CC BY
52
7/)П11 ВЕСТНИК _7/2011 МГСУ
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА ПОТРЕБЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНУЮ ТЕПЛОТУ
ГРУНТА
THE EFFECT FROM THE HEAT CONSUMPTION MOD TO EFFICIENCY OF HEAT PUMP, WHICH USE LOW POTENTIAL
GROUND HEAT
В.М. Кротов V. Krotov
Пермский НИПУ
Рассматривается сравнение двух режимов работы тепловых насосов использующих низкопотенциалъную теплоту грунта. В первом режиме тепловая энергия расходуется для нужд горячего водоснабжения (ГВС), во втором режиме в низкотемпературной системы отопления.
Comparison of the two operating modes of of heat pump which use low potential ground heat are considered. In the first mode the thermal energy is used for the hot water supplying, in the second for in the low-temperature heating system.
Разработка современных систем теплоснабжения должна осуществляться с использованием высокоэффективных технологий и решений, в том числе с применением возобновляемых источников энергии, что подтверждается Федеральным Законом «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» 261-ФЗ. Одним из наиболее доступных возобновляемых источников энергии является низкопотенциальная теплота грунта.
Система теплоснабжения, использующая низкопотенциальную теплоту грунта, включает три основных элемента - первичный контур 1, тепловой насос 2, вторичный контур 3 (рис. 1). В первичном контуре происходит отбор теплоты от грунта, во вторичном контуре - передача теплоты внутреннему воздуху помещения или воде поступающей в систему ГВС.
При длительной работе рассматриваемых систем температура грунта в области расположения ВГТ постепенно понижается, что приводит к уменьшению их линейного теплого потока. При одинаковых внешних условиях и характеристиках ВГТ изменение линейного теплового потока с течением времени будет зависеть от режима потребления тепловой энергии.
Обычно теплота, получаемая от теплового насоса, используется как для низкотемпературной системы отопления, так и для системы ГВС. Рассмотренные далее варианты, в которых потребителем теплоты является лишь одна из систем, необходимы для более наглядного представления влияния режимов потребления тепловой энергии на работу теплового насоса и первичного контура
ВЕСТНИК 7/2011
Рис. 1. Схема системы теплоснабжения использующей низкопотенциальную энергию
земли: 1 - первичный контур; 2 - тепловой насос; 3 - вторичный контур; 4 - ВГТ; 5 - система отопления; 6 - бак аккумулятор; 7 - система горячего водоснабжения; 8 -испаритель теплового насоса; 9 - конденсатор теплого насоса
Потребление тепловой энергии системой ГВС практически постоянно в течение года, но имеет суточную неравномерность. Выравнивание суточной неравномерности производится с помощью бака-аккумулятора, рассчитанного исходя из объема суточного водопотребления. Таким образом, при расчете ВГТ условно можно считать, что тепловой насос работает непрерывно, постепенно нагревая воду в баке-аккумуляторе. Зависимость линейного теплого потока ВГТ от времени, при использовании тепловой энергии для нужд ГВС, показана на рисунке 2 (кривая - 1). Методология математической модели, с помощью которой производилось моделирование изменения линейного теплого потока, представлена в работе [1].
q, Вт/м 60 55 50 45 40 35 30
20
2
__
1 / \
"р
Рис. 2. Зависимость линейного теплого потока от времени
эксплуатации: 1 - при потреблении теплоты системой ГВС; 2 - при потреблении теплоты системой отопления
О 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Бремя эксплуатации, сут
10
1,4 -6,3 -12,7 -15,3 -13,4 -6,9 2,6 Температура наружного воздуха , РС
10
7/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
При отоплении зданий возникает сезонная неравномерность потребления теплоты, в результате которой тепловой насос работает постоянно лишь в наиболее холодные дни отопительного периода. В остальное время наблюдается периодические включения/выключения теплового насоса, продолжительность которых зависит от температуры наружного воздуха. В результаты непостоянной работы теплового насоса температура грунта вокруг ВГТ снижается не так интенсивного, как в предыдущем варианте, что непосредственно отражается на изменении линейного теплового потока (рис. 2, кривая - 2). Повышение линейного теплого потока ВГТ во второй половине отопительного периода связано с увеличением продолжительности отключений теплового насоса, в результате которых температуры грунта вокруг ВГТ частично восстанавливается за счет переноса теплоты от более удаленной части грунтового массива.
Расчетное значение линейного теплового потока др, по которому производится подбор ВГТ, практически одинаково для обоих вариантов, но для второго варианта большую часть времени наблюдается превышение фактического значения линейного теплового потока над расчетным. Запас тепловой мощности дает возможность для повышения температуры теплоносителя на входе в первичный контур, уменьшая линейный тепловой поток ВГТ, но повышая коэффициент преобразования (КОП) теплого насоса. Зависимость температуры теплоносителя на выходе из первичного контура и КОП теплого насоса, при регулировании его работы подобным образом, от времени эксплуатации приведена на рис. 3 (при расчете КОП температура теплоносителя на выходе из конденсатора принималась 50 °С).
Несмотря на существенное расхождение линейного теплого потока ВГТ (до 25 Вт/м) в сравниваемых вариантах, наибольшие различие между КОП теплого насоса составляет всего 5 %. Незначительное изменение КОП связано с резким снижением линейного теплового потока при понижении температуры теплоносителя на входе в ВГТ (в рассматриваемых вариантах снижение линейного теплового потока составляет 2,5 Вт/м на 1 °С).
а)
К
4 3 2 1 О -1
1
/ 2
О 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Время эксплуатации, сут
Рис . 3. Зависимость температуры теплоносителя на выходе из первичного
контура (б) и КОП теплого насоса (а) от времени эксплуатации: 1 - при потреблении теплоты системой ГВС; 2 - при потреблении теплоты системой отопления
ВЕСТНИК 7/2011
Следует отметить, что даже несущественная разница между КОП может повлиять на расчет экономической эффективности систем теплоснабжения использующих низкопотенциальную теплоту грунта. В первую очередь это связано с большим сроком окупаемости.
Литература
1. Кротов В.М. Совершенствование расчета вертикальных грунтовых теплообменников систем теплоснабжения / В.М. Кротов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. - Волгоград, 2009. - Вып. 15(34). - с. 129-134.
References
1. Krotov V.M. Vertical ground heat exchangers of heat supply system calculation advance / V.M. Krotov // Bulletin of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering Series: Civil Engineering and Architecture. - Volgograd, 2009, - Vol.15(35). - p. 129-134.
Ключевые слова: вертикальные грунтовые теплообменники, тепловые насосы, система теплоснабжения, режим потребления тепловой энергии.
Key word: vertical ground heat exchangers, heat pumps, heat supply system, heat consumption
mod.
e-mail: krotov10@gmail.com
