CC BY
14ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМ АНАЛИЗ В АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ
THERMODYNAMIC ANALYSIS IN RENEWABLE ENERGY
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ РОССИИ
Ю.М. Петин
ЗАО «Энергия» ул. Демакова, 27, г. Новосибирск, 630128, Россия Тел: (383) 339-13-89, 335-67-19; факс (383) 339-13-89; e-mail: energy@online.nsk.su
Рассматриваются особенности развития теплонасосного теплоснабжения в России - одной из самых холодных стран мира. Обсуждаются термодинамические особенности тепловых насосов, используемых в большинстве развитых стран. Определяются основные термодинамические характеристики создаваемых за рубежом теплонасосных систем отопления и горячего водоснабжения, в основном автономных. Рассматриваются характерные отличия теплонасосных систем, которые должны создаваться и применяться в России, и показывается сложность прямого использования импортных тепловых насосов. Оцениваются полученные решения, позволяющие создавать уже в настоящее время высокоэффективные и конкурентоспособные тепловые насосы и теплонасосные станции даже в жестких климатических условиях в России.
THERMODYNAMIC ASPECTS OF HEAT PUMP APPLICATION UNDER THE CLIMATIC CONDITIONS OF RUSSIA
Yu.M. Petin
Closed Joint-Stock Company «Energia» Demakov str., 27, 630128, Novosibirsk, Russia Tel.: (383) 339-13-89, 335-67-19; fax: (383) 339-13-89; e-mail: energy@online.nsk.su
The features of heat-pump heat supply in Russia (one of the coldest countries in the world) are considered. Thermodynamic peculiarities of heat pumps, used in the most developed countries, are discussed. The main thermodynamic characteristics of the foreign heat-pump systems for heat and hot-water supply (mainly, autonomic ones) are determined. The typical differences of heat pump systems, which should be developed and applied in Russia, are considered, and the complexity of direct application of the foreign heat pumps is demonstrated. The solutions allowing current development of high-efficient and competitive heat pumps and heat pump plants under the severe climatic conditions of Russia are estimated.
f >
и
Ю.М. Петин
Сведения об авторе: канд. техн. наук, генеральный директор ЗАО «Энергия».
Образование: Московский энергетический институт (1958-1964); аспирантура с отрывом от производства ИФХИМС СО АН СССР (1966-1969).
Профессиональный опыт: 1969-1974 - ст. инженер, ст. научный сотрудник Ин-та теплофизики СО АН СССР; руководитель работ на Паратунской фреоновой ГеоЭС, Камчатская область; с 1991 - генеральный директор ЗАО «Энергия».
Область научных интересов: низкотемпературная энергетика: тепловые насосы, энергоустановки с низкокипящими рабочими телами.
Публикации: 34, в том числе в соавторстве 21.
Тенденции развития теплонасосной техники
Теплонасосное теплоснабжение из всех видов нетрадиционной энергетики является наиболее быстро развивающейся отраслью, и в некоторых развитых странах оно уже главный конкурент традиционной теплоэнергетики, основанной на сжигании органического топлива. Согласно прогнозам Мирового Энергетического Совета (МИРЭС) к 2020 году 75% потребного тепла для отопления жилья и горячего водоснабжения (ГВС) будет поступать от теплонасосных станций (ТНС). Этот прогноз успешно подтверждается. В настоящее время в мире работает около 40 млн
тепловых насосов (ТН) различной единичной мощности - от нескольких киловатт до сотен мегаватт [1, 2].
В США более 30% жилых домов (в основном индивидуальных) оборудованы тепловыми насосами. В Швеции, стране, которая является безусловным мировым лидером в сфере практического использования ТН, уже сейчас около 70% топливных потребностей страны по отоплению жилых зданий и ГВС обеспечивается от теплонасосных установок [3]. Здесь же в Стокгольме работают две самые крупные в мире ТНС на 320 МВт (1997 г.) и 200 МВт (2006 г.), использующие в качестве низкопотенциального источника тепла (НПИ) тепло воды Балтийского моря,
температура которого в отопительный период составляет всего 4-5° С. Эта вода охлаждается до +2° С и сбрасывается в море, а вырабатываемое в ТНС среднепотенциальное тепло с температурой около +45-47° С поступает в отопительную систему для централизованного отопления и ГВС.
При температуре наружного воздуха ниже -5° С эта вода подогревается до нужных температур теплом сжигаемого биогаза. Отмечается, что создание таких систем отопления в Швеции имеет для нее два положительных фактора: во-первых, себестоимость такого тепла примерно на 10-12% ниже себестоимости тепла от газовой котельной на природном газе, а во-вторых, значительно уменьшается потребность в импорте природного газа для целей теплоснабжения. Достаточно интенсивное развитие теплонасосного теплоснабжения и в других развитых странах - Канаде, Швейцарии, Японии, Франции, Норвегии и т.д., особенно в последние 15-20 лет - также подтверждает прогнозы МИРЭС.
Для реальной оценки современного состояния теп-лонасосной техники в России рассмотрим вначале интенсивность ее развития за двадцатилетний период (1986-2006 гг.) в Швеции, лидере в этой области техники, и в Финляндии - стране, в которой в начале рассматриваемого периода, как и в России, степень развития как производства, так и потребления теплона-сосной техники находилась на весьма низком уровне.
Швеция. Уровень продаж ТН на шведском рынке в рассматриваемый период испытывал значительные колебания (рис. 1).
Основная причина роста объема продаж в рассматриваемый период - рост цен на нефть, в результате чего стало выгодно переходить от жидкого топлива или электричества к тепловым насосам. Спад между 1991 и 1995 г. был вызван падением цен на нефть в этот период и отменой правительственных дотаций. Положительная тенденция после 1995 г. обусловлена ростом цен на нефть, который продолжается до настоящего времени, и возвращением субсидий правительства Швеции на переход от жидкого топлива/электричества к отоплению тепловыми насосами. В
Потребление энергии на отопление и горячее во
Energy consumption for central heating and hot
итоге ежегодный рост продаж ТН с 1995 по 2006 г. устойчив и составляет 10-15% (рис. 1), что является хорошей иллюстрацией того, насколько важна прямая или косвенная государственная поддержка для быстрого и стабильного развития весьма экономически эффективного теплонасосного теплоснабжения.
2003 2005 годы
Рис. 1. Развитие шведского рынка продаж тепловых насосов для жилых зданий Fig. 1. Swedish heat pumps for lodging houses sales market development
Финляндия. Финляндия была и остается «землей обетованной» для систем электроотопления. Большинство зданий, построенных в последние 30 лет, оснащены электрорадиаторами или полами с электроподогревом, что стало возможным благодаря дешевизне электричества, существовавшей в 80-90-е годы прошлого века. Еще и сейчас электричество является существенным энергоресурсом для отопления примерно 500000 домов.
Понятно, что в таких условиях еще 10 лет назад перспективы рынка ТН в Финляндии были весьма ограничены, и в то время только 1% новых домов отапливался тепловыми насосами. Сейчас этот рынок быстро расширяется, и уже в 2002 году общее число ТН в Финляндии достигло примерно 15000, из них 2000-3000 - это воздухо-воздушные ТН (табл. 1). Причинами такого бурного роста стали опережающий рост потребности в электроэнергии по сравнению с ростом ее производства, рост стоимости энергоресурсов, защита окружающей среды вкупе с уже отработанными надежными технологиями производства тепловых насосов.
Таблица 1
доснабжение для типового дома площадью 150 м2
ТаЬ1е 1
running water for a typical lodging house 150 m2
Системы отопления Потребление энергии (в год) Эксплуатационные расходы*, евро/год Кап. затраты**, евро Доля на рынке, %
1995 г. 2000 г. 2005 г.
Прямой электронагрев 20000 квт*ч 1300 7500 >70 30 20
Электроотопление с жидкостным теплоносителем 20000 квт-ч 1000 9500 <10 40 30
Котлы на жидком топливе 2500 литров 1300 12000 20 20 10
Тепловые насосы на удаляемом воздухе 11000 квт-ч 750 9000 0 < 1 15
Тепловые насосы на тепле грунта 6500 квт-ч 437 16000 <1 10 25
* стоимость электроэнергии - 0,065 евро/кВт-ч (0,05 евро/кВт-ч для электроотопления с жидкостным теплоносителем) ** поставка «под ключ» (цены на 01.01.1995 г.)
3
49
С точки зрения экономии электроэнергии возду-хо-воздушные ТН, активно внедряемые в Финляндии, - это весьма привлекательная дополнительная система для домов с уже имеющейся системой электроотопления.
ТН в такой системе может использовать в качестве НПИ тепловую энергию наружного воздуха вплоть до 4ар. возд. = -10° С и подавать нагретый воздух для отопления дома, но наиболее перспективным представляется использование в качестве НПИ смеси холодного наружного воздуха и удаляемого из дома воздуха с температурой 18-21° С. Вполне реально, используя воздухо-воздушные ТН вместе с традиционной системой электроотопления, экономить 2535% электроэнергии по сравнению с чисто электроотопительной системой.
Финляндия в области практического применения теплонасосной техники - быстроразвивающаяся страна, но далеко не лидер в этой области техники. Однако Россия по производству и применению ТН весьма существенно отстает от той же Финляндии, а главное, не видно реальных усилий по исправлению существующего положения.
Так, если в Финляндии за 10 лет запущено в эксплуатацию около 15000 ТН, то в России с 1992 г. по 2005 г. - только около 200 ТН отечественного производства и около 500 ТН импортных, применение которых в климатических условиях большей части России довольно часто связано со значительными трудностями. Между тем более жесткие климатические условия и более продолжительные отопительные периоды делают экономическую эффективность применения ТН в России намного более высокой, чем в странах Европы, США и Японии.
Теплонасосное теплоснабжение за рубежом
В большинстве развитых стран ТН применяются в основном для ГВС (около 60-70%), а использование отопительных ТН ограничено 30-40%; причем под отопительными здесь понимаются и ТН, используемые только в системе отопления, и ТН с совместным использованием для отопления и ГВС. Например, в Дании в 1995 г. работало 28000 ТН различной единичной теплопроизводительности, из которых 20000 ТН работали на ГВС и только 8000 на отопление [1], в то время как очевидно, что потребность в тепле для отопления намного больше, чем в тепле для ГВС, особенно в России и в других странах с большой продолжительностью отопительного периода. Так, например, в ЗАО «Энергия» было проанализировано более 1000 опросных листов, полученных от российских заказчиков за последние 10 лет, из которых выяснилось, что около 15% из них желают получать тепло от ТН только на отопление, а 85% хотят получить тепло и на ГВС, но в количестве не более 5-11% от общего бполезн. Еще одной особенностью теплонасосного теплоснабжения за рубежом является низкая температура горячей воды, по-
ступающей из ТН на отопление и ГВС; в подавляющем большинстве, не только за рубежом, но и в России [4], эта температура составляет 55° С,
максимум 60° С. т
Рис. 2. TS-диаграмма реального отопительного цикла теплового насоса Fig. 2. A TS-diagram of a real heating cycle for a heat pump
Проанализируем составляющие тепловой энергии, производимой ТН, с использованием TS-диа-граммы для реального отопительного цикла теплового насоса (рис. 2).
8-1 - процесс испарения рабочего тела, в рассматриваемом случае фреона R-12, путем использования тепла низкого потенциала (бнпи); 1-2 - регенеративный подогрев (брегенер.) насыщенных паров фреона теплом горячего жидкого фреона только для реального отопительного цикла ТН; 2-4 и 2-3 - соответственно адиабатическая и действительная работа сжатия паров фреона в компрессоре с затратой электроэнергии - (Ne); 3-5; 5-6 и 6-8' - соответственно тепло перегретого пара фреона, тепло конденсации насыщенного пара и тепло жидкого фреона ®Шропер; Q конденс? Q^^^); 0фр - расход рабочего тела в цикле ТН.
Все вырабатываемое ТН полезное тепло для отопления и ГВС состоит из трех слагаемых:
Qполезн Qn
> ^конденс ;^ж.фреона' (1)
Если с полезным использованием перегретых паров фреона:
Qn
. = О'з" - is") G,
фреон
и с использованием тепла конденсации:
Q-
= (is" - iV) G
фреон
(2)
(3)
нет никаких проблем, то использование тепла жидкого фреона:
Qж. фреона - 0У - i8") G фреон
(4)
для реального отопительного цикла является одной из основных термодинамических проблем ТН.
50
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
i? M
Количество тепла жидкого фреона, затрачиваемое на регенерацию, определяется из выражения:
Qp
- (/6" — il") бфреон - ОУ — i\") Сфреон- (5)
Регенерация в ТН, в отличие от регенерации в энерговырабатывающих установках, уменьшает энергетические и экономические показатели эффективности ТН, т.к. не является теплом, полезно используемым у потребителя, но наличие ее обязательно для осушения насыщенных паров фреона перед компрессорами с целью предотвращения их разрушения от гидроударов, особенно в поршневых компрессорах. Поэтому в реальном отопительном цикле ТН рассматривается не 0полезн, которое является теоретической производительностью, а 0ТП - тепло, переданное потребителю, между которыми существует связь в виде:
©ти - Q полезн. - Qp
(6)
Для оценки влияния полезного использования тепла жидкого фреона на эффективность работы ТН в целом необходимо определить долю тепла жидкого фреона в бполезн., вырабатываемого тепловым насосом (рис. 3).
70
50
30 -
10 -0
61,5
11,4 13515^7
54,6
i
*паров перегр
■»«жидкого фреона
° Тконд = 60; Ткип = 10 □ Тконд = 70; Тщ, = 10 ° Тконд = 80; Ткип = 10 "Тконд = 85; Ткип = 10
Рис. 3. Распределение вырабатываемой ТН полезной тепловой энергии при различных температурах конденсации, % Fig. 3. Distribution of useful heat power produced by a heat pump at different condensation temperature, %
Как видно из рис. 3, при увеличении температуры конденсации с 4онд = 60° С до 4онд = 85° С, что соответствует увеличению температуры горячей воды на выходе из конденсатора ТН с 55° С до 80° С, резко увеличивается количество тепла жидкого фреона с 27,2% до 39,3% от бпшкзн, использование которого у потребителя играет весьма важную роль в достижении высокой термодинамической эффективности работы ТН.
Максимальный коэффициент преобразования ТН определяется формулами:
Ф
мах. идеальн.
- ©полезнее - 1 + ©НИИ + QpereHep.)Ne; (5)
.льн. - ©ти/Ne - 1 + ©нии/Ne, (6)
фмах. |
где 6нпи = 0'Г - ¿в') Сфр = Гйкип Офр - максимальное количество тепла низкопотенциального источника, которое может быть использовано в ТН при заданной температуре кипения фреона в испарителе.
Данное выражение является определением коэффициента преобразования ТН, и, соответственно, оно применимо во всех случаях, но реально получение фмах возможно только в случае работы ТН на ГВС или в совместном отопительном и ГВС режиме, когда количество тепла, используемое потребителем на ГВС, равно всему количеству тепла жидкого фреона бжидк. фреона (рис. 3) при конкретной температуре конденсации.
Осуществление таких совместных отопительных и ГВС режимов возможно в единичных случаях, т.к. и в России, и в других странах с холодной и продолжительной зимой основная доля тепла требуется на отопление (в том числе и с достаточно высокой температурой - порядка 80-85° С), а на ГВС тепла требуется всего 5-11% от бполезн. В этих случаях тепло жидкого фреона в количестве от 15 до 30% от бполезн в современных ТН, работающих в основном на отопление, не может быть полезно использовано. Но коэффициент преобразования ТН существенно зависит как раз именно от того, происходит ли и до какой степени охлаждение горячего жидкого фреона после его выхода из конденсатора ТН, т.е. от того, какая доля тепла жидкого фреона может быть использована полезно.
Это охлаждение должно осуществляться перед дросселированием, например, в результате затрат тепла жидкого фреона на регенерацию (0регенер., рис. 2), на подогрев воды в системе ГВС, на использование в каком-либо технологическом процессе и т.д.; до температуры, обозначенной на рис. 2 точкой 7. В зависимости от температуры, до которой охлажден жидкий фреон, при его последующем дросселировании до давления в испарителе произойдет большее или меньшее его самовскипание.
Если обозначить полную теплоту парообразования фреона в испарителе через Г кип, 0У - /8'; рис. 2), то в зависимости от доли Х образовавшегося при дросселировании пара фреона (т. 8'; рис. 2) тепло, которое будет отобрано в испарителе ТН за один цикл, окажется пропорциональным Г кип (1 - Х). Величина Х может быть довольно большой даже при относительно низких температурах конденсации. Например, при 4онд = +60° С такую же температуру будет иметь жидкий фреон на выходе из конденсатора, а после охлаждения только за счет регенерации температура жидкого фреона перед дросселем (т. 7, рис. 2) составит +54,4° С, и при дросселировании жидкого фреона до давления, соответствующего температуре кипения +10° С, величина Х будет равна:
X - (i7'- i8')/(i1"- is')'100 - 29,93%.
(7)
С учетом сказанного выражение для коэффициента преобразования ТН в реальном отопительном цикле можно записать в виде [4]
ф = QтпlNe = 1 + ©фрГ( кип (1-Х)Офр А/действ =
= 1 + Г кип (1—Х)/А/действ. (8)
Q
ьЛ/Д
е m
51
Из выражения (8) видно, что максимальное значение фмах может быть получено при Х^-0. Это требование без затруднений выполняется при использовании ТН в системе ГВС, т.к. для ГВС используется питьевая вода, обычно имеющая низкую начальную температуру: +5-8° С - артезианская, +10-12° С -среднегодовая речная, которая чаще всего бывает ниже температуры кипения в испарителе, что дает возможность полностью полезно использовать всю теплоту жидкого фреона.
Термодинамические показатели работы ТН с рабочим телом Я-12 при различных удельных значениях полезного тепла, переданного потребителю (дт), т.е. при различных уровнях полезного использования тепла жидкого фреона, в зависимости от температур
конденсации представлены в табл. 2. Также в этой таблице представлены сроки окупаемости затрат на создание ТНС (п), являющиеся основными экономическими показателями эффективности, и данные по относительному снижению себестоимости теплона-сосного тепла по сравнению с теплоснабжением от угольной котельной (Кш = С-е™ тн/Степло котельн). Эти показатели рассчитаны на основании данных по стоимости теплового насоса, электроэнергии, тепла от котельной, продолжительности отопительного периода, существовавших на 01.03.2008 г. в г. Новосибир-
ске; С
= 0,04929 евро/кВт-ч; С
тепло от котельн.
= 17,9429 евро/Гкал; тотопит. Цта = 163043,48 евро/Гкал.
Термодинамические показатели работы ТН Thermal-dynamical heat pump work indicators
= 5448 часов/год;
Таблица 2 ТаЬ1е 2
№ п/п Термодинамические параметры Гконд, ° С при Тип = 10° С
60 65 70 75 80 85
1 2 3 4 5 6 7
1 Максимальная удельная выработка тепловой энергии в ТН, переданная потребителю qTn max — ^реген, кДж/кГ Цтп max 180,308 183,638 186,973 190,311 193,708 197,079
Щд = ^'действ 33,398 36,728 40,063 43,401 46,798 50,1694
Коэффициент преобразования ф 5,400 5,000 4,667 4,385 4,139 3,928
К = С tJC тн ^тепТН' ^теп котел 0,5916 0,6389 0,6845 0,7285 0,7718 0,8133
Срок окупаемости n, лет 4,084 4,619 5,287 6,144 7,308 8,932
2 Удельная выработка тепловой энергии в ТН, переданная потребителю при частичном использовании тепла жидкого фреона на ГВС Цтп max — ^реген + ^гв^ кДж/кг, 6,67 кДж/кг - реген; 18,6 кДж/кг - ГВС qm промеж 154,938 152,748 150,423 147,911 145,248 142,279
Щд = = ^'действ 33,398 36,728 40,063 43,401 46,798 50,1694
Коэффициент преобразования ф 4,640 4,159 3,755 3,408 3,104 2,836
К = С tJC тн ^тепТН' ^теп котел 0,6885 0,7681 0,8507 0,9374 Результат отрицат.
Срок окупаемости n, лет 5,354 7,192 11,172 26,644
3 Удельная выработка тепловой энергии в ТН, переданная потребителю с использованием тепла жидкого фреона только на регенерацию дтп, кДж/кг; 6,67 кДж/кг - реген. qm min 136,338 134,148 131,823 129,311 126,648 123,679
Щд = = ^'действ 33,398 36,728 40,063 43,401 46,798 50,1694
Коэффициент преобразования ф 4,082 3,653 3,290 2,979 2,706 2,465
Ктн = СтепТН/Степ котел 0,7825 0,8745 0,9710 Результат отрицат.
Срок окупаемости n, лет 7,669 13,290 57,514
Особенности использования тепловых насосов в России
Анализ данных табл. 2 позволяет сделать некоторые выводы, определяющие пути увеличения эффективности ТН, и объяснить некоторые существующие особенности их работы. Прежде всего, рассмотрим
52
зависимость коэффициента преобразования как функцию разности температур конденсации и кипения в реальном отопительном цикле ТН. В технической литературе, например в [5], эта зависимость ф = /(4онд - 4ип) обычно представляется в виде одной кривой, без указания, какому конкретно реальному отопительному режиму она соответствует. Можно
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
ISJIEI
только предположить, что практически у всех авторов эта зависимость относится к идеальному отопительному циклу, т. е. к режиму с теоретически максимальным полезным использованием у потребителя всего вырабатываемого в ТН тепла. Однако для всех конкретных реальных отопительных режимов в соответствии с той же табл. 2 следует, что значения ф (рис. 4) располагаются в области, ограниченной кри-
выми Q,
полезн. max
и Q
полезн. mm-
-Q,
полезн maxi
■ Qrn
■ Qпо.
Рис. 4. Зависимость коэффициента преобразования от разности температур конденсации и кипения в реальном отопительном цикле ТН при различных значениях доли полезного использования тепла, выработанного в ТН Fig. 4. Conversion coefficient dependency on condensation and boiling temperatures difference in a real heating cycle for a heat pump at different parts of effective heat usage produced in a heat pump
В частности, для рассмотренного режима с дГВС = 18,6 кДж/кГ, или 10,3% от полезн общ. При 4онд = 60° С (строка 2 табл. 2) значения ф определяются кривой бпромежут., которую нетрудно построить, зная требуемое значение QrBC.
Кроме того, анализ табл. 2 позволяет понять, почему подавляющее большинство зарубежных и отечественных [4] ТН работает в отопительном режиме с низкими температурами конденсации 4онд = 60-65° С, получая горячую воду для отопления с температурой в лучшем случае 55-60° С. Для этого необходимо вначале установить критерии, определяющие эффективность ТН, и величины этих критериев. Нет сомнения, что таких критериев два:
- энергетический, определяющий минимально допустимый коэффициент преобразования - ф;
- экономический - максимальный срок окупаемости - n лет.
Из табл. 2 не составляет труда определить величины этих критериев, т.к. такими критериями являются максимальные значения ф и минимальные значения n при работе ТН в худшем режиме - при полном неиспользовании тепла жидкого фреона (строка 3, столбец 2).
В этом режиме ф = 4,082 и n = 7,669 лет. Из этого следует, что энергетический критерий - величина коэффициента преобразования - должна быть ф > 4,0, а экономический критерий - срок окупаемости -n < 8 лет. Все режимы работы ТН, обеспечивающие эти параметры, в табл. 2 выделены тонированием. В
реальных отопительных циклах наибольшую эффективность имеют режимы, работающие при почти полном практическом использовании тепла жидкого фреона (строка 1), однако этих режимов легко достигнуть только при работе ТН в режиме ГВС, и естественно, что с целью получения максимального экономического эффекта потребители прежде всего стремятся применять ТН в системе ГВС, хотя потребность в тепле для ГВС значительно меньше потребности в тепле для отопления.
В реальном отопительном цикле ТН с частичным полезным использованием тепла жидкого фреона (строка 2) или полностью без полезного его использования (строка 3) область применения ТН, при которой достигается заданная экономическая и термодинамическая эффективность, существенно ограничивается:
- при частичном полезном (10-12% от Qп0лезн) использовании тепла жидкого фреона для ГВС максимально допустимая температура конденсации составляет 4онд = 65° С;
- при полном отсутствии полезного использования тепла жидкого фреона максимально допустимая / = 60° С
конд
При увеличении температур конденсации в этом реальном отопительном режиме выше 4онд = 60-65° С резко ухудшаются экономические показатели работы ТН. Например, при 4онд = 75° С - режиме, достаточно экономически эффективном при полном использовании тепла жидкого фреона (ф = 4,385; п = 6,144 года) (строка 1, столбец 5), а при полном его неиспользовании работа ТН становится бессмысленной с экономической точки зрения (ф = 2,979; срока окупаемости нет, т.к. экономический эффект от применения ТН в отопительном режиме отрицательный).
Столь серьезные изменения экономических показателей при работе ТН в одном и том же отопительном режиме (4онд = 75° С; 4ип = 10° С; рабочее тело Я-12) при единственном различии, а именно, в разной доле полезно используемого тепла жидкого фреона, лишний раз подтверждают тезис о весьма значительном влиянии этого фактора на экономическую эффективность применения ТН.
Оценим эффективность отопления при максимальной температуре сетевой воды для отопления 4ор. воды = 55-60° С на основе данных табл. 3, показывающей, какое соотношение температур прямой и обратной воды, входящей и выходящей из отопительных приборов (радиаторы или конвекторы), должно быть при различных температурах наружного воздуха в соответствии со СНиП. Из этой таблицы видно, что при максимальной температуре прямой сетевой воды 4ор. воды = 55° С радиаторное или конвекторное отопление может работать только в интервале температур наружного воздуха 4ар. возд. = +8...-3° С. Такая температура наружного воздуха в Баку и Кишиневе будет в течение 96,6% продолжительности отопительного периода; в городах Кемерово, Новосибирск, Магни-
t -1 'конд 'кипен
3
Ж
.и: -
53
тогорск - 30-33%; городах Норильск, Мирный, ного периода. В Восточной и Западной Сибири ТН Якутск - 24-25%; в Дудинке - 18,5%. сможет замещать традиционное отопление от ТЭЦ и
То есть только в самых южных районах стран котельных только в пределах 30-33%, а на Крайнем СНГ возможна полная замена традиционного ото- Севере - 18,5% продолжительности отопительного пления на теплонасосное в течение всего отопитель- периода.
Таблица 3
Температурный график для отпуска тепла в зависимости от температуры наружного воздуха
(отопительный сезон)
ТаЬ1е 3
Thermal schedule for heat release depending on the outer air temperature (heating season)
Температура, °С +8 +7 +6 +5 +4 +3 +2 +1 0 -1 -2 -3
Пр. сетевой воды Т1 75 75 75 75 75 75 75 75 75 75 80 82
Обр. сетевой воды Т2 37 38 39 40 40 40 41 41 41 42 43 43
Смеш. после элеватора Т3 50 51 51 52 52 52 52 53 53 54 54 55
Прямой сетевой воды при скорости ветра, м/сек 5 Т,5 75 75 75 75 75 75 75 75 75 75 80 82
10 Т1ю 75 75 75 75 75 75 75 75 75 78 80 84
15 15 Т 1 75 75 75 75 75 75 75 75 75 78 80 87
20 т 20 Т 1 75 75 75 75 75 75 75 75 75 80 85 90
-4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 -13 -14 -15
Пр. сетевой воды Т1 84 87 89 92 94 97 99 99 99 99 99 100
Обр. сетевой воды Т2 44 45 46 47 47 48 49 50 51 52 53 54
Смеш. после элеватора Т3 57 58 59 61 62 63 64 65 66 67 68 69
Прямой сетевой воды при скорости ветра, м/сек 5 Т15 86 90 92 95 97 100 103 103 103 103 103 104
10 Т1ю 90 93 95 98 100 103 106 106 106 106 106 108
15 Т115 92 96 98 101 103 106 109 109 109 109 109 112
20 20 Т 1 95 99 101 104 106 109 113 113 113 113 113 113
Примечание: 1. Допустимое превышение температуры обратной воды не более 2° С.
2. Понижение температуры обратной сетевой воды не ограничивается.
3. Снижение температуры прямой воды на 4° С вызывает понижение температуры воздуха внутри отапливаемых помещений на 1° С.
Продолжительность использования ТН практически во всех регионах может быть значительно увеличена, но только при замене радиаторно-конвектор-ного отопления на панельное, например, на потолоч-но-напольное, и только в зданиях с пониженными теплопотерями (1000 мм - толщина стен из кирпича; трехслойное остекление; частичное рекуперативное использование вентиляционного тепла: тепловые завесы и т.п.), т.е. в условиях России в новостройках и дорогих элитных домах. Но большинство жилых домов в нашей стране панельные, с большими тепловыми потерями, в которых использовать панельные системы отопления было почти невозможно и ранее, невозможно и сейчас. Это подтверждается отрицательным опытом потолочно-напольного теплонасос-ного отопления на Камчатке [8]. Весной 1971 г. в пос. Термальном Елизовского района Камчатской области была сдана в эксплуатацию ТНС, состоявшая из трех НТ-25000, суммарной теплопроизводи-
тельностью около 0,12 Гкал/час на сбросных водах тепличного комбината (/НПИ ~ +40° С). Эта ТНС предназначалась для отопления 48-квартирного дома типовой серии 1-307С-8 из керамзитобетонных плит с потолочно-напольным отоплением, собранного в сейсмоустойчивом варианте, с расчетными тепловыми потерями в зависимости от температуры наружного воздуха, представленными в табл. 4.
Таблица 4
Зависимость тепловых потерь от температуры наружного воздуха
ТаЪк 4
Heat loss dependence on the outer air temperature
¿нарв^^ °С -25 -20 -15 -10 -5 0 +5 +8
QтП, Гкал/ч 0,120 0,106 0,093 0,078 0,063 0,051 0,036 0,023
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
Время стояния наружных температур от +8° С до -15° С составляло в этом регионе 97,3% от продолжительности отопительного периода, а фактическая максимальная теплопроизводительность ТНС составила 0,111 Гкал/ч, что было достаточно для отопления и ГВС даже при температурах наружного воздуха ^нар. возд. < 20 С.
Однако реально уже при температуре наружного
воздуха tm
- -10° С при полном отсутствии вет-
ровой нагрузки температура в помещениях опускалась до +15-16° С, а при 4ар. возд. = -15° С - до +1314° С, а так как тепловая мощность ТНС замерялась, стало очевидно, что это происходит из-за увеличенных, по сравнению с расчетными, теплопотерь здания. В течение двух лет проводились различные утеплительные мероприятия, но поднять температуру в помещениях удалось не более чем на 1-2° С. В итоге панельная система отопления была заменена на радиаторную.
Полное замещение традиционного отопления те-плонасосным в большинстве регионов России может происходить в течение незначительной части отопи-
тельного периода, а затем ТН или выключается, или еще часть отопительного периода работает совместно с традиционной системой отопления, но в любом случае весь период стояния самых низких температур наружного воздуха должна работать одна традиционная система (электроотопление, котельные на биогазе, угле, жидком топливе и т. д.). Предельной температурой наружного воздуха, до которой еще может работать ТН совместно с традиционной системой отопления, является /нар. возд. = -13° С (табл. 3). Почему именно до -13° С? Дело в том, что при этой температуре наружного воздуха доля нагрузки ТН в совместной системе отопления составит 20%, а нагрузка традиционной системы отопления - 80%. Регулировка по теплопроизводительности у наиболее совершенных ТН находится в пределах 20-100%, т.е. с теплопроизводительностью ниже 20% ТН работать не может, и при достижении (/нар. возд. = -13° С) 20%-й теплопроизводительности вынужден будет остановиться. Распределение режимов отопления в совместной системе теплоснабжения для климатических условий Новосибирска представлено на рис. 5.
+8° С
-3° С
-13° С
-39° С
Рис. 5. Долевое участие различных режимов отопления в течение отопительного сезона в совместной системе теплоснабжения (ТСН плюс традиционное отопление от угольной котельной) Fig. 5. Different heating regimes participating shares in the heating period of a combined heat supply system (the described HPS
and the traditional carbon one)
Из этого рисунка видно, что время работы каждой из отопительных систем в течение отопительного периода (в пределах погрешности ± 5%) примерно равно - по 50% каждая система - и составляет 2724 ч/год. А это означает, что, так как продолжительность отопительного периода для каждой из отопительных систем составляет ровно половину годового отопительного периода, естественно, ровно наполовину сокращается годовой экономический эффект и срок окупаемости ТНС увеличивается также ровно в 2 раза при всех температурах конденсации и при всех уровнях полезного использования тепла жидкого фреона, представленных в табл. 2. Кроме того, при такой системе совместного теплоснабжения -теплонасосной и традиционной, например, котельной на жидком топливе - капзатраты увеличиваются почти в два раза, а с учетом еще 2-кратного увеличения срока окупаемости за счет 2-кратного сокращения периода работы в течение отопительного периода каждой из систем отопления происходит почти 4-кратное увеличение срока окупаемости по сравнению с результатами по срокам окупаемости, представленными в табл. 2, что можно проверить аналогичным расчетом по материалам табл. 1.
Анализ возможностей применения ТН для отопления в климатических условиях России и усовершенствование цикла ТН
Максимальную экономическую эффективность имеют ТН, работающие в системе ГВС, из-за того, что в этом режиме представляется возможность передать потребителю все тепло, выработанное в ТН, и, соответственно, получить максимальный коэффициент преобразования и минимальный срок окупаемости. Кроме того, режим работы ТН в системе ГВС никак не зависит от климатических условий региона, и поэтому в таком варианте может использоваться любой тепловой насос без каких-либо термодинамических усовершенствований.
Совершенно иная ситуация с использованием тепловых насосов в системах отопления, т.к. здесь зависимость эффективности ТН от температур наружного воздуха является решающей.
Климатические условия в России достаточно жесткие:
- минимальные температуры наружного воздуха практически во всех регионах находятся в интервале следующих отрицательных температур /нар. возд. тш = = -30.-58° С;
3
55
- продолжительность «теплого периода» ?нар.возд.тт = = +8...-7° С составляет 18-50% от продолжительности отопительного периода.
Если принять, что величины критериев эффективности парокомпрессорного ТН равны:
- энергетический, коэффициент преобразования ф > 4,0;
- экономический, срок окупаемости п < 8 лет, то из табл. 2 становится ясно, что в реальном отопительном режиме, т. е. при частичном использовании тепла жидкого фреона (строка 2, столбцы 2 и 3) или полном его неиспользовании режимы работы ТН, обеспечивающие указанные критерии эффективности, ограничиваются /К0Нд. = 60-65° С (/прям. сетев. вода отопл. 55-60° С). При таких температурах прямой сетевой воды для отопления при использовании только теплового насоса возможно при интервале температур наружного воздуха /нар. возд. = +8.-7° С (табл. 3), число часов стояния которых составляет только часть от продолжительности всего отопительного периода. Например, в Новосибирске «теплый период» составляет около 40%. В остальное время, причем в самое холодное, продолжать отапливать объекты полностью ТН не сможет, т.к. для этого потребуется прямая сетевая вода для отопления с температурой значительно большей, например, 7080° С, при которой себестоимость теплонасосного тепла на отопление выше стоимости традиционного тепла. Как же быть в подобной ситуации? Представляется очевидным, что наиболее простой путь - это использовать совместное отопление (теплонасосное плюс традиционное) до /нар. возд. = -13° С (рис. 5), а при дальнейшем понижении температуры наружного воздуха ТН отключать и переходить полностью на традиционное отопление от ТЭЦ или котельной. Кажется, найдено хорошее решение! Но, к сожалению, это только кажется. В этой работе показано, что при такой совместной системе отопления примерно в 4 раза увеличивается срок окупаемости и для такого экономически приемлемого режима, который представлен на пересечении строки 2 и столбца 3, составит не 7,192, а около 29 лет, что близко к пределу работоспособности каждой из совместных отопительных систем. Короче говоря, такая совместная система отопления просто экономически нецелесообразна.
Отсюда следует вывод, что в реальном отопительном режиме использование ТН как единственного средства отопления в течение всего отопительного периода для климатических условий России невозможно.
Создание универсального теплового насоса с равной эффективностью работы как в системе ГВС, так и в реальной системе отопления
Для создания универсального теплового насоса вначале необходимо определить принципиальные пути термодинамического усовершенствования ТН.
1. Безусловно, при создании ТН, высокоэффективного в системе отопления, необходимо отойти от отопительной системы ТН, базирующейся только на оборотной радиаторно-конвекторной системе отопления, т. к. высокая температура обратной сетевой воды, намного превышающая температуру кипения фреона, не позволит максимально полно использовать тепло жидкого фреона.
2. Традиционные поиски путем полезного использования тепла жидкого фреона на нагрев воды для ГВС бесперспективны из-за большого количества тепла жидкого фреона, особенно при больших температурах конденсации фреона, намного превышающего потребности тепла на ГВС, и поэтому должны исследоваться альтернативные решения.
3. Необходимо уходить в реальном отопительном ТН от высоких температур конденсации, т.к. независимо от каких-либо предвходящих факторов коэффициент преобразования ф = /(/конд - /кип) существенно снижается при росте разницы температур конден-
сации и кипения, и при /,
¿к
конд '■кип
■ 80° С в реальных отопительных режимах коэффициент преобразования будет не выше ф = 2,5-2,7.
4. Необходимо, чтобы ТН, работающий в реальном отопительном режиме, состоял из двух автономных отопительных контуров:
- замкнутая - оборотная радиаторно-конвектор-ная система отопления с циркуляцией сетевой воды;
- разомкнутая - расходная система отопления, работающая на использовании тепла жидкого фреона.
Анализ этих путей создания универсального ТН, несмотря на некоторую взаимную противоречивость пунктов, выявил возможность создания универсального ТН, удовлетворяющего всем перечисленным требованиям.
В течение нескольких лет в ЗАО «Энергия» проводились исследования по поиску путей создания и конструкции универсального ТН и его отдельных узлов. В конечном итоге такой ТН был создан и экспериментально проверен.
Основные отличия этого универсального ТН, назовем его УТН, от теплового насоса обычной конструкции следующие:
1. УТН, в отличие от ТН, имеет два теплоносителя, отбирающих тепло, производимое в нем, и передающих его потребителю; один теплоноситель -жидкость (вода) и второй теплоноситель - газ (наружный воздух).
2. Соответственно, УТН имеет и две отопительные системы. Первая - это обычная замкнутая ра-диаторно-конвекторная система отопления на обычной оборотной сетевой воде, т. е. система обычного ТН, работающего в реальном отопительном режиме. Вторая - разомкнутая воздушная отопительная система, состоящая из воздухоподогревателя, в котором воздух нагревается до температур 45-70° С теплом жидкого фреона и подается потребителю на воздушное отопление помещений.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
3. Первая система отопления - водяная радиа-торно-конвекторная - использует в основном тепло перегретых паров фреона и тепло конденсации
бполезн. водяная = Оэ" - О^фр, а вторая - воздушная -на нагрев воздуха использует тепло жидкого фреона
бполезн. воздуш. - (¿7 ' - О^фр.
4. Основное отличие систем УТН в том, что в замкнутой радиаторно-конвекторной системе отопления охлажденная в отопительных приборах сетевая вода возвращается в конденсатор ТН или УТН, а в разомкнутой воздушно-отопительной системе нагретый воздух подается в помещения для отопления; и охлажденный в этих помещениях до 20-21° С воздух через различные устройства утилизации тепла удаляется в окружающую среду. Системы утилизации зависят от температуры окружающей среды. В частности, при /нар. возд. - +8.-10° С утилизация осуществляется в смесителях, где воздух, удаляемый из помещения, в необходимой или допустимой пропорции смешивается с наружным воздухом, нагревая его, а при /нар. возд. - -10.-40° С утилизируется в воздухо-воздушных теплообменниках.
Такой универсальный тепловой насос имеет целый ряд существенных преимуществ перед обычным ТН, хотя конструктивно он имеет дополнительный узел - воздухоподогреватель и существенно измененную систему автоматики.
Главное преимущество УТН в том, что в нем полезно используется все тепло жидкого фреона на нагрев воздуха. В итоге режим работы УТН становится максимально эффективным (строка 1 табл. 2), т.е. будут достигаться максимальные значения коэффициентов преобразования и минимальные сроки окупаемости, естественно, при соответствующих температурах конденсации.
Еще одно важное преимущество УТН против ТН заключается в том, что режим отопления в ТН определяется температурами наружного воздуха. При понижении температуры наружного воздуха должна увеличиваться требуемая температура сетевой воды на входе в систему отопления (табл. 3); это приводит к увеличению температуры конденсации и, соответственно, к уменьшению коэффициента преобразования и увеличению срока окупаемости, т.е. к снижению эффективности работы ТН. В итоге налицо противоречие: при использовании ТН при низких температурах наружного воздуха необходимо увеличивать параметры теплоносителя на входе в отопительные приборы, расширяя таким образом пределы теплонасосного теплоснабжения до значительно более низких температур, но при этом существенно сокращается и количество тепла, отпускаемого потребителю, и снижается эффективность работы ТН (табл. 2). То есть чем выше параметры сетевой воды, чем ниже температура наружного воздуха, при которой может работать ТН, тем хуже с точки зрения полезной теплопроизводительности и эффективности он работает.
УТН лишен этого недостатка, т. к. работает при постоянной и низкой температуре конденсации (¿конд = 65-70° С) и при постоянной и низкой температуре воздуха, подаваемого на отопление (возд. отопл. -- 50-55° С) независимо от температуры наружного воздуха. Это связано с тем, что эффективность прямого воздушного отопления много выше радиатор-но-конвекторного, и воздух на отопление с температурой +50° С осуществляет отопление эффективнее, чем сетевая вода в радиаторах, имеющая температуру +80° С.
Расчеты показали, что самый эффективный режим работы УТН на отопление таков. Радиаторно-конвекторное отопление независимо от температуры наружного воздуха должно осуществляться при температуре конденсации, не превышающей 4онд -65-70° С, т.е. при температуре горячей сетевой воды с 4етев. прямой воды - 60-65° С. Это базовый нагрев, и он будет поддерживать температуру в помещении на уровне 14-18° С независимо от температуры наружного воздуха. Затраты тепла на этот базовый нагрев должны составлять около 65-70% от бполезн. выработ. в ТН. Здесь необходимо отметить, что переход полностью на воздушное отопление, что возможно при замене конденсатора с межтрубной конденсацией фреона на вертикальную внутритрубную, не является положительным решением потому, что при полностью воздушном отоплении потребуется несообразно большое количество горячего воздуха прежде всего из-за его малой теплоемкости: Ср возд ~ 0,24 кДж/кг.
При 4онд - 65° С возможно получение воздуха с температурой 4озд. отопл. - 50° С и воздушного тепла в количестве примерно 30% от бполезн.Уш. Наличие воздуха с такой температурой и в таком количестве достаточно для поднятия температуры в помещении с 14-18° С до 20-21° С вне зависимости от температуры наружного воздуха в течение всего отопительного периода.
Выводы
1. Универсальный тепловой насос, работающий одновременно с двумя типами теплоносителей (оборотная вода и наружный воздух), позволяет достигать максимальной эффективности при работе в чисто отопительном режиме, даже в жестких климатических условиях России, полностью замещая при этом традиционное отопление в течение всего отопительного периода.
2. Работа УТН одновременно с двумя теплоносителями не требует высокой температуры прямой сетевой воды (не более 4ет.гор.вода - 55-65° С, 4онд. - 6070° С) независимо от температуры наружного воздуха в течение всего отопительного периода.
3. Работа УТН с относительно низкими температурами конденсации позволяет достигать высоких значений коэффициента преобразования и малого срока окупаемости даже при относительно низких температурах кипения рабочего тела в испарителе, порядка /кип. - +5-10° С.
4. УТН, полностью замещая традиционное отопление в течение всего отопительного периода, может успешно отапливать объекты даже с повышенными теплопотерями путем изменения соотношения ботопит. вода/ботопит. воздушн. в пользу последнего, используя на нагрев воздуха кроме тепла жидкого фреона часть тепла прямой сетевой воды.
Возможность полного замещения УТН традиционного отопления в тяжелых климатических условиях в течение всего отопительного периода с высокой энергетической и экономической эффективностью и является фактором, определяющим универсальность УТН.
Список литературы
1. Проценко В.П. // Теплоэнергетика. 1988. № 3. С. 18-22.
2. Янтовский Е.И., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы. М.: Энергоатомиздат, 1989.
3. «Инженер». 2002. № 2. С. 2.
4. Бутусов В.А. Перспективы применения тепловых насосов // Промышленная энергетика. 2005. № 10.
5. Быков А.В., Калнинь И.М., Крузе А.С. Холодильные машины и тепловые насосы. М.: Агропром-издат, 1988.
6. Москвичева В.Н., Петин Ю.М. Использование тепловых насосов в опытной системе геотермального теплоснабжения жилой зоны п. Термальный Камчатской области / Сб. «Использование фреонов в энергетических установках». Новосибирск: Институт теплофизики СО АН СССР, 1974.
7. Бурдуков А.П., Петин Ю.М. Технология использования геотермального и сбросного тепла предприятиями // «Проблемы нетрадиционной энергетики», материалы научной сессии Президиума Сибирского отделения РАН, Новосибирск. 2005.
8. Петин Ю.М. Новое поколение тепловых насосов для целей теплоснабжения и эффективность их использования в России // Перспективы энергетики. 2004. Т. 8. С. 27-38.
9. Манюк В.И., Каплинский Я.И., Хиж Э.Б. и др. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей. Справочник. М.: Стройиздат, 1978.
POWER-GEN MIDDLE EAST 2009 -БЛИЖНЕВОСТОЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ВЫСТАВКА И КОНФЕРЕНЦИЯ
POWER-GEN
MIDDLE EAST
КГ JIM» С"<
Время проведения: 17.02.2009 - 19.02.2009
Место проведения: Бахрейн, Манама
Темы: Электроника и электроэнергетика, Энергетика
POWER-GEN Middle East 2009 пройдет на территории международного выставочного центра г. Манама. Выставка проводится под патронажем Премьер-министра Королевства Бахрейн Его Высочества Коронованного Принца шейха Халифа Салмана аль-Халифа. Выставка и конференция POWER-GEN Middle East начала свою историю с 2002 г. и призвана стать наиболее важным мероприятием электроэнергетики.
Основными посетителями POWER-GEN ME являются представители высшего эшелона власти, общественных и частных организаций и компаний, которые, как правило, выдают разрешение на покупку или оказывают влияние на покупку продукции мирового класса и ее обслуживание. Производители и поставщики оборудования. Это специалисты таких профилей, как энергосистемы широкого профиля, ТЭЦ, комплектующие изделия, энергетические установки, разработка, менеджмент проектов, жидкое, газовое топливное хозяйство, архитектура, инженерное строительство.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 7 (63) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
