на его привод. При этом коэффициент трансформации теплонасосной установки не является величиной постоянной, а в значительной степени зависит от параметров теплоносителя внешних контуров.

Вторым важным моментом, который следует отметить, является определение и расчет тепловых нагрузок. Методика расчета нагрузок для проектирования таких установок до настоящего времени не нашла отражения в нормативных материалах. Проектировщики либо рассчитывают тепловые нагрузки по утвержденным методикам для проектирования котельных установок, либо пользуются зарубежными нормативными материалами. Последние говорят о том, что к выбору нагрузок для теплонасосных установок нельзя подходить с теми же мерками, как для котельных. Существенное отличие подходов в том, что при проектировании котельных установок расчетная нагрузка - это, обычно, пиковая нагрузка потребителя тепловой энергии и, в некоторых особых случаях, установка аккумулирующих емкостей с целью снижения пиковой нагрузки источника. А в случае с ТН проектируют на существенно меньшие нагрузки, вводя в схему либо пиковые источники, либо идут на заведомый и рассчитанный дискомфорт. Применение аккумулирующих емкостей в теплонасосных системах (ТНС) является нормой.

Для практического решения этих двух проблем предлагается использовать при проектировании подход, который основан на имитационном моделировании как самого теплоисточника, так и потребителей тепловой энергии. При этом имитационная модель должна позволить рассмотреть и оценить работу тепловой насосной установки в динамике.

В качестве инструмента, позволяющего строить имитационные модели, предлагается программа МОДЭН. Все приведенные в настоящей статье рисунки взяты из программы МОДЭН без какой-либо редакторской корректировки, за исключением некоторых комментариев на отдельных рисунках.

Коротко о программе МОДЭН

Программа МОДЭН (версия 3.02) разработана ОДО «Энерговент» (Республика Беларусь, Минск)

[2, 3] в сотрудничестве с Технологическим институтом «ВЕМО» и позволяет моделировать как физическую природу окружающей действительности, так и технологические процессы оборудования, систем и предприятий в целом. Программа дает полное представление о работе моделируемой системы в динамике, приближенное к реальной действительности с задаваемой степенью точности. На выходе - расчет в динамике поведения энергетической системы с выводом всех необходимых параметров системы в графическом, табличном и текстовом виде.

Практические задачи, решаемые с помощью программы МОДЭН:

- моделирование в динамике различных энергетических и технологических систем и процессов;

- моделирование тепловлажностных процессов в ограждающих конструкциях и режимов в помещениях зданий;

- моделирование гидравлических и тепловых процессов в системах теплоснабжения и отопления, с построением пьезометрических графиков;

- моделирование работы систем автоматизации;

- моделирование систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха;

- энергетический аудит, прогнозирование и контроль эффекта от внедрения энергосберегающих мероприятий;

- оценка показателей надежности систем отопления [4].

Метод создания имитационной модели подобен монтажу из готовых блоков (модулей, шаблонов), соответствующих реальной структуре моделируемой системы. Каждый шаблон в программе - это элемент энергетической системы (трубопровод, вентиль, регулятор, насос, компрессор, испаритель, конденсатор и т.д.). Единичные элементы (насос, вентилятор и т.д.) называются объектами. Объекты, соединенные между собой, образуют структуру. Структуры, как и объекты, тоже можно сохранять в виде шаблонов в базе данных МОДЭН.

Внутри каждого объекта имеются алгебраические формулы, математически описывающие его работу - зависимости между различными параметрами. Для связи объекта с внешней средой имеются так называемые порты. Например, объект насос (рис. 1) имеет три порта (вход воды, выход воды и подвод электрической энергии).

Имитационная модель теплового насоса

Тепловой насос, представленный на уровне структуры, показан на рис. 2, а на рис. 3 показан тепловой насос, состоящий из его отдельных объектов (вложенность в структуру).

Расчет теплового насоса в динамических режимах сводится к пересчету его паспортных параметров под конкретные внешние условия работы, а именно фактические рабочие температуры в испарителе и конденсаторе. Паспортные параметры ТН содержатся в базе данных оборудования и материалов МОДЭН. После связи структуры «Тепловой насос» с базой эти параметры переходят в проект. Паспортными параметрами ТН являются:

гашіїшшиш

30

1

Рис. 1. Шаблон «насос»:

1- порт входа воды; 2 - порт выхода воды;

3 - порт входа электрической энергии

>3

4

Рис. 2. Шаблон структуры «тепловой насос вода-вода»:

1- порт выхода воды из испарителя; 2 - порт входа воды в испаритель; 3 - порт выхода воды из конденсатора;

4 - порт входа воды в конденсатор;

5 - порт подвода электрической энергии

- тип (марка) теплового насоса (холодильной машины);

- температура входа теплоносителя в испаритель Теріп;

- температура выхода теплоносителя из испарителя Тероиі;

- температура входа теплоносителя в конденсатор Тсріп;

- температура выхода теплоносителя из конденсатора Тсроиі;

- мощность на отопление Qoh;

- мощность на охлаждение Qpc;

- мощность электрическая на привод ^.

Дополнительно в паспортные параметры мы

включили:

- расчетный напор компрессора dP;

- температуру испарения паспортную Треу;

- температуру конденсации паспортную Трсоп.

Последние три указанных параметра, как правило, не приводятся в паспорте на тепловую машину, но без них расчет ее параметров работы невозможен, поэтому мы вынуждены их значения брать из других источников. В частности, если поставить тепловую машину на так называемый стенд (компьютерный), то можно, «прогнав» тепловую машину на различных режимах работы, откалибровать указанные выше параметры.

Для того чтобы показать возможности имитационного моделирования и представить, как работает ТН в динамических режимах, приведем два численных эксперимента с тепловым насосом марки 200z ТегтоСІАТ LGP. В первом эксперименте проварьируем температуру входа воды в испаритель (при постоянной температуре входа воды в конденсатор +40 оС), а во втором эксперименте проварьируем температуру входа воды в конденсатор (при постоянной температуре входа воды в испаритель +10 оС).

В первом численном эксперименте коэффициент трансформации СОР изменяется (рис. 4) в пре-

3

4

Рис. 3. Состав структуры «тепловой насос вода-вода»:

01- конденсатор; 02 - компрессор; 03 - испаритель; 04 - дроссель; 05 - хладагент.

1- порт выхода воды из испарителя; 2 - порт входа воды в испаритель; 3 - порт выхода воды из конденсатора;

4 - порт входа воды в конденсатор;

5 - порт подвода электрической энергии

Рис. 4. Зависимость коэффициента трансформации (СОР) от температуры входа воды в испаритель —Терт (эксперимент 1)

тепловой энергии. Также в схему входят и такие стандартные элементы, как трубопроводы, насосы, теплообменники и пр. Необходимым элементом такой схемы теплоснабжения (на это указывалось и ранее), как правило, является пиковый источник теплоты, например электрокотел. Пример схемы теплонасосной системы с использованием теплоты грунтовой воды приведен на рис. 6.

После составления имитационной модели необходимо провести ее расчет за определенный характерный период: он может составлять и час, и месяц, а для теплонасосной системы с грунтовыми теплообменниками расчетный период составляет не менее года. В течение всего периода расчета меняются не только климатические условия (параметры окружающей среды), но и режимы, и параметры работы источника и потребителя.

На рис. 7 приведена схема теплонасосной системы с кольцевой сетью, ставшей довольно популярной в последнее время.

Еще раз отметим, что все эти и другие системы считаются в МОДЭН в динамических режимах.

Некоторые результаты моделирования ТНС

Приведем некоторые результаты моделирования теплонасосной системы с горизонтальными грунтовыми теплообменниками. Так из рис. 8 видно, что мощность отбора теплоты от грунта падает с 1 ноября по 1 февраля, а затем начинает расти. Это вызвано повышением температуры грунта, связанным с увеличением теплопоступления от солнечной радиации (на широте г. Бреста).

На рис. 9 приведен график среднего значения коэффициента трансформации с 1 ноября. Видно, что величина коэффициента трансформации с

V

йу = 0 м Б = 0 кг/с

Рис. 6. Схема ТНС, использующая теплоту грунтовых вод:

01 - ТН; 04,05,06,07 - насосы; 10 - система отопления; 11 - пиковый электрокотел; 12-15,18-21,36 - запорная арматура; 22 - гидравлический разделитель; 23 - буферная емкость; 24,25 - расширительный бак; 34 - теплообменник;

35 - теплообменник горячего водоснабжения

Рис. 5. Зависимость коэффициента трансформации (СОР) от температуры входа воды в конденсатор — Терт (эксперимент 2)

делах от значения 2,05 (при Терт=-8 оС) до 3,65 (при Терт=8 оС), а во втором эксперименте (рис. 5) от 4,55 (при Тсрт=30 оС) до 2,8 (при Тсрт=51 оС).

Имитационная модель системы с тепловыми насосами

Тепловые насосы - лишь один из элементов энергетических схем автономного теплоснабжения на базе тепловых насосов. В общую энергетическую схему помимо ТН - трансформаторов энергии входят также источники тепловой энергии, как-то: грунт, воздух, вода и т.д. и т.п., а также потребители

ивмеииииИИ

Рис. 7. Схема ТНС с кольцевой сетью:

01...04 - тепловые насосы воздух-вода реверсивные;

05 - тепловой насос вода-вода для горячего водоснабжения;

06 - расширительный бак; 07 - градирня; 11 - котел водогрейный; 28 - буферная емкость

момента начала моделирования (расчета) значительно уменьшается от значения 4,2 до 1,9. Это связано с уменьшением температуры грунта в этот период. В первые дни после запуска ТН наблюдается период с его кратковременными остановками (мощность источника выше мощности потребления).

Выводы

1. Тепловые насосы на территории стран СНГ могут найти такое же широкое применение, как и в западной Европе, в том числе в индивидуальном жилом фонде, частично заменив собой существующие нагревательные и отопительные установки.

Однако их повсеместное внедрение без надлежащего технико-экономического обоснования может привести к обратному эффекту: не к сбережению, а к расточительству.

В большинстве случаев необходима индивидуальная разработка схем теплонасосных установок.

2. Применение имитационных динамических моделей позволяет разработчикам, проектантам и эксплутационному персоналу проводить расчеты и выбирать режимы и параметры работы теплонасосных систем и давать оценку их энергетической эффективности как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации при изменении и варьировании фактических эксплуатационных нагрузок. Имитационное динамическое моделирование позволяет также проводить определение тепловых нагрузок и вариантный расчет схем энергетических систем на базе тепловых насосов с определением их энергетической эффективности.

Рис. 8. Мощность отбора теплоты от грунта

01.11.2003 07.11.2003 14.11.2003 21.11.2003

00:00:00 22:40:00 21:20:00 20:00:00

Рис. 9. Среднее значение коэффициента трансформации (СОР) за период от начала работы ТН. Колебания в начальный период моделирования связаныI с остановкой ТН при достижении нормируемой температуры на входе в конденсатор

3. Программа МОДЭН (версия 3.02), относящаяся к классу программ имитационного моделирования, позволяет инженерно-техническому персоналу проектных, наладочных, эксплуатационных, энергоаудиторских и других организаций разрабатывать и создавать вариантные схемы автономных систем теплоснабжения на базе тепловых насосов, а также проводить имитационное динамическое

моделирование с целью оценки их энергетической эффективности, разработки и определения эксплуатационных параметров работы, в том числе коэффициентов трансформации и эксплуатационных параметров рабочего тела (теплоносителя) тепловых машин и насосов.

Литература

1. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы / Пер. с англ. -М.: Энергоиздат, 1982. - 224с.

2. Электронный ресурс www.energovent.com.www.wemo.ru.

3. Электронный ресурс www.wemo.ru.

4. Троицкий-Марков Т. Е., Будадин О. Н., Михайлов С. А., Потапов А. И. Научно-методические принципы энергосбережения и энергоаудита: Научное и учебно-методическое справочное пособие. -М.: Наука, 2005. - 537 с.

имевиииИИ