CC BY
3Бабаева С.Ш.
техн. наук, доцент кафедры технологии производства энергии Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности (г. Баку, Азербайджан)
ПУТИ ДЕКАРБОНИЗАЦИИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ В ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ЖИЛЫХ ДОМАХ
Аннотация: в представленной статье предложена схема, обеспечивающая отопление и горячее водоснабжение индивидуального дома в городе Кельбаджар. Для этого был изучен опыт развитых стран и методом компьютерного моделирования выбрана схема системы теплоснабжения исследуемого объекта. Характерные параметры всего оборудования, входящего в систему теплоснабжения, были смоделированы и рассчитаны с помощью программы 0евТ80Ь.
Рассчитан коэффициент преобразования теплового насоса. Выявлено, что рабочим телом грунтового зонда является 30%-ный водный раствор гликоля. Рассчитана тепловая нагрузка на систему теплоснабжения. В результате моделирования были рассчитаны выработанная энергия (годовая), потери (годовые), использованная энергия (годовая), солнечный контур, необходимая мощность. Исследовано влияние работы системы теплового насоса на окружающую среду и показано, что она является экологически чистой системой теплоснабжения.
Ключевые слова: теплоснабжение, тепловой насос, декарбонизация, моделирование.
Рост мирового спроса на энергию, ограниченность ресурсов и экологические проблемы стимулируют человечество к энергосбережению. Важным направлением является использование возобновляемых источников энергии. Тепловые насосы широко применяются в развитых странах для отопления, вентиляции и водоснабжения зданий. Они могут работать как отдельные установки или как часть системы с несколькими насосами и
УДК 62
канд.
устройствами для сбора низкопотенциальной энергии с автоматическим управлением.
Характеристики тепловых насосов включают тепловую, энергетическую и экономическую эффективность, зависящую от источника тепла. Идеальный источник должен обеспечивать стабильную температуру, минимальное коррозионное воздействие и экологическую чистоту. Тепло получается из воздуха, подземных вод, морей, озер и геотермальных источников. Колодезная вода может использоваться как источник тепла для отопления домов в сельской местности.
Почва верхних слоев земли, как и воздух, накапливает солнечное тепло. Эффективность использования тепла почвы зависит от её температуры, состава и влажности. С увеличением глубины термическое сопротивление почвы увеличивается. Принцип работы теплового насоса основан на испарении хладагента при низком давлении и температуре, и его конденсации при высоком давлении, что позволяет передавать энергию.
Компрессор потребляет электроэнергию и на каждый киловатт-час тепловой насос вырабатывает 2,5-5 киловатт-часов тепла. Коэффициент преобразования тепла - это соотношение выработанного тепла к
потреблённой электроэнергии (Р):
* = * (1)
Тепловые насосы, используя низкопотенциальное тепло земли, могут работать с КПД более 100%, так как передаваемое тепло превышает потребляемую электроэнергию. КПД зависит от разницы температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разница, тем ниже эффективность. При проектировании системы с тепловым насосом важно, чтобы масса низкотемпературного источника была больше массы нагреваемого объекта, чтобы поддерживать нужный температурный перепад. Тепловой насос работает в нескольких режимах: моновалентный, моноэнергетический, бивалентный альтернативный и бивалентный параллельный.
Грунт является наиболее стабильной средой по температуре, хотя верхние слои подвержены колебаниям, особенно в зоне промерзания, глубина которой зависит от региона. Существуют две схемы отбора тепла: горизонтальная и вертикальная. Горизонтальная - это сеть трубопроводов ниже зоны промерзания, вертикальная - трубопроводы-зонды в скважинах глубиной 20-200 метров. Широко применяются 4-трубные зонды.
Путём компьютерного моделирования исследованы тепловые насосы с низкопотенциальным источником тепла для климата Нагорного Карабаха. Для эффективной работы требуется стабильная температура и достаточная теплоёмкость источника на весь срок службы системы.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ.
В статье представлена компьютерная модель теплонасосной системы для дома в Кельбаджаре, выполненная по программе GeoTSOL - профессиональным инструментом для проектирования тепловых насосов. Программа позволяет выбрать типы и компоненты системы, а также рассчитать энергию и затраты. Это приложение:
- Моделирует тепловые насосы с солнечными коллекторами и бойлерами,
- Выбирает среду для работы насоса: геотермальные зонды, коллекторы, воздух, грунтовые воды,
- Определяет рабочий орган: солёная вода/вода, вода/вода, воздух/вода,
- Рассчитывает сезонную производительность, энергопотребление, потери, долю солнечной энергии и КПД за год,
- Проводит финансовый анализ, включая стоимость тепла и сравнение затрат на протяжении срока службы системы.
Система теплонасоса для отопления и горячего водоснабжения дома в Кельбаджаре показана на рисунке 1.
Рис. 1. Система теплового насоса для отопления и горячего водоснабжения частного дома.
Система отопления и горячего водоснабжения дома включает грунтовый коллектор, тепловой насос (ТН), солнечный коллектор, бак-аккумулятор и вспомогательный котел. В схеме источником тепла служит грунт. В течение года моделировались температуры грунта и рабочего тела на входе и выходе теплового насоса (рис. 2).
.........температура рабочего вещества на входе в ТН,
температура рабочего вешества на выходе из ТН,0 С -температура грунта вокруг зонда , о С
Рис. 2. Температура рабочей жидкости на входе и выходе из грунта теплового насоса в районе коллектора по месяцам года в г. Кельбаджар.
Грунтовые коллекторы, заполненные 30%-ной смесью гликоля и воды, поглощают тепло грунта и передают его тепловому насосу. Результаты моделирования параметров коллектора для дома в Кельбаджаре приведены в таблице 1.
Таблица 1. Результаты, относящиеся к почвенной зоне.
Параметр Значение Параметр Значение
Область: 200,0 ш2 Гликоль 30%
Глубина укладки: 1,2 ш Номинальная производительность солевого насоса: 114 Вт
Глубина грунтовых вод: 10,0 ш Объемный расход насоса рассола: 1390 л/ч
В первом контуре рабочее вещество передает тепло от земли тепловому насосу. Основные элементы насоса: компрессор, регулирующий клапан, конденсатор и испаритель. В испарителе тепло от низкопотенциального источника передается хладагенту, который испаряется и сжимается в компрессоре. Затем в конденсаторе тепло хладагента передается воде для потребителя, а хладагент возвращается в цикл через клапан.
В качестве хладагента используются R410A, R407C, R134a. Номинальная тепловая мощность модели теплового насоса в моновалентном режиме составляет 6 кВт. Режим работы системы показан на рис. 3.
1
-'-^ -Г
Те Та
Рис. 3. График режимов работы системы теплового насоса.
Тепловой насос обеспечивает обогрев до самых низких наружных температур без необходимости второго источника тепла. Основную тепловую нагрузку на отопление и горячее водоснабжение покрывают тепловой насос и солнечный коллектор. Солнечная энергия важна для энергосбережения благодаря её неисчерпаемости и экологичности. Небольшие солнечные системы, такие как коллекторы, накопительные баки и циркуляционные насосы, широко используются для обогрева домов. Характеристики солнечного коллектора для Кельбаджара приведены в Таблице 2.
Таблица 2. Результаты работы солнечного коллектора.
Параметр Значение Параметр Значение
Солнечная фракция 24,7% Энергия, отдаваемая коллекторной цепью 3 439 кВт-ч
Солнечная фракция для горячего водоснабжения 45,4 % Энергия, отдаваемая коллектором 3759 кВт-ч
эффективность солнечной системы 34,5 % Излучение активной солнечной системы 9733 кВт-ч
Для эффективного использования солнечной энергии в течение года и суток, а также для сглаживания колебаний потребления и производства тепла, необходим аккумулирующий бак на 750 л. Горячая вода поступает в бак от теплового насоса и солнечного коллектора. В периоды низкой солнечной инсоляции и понижения температуры воды использование солнечной энергии снижается, поэтому в предложенной схеме (рис. 1) вода из бака также подаётся в тепловой насос для нагрева.
Рис. 4. Тепловая нагрузка солнечного коллектора, теплового насоса и коэффициент преобразования теплового насоса по месяцам.
С мая по октябрь насос работает с минимальной нагрузкой, поскольку основную теплопередачу выполняет солнечный коллектор. Результаты моделирования приведены в таблице 3.
Увеличение загрязнения окружающей среды и теплового дисбаланса ведет к глобальным климатическим изменениям и природным катаклизмам. Рост содержания СОг в атмосфере усугубляет эти проблемы. Использование теплового насоса для отопления дома в Кельбаджаре может сэкономить 11 490 кВт-ч энергии и предотвратить 2 844 кг выброса СОг.
Система теплового насоса является экологически чистой, не сжигает ископаемое топливо и не выбрасывает вредные газы (СО, СОг, N0 х, SOг и др.). Использование этой системы снижает выбросы парниковых газов и тяжелых металлов, улучшая экологическую ситуацию. Тепловой насос безопасен для окружающих, работает бесшумно и не выделяет аллергенов в помещение.
Тепловой насос долговечен, срок службы компрессора - 30 лет, с возможностью легкой замены. Система обеспечивает комфорт, стабильную температуру и влажность, работает бесшумно, выполняя обогрев и охлаждение одним оборудованием. Она взрывозащищённая, пожаробезопасная, проста в эксплуатации и не требует особого ухода [4].
Таблица 3. Результаты симуляции.
Параметр Значение Параметр Значение
Произведенная Убытки
энергия (годовая): (годовые)
С тепловым насосом 10141кВт-ч (75%) Из накопительного
бака 417 кВт-ч
С котлом 0 Из солнечного бака
Из труб солнечного 83 кВт-ч
С солнечным коллектора в
коллектором 3356кВт-ч (25%) помещении
От наружных труб 267 кВт-ч
Электрическим солнечного
нагревателем 0 коллектора
54 кВт-ч
Потребляемая Солнечный контур:
энергия (годовая) Доля солнца
Автономное отопление Доля солнечной 24,7%
Горячее водоснабжение 8502 кВт-ч (64%) энергии в горячем
водоснабжении
4736 кВт-ч (35%) Радиация активной 45,4%
солнечной системы.
Энергия, отдаваемая
коллектором 9733кВт/час
3259 кВт/ч
1. ВЫВОД.
Опыт развитых стран подтверждает техническую, энергетическую и, при определённых условиях, экономическую эффективность тепловых насосов. Они являются экологически и экономически выгодным способом получения тепловой энергии. Рост тарифов на теплоносители сокращает срок окупаемости системы. Использование тепловых насосов снижает затраты на отопление зимой и охлаждение летом. С учётом темпов строительства в Нагорном Карабахе и
роста тарифов, ожидается высокий спрос на системы отопления с тепловыми насосами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Шерьязов С. К., Пташкина-Гирина О. С. Использование возобновляемых источников в сельском хозяйстве: учеб. пособ. для университетов. Челябинск: ЧГАА, 2013. 280 с;
2. Шерьязов С. К., Доскенов А. Х., Поливода Д. А. Использование теплонасосных установок в системе солнечного отопления // Достижения науки - агропромышленное производство: материалы LV international. науч.- техн. конф. Ч . 3. Челябинск : ЮРГАУ , 2016. с . 236-240;
3. DIN V 4701-10: 2003-08 Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen - Часть 10: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung
4. Промышленная теплоэнергетика: Справочник / общ. Эд. СРЕДНИИ. Клименко, В.М. Зорина. М., 2004. 632 с. Кн. 4;
5. Максимов В.И., Салум А. Математическое моделирование процессов теплообмена при работе теплонасосных систем с использованием геотермальной энергии // Изв. Томск. политехнический. десять. Инженерные ресурсы. - 2019. -Т.330, N 4. - С.126-135;
6. https://w.researchgateсеть/публикация/246344083_Gшund-Source_Heat_Pump_Systems-The_European_Experience;
7. Тепловые насосы - технологии и воздействие на окружающую среду. Июль 2005 г.: Часть 1;
8. Тепловые насосы Интеграция технологий для обезуглероживания отопления и охлаждения. Осень 2018;
9. Заключительный отчет по исследованию цепочки поставок производства тепловых насосов Исследование, проведенное Eunomia Research & Consulting Ltd по поручению Департамента бизнеса, энергетики и промышленной стратегии. Ноябрь 2020 г
Babayeva S.Sh.
Azerbaijan State University of Oil and Industry (Baku, Azerbaijan)
WAYS TO DECARBONIZE HEAT SUPPLY IN INDIVIDUAL RESIDENTIAL BUILDINGS
Abstract: in the present article, a scheme is proposed that provides heating and hot water supply to an individual house in the city ofKelbajar. To do this, the experience of developed countries was studied and the scheme of the heat supply system of the object under study was selected using computer modeling. The characteristic parameters of all the equipment included in the heat supply system were modeled and calculated using the GeoTSOL program.
The conversion coefficient of the heat pump is calculated. It was revealed that the working body of the ground probe is a 30% aqueous solution of glycol. The thermal load on the heat supply system is calculated. As a result of the simulation, the generated energy (annual), losses (annual), energy used (annual), solar circuit, and required power were calculated. The influence of the operation of the heat pump system on the environment is investigated and it is shown that it is an environmentally friendly heat supply system.
Keywords: heat supply, heat pump, decarbonization, modeling.
