VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

В статье рассмотрено математическое моделирование нестационарного процесса изменения температуры внутреннего воздуха для здания, оборудованного энергоэффективной системой теплоснабжения с применением теплового насоса, предназначенной для покрытия нагрузки ГВС в неотопительный период.

Ключевые слова: Энергосбережение, тепловой насос, горячее водоснабжение, малозатратность, моделирование.

The article deals with mathematical modeling of unsteady process of changing the temperature of the internal air of the building, equipped with energy-efficient heating system with a heat pump, designed to cover the DHW load in non-heating period.

Keywords: Energy saving, heat pump, hot water, low-cost, modeling.

Одним из приоритетных направлений в развитии технологий энергосбережения, для ведущих стран мира, является разработка и внедрение технологических решений с использованием теплонасосных установок (ТНУ) [3,8,11]. Российская теплоэнергетика также уделяет значительное внимание ТНУ [1,4,6]. При этом в текущих экономических и политических условиях интерес исследователей и обычных потребителей в большей степени фокусируется на малозатратных и энергоэффективных системах теплоснабжения.

Перспективным направлением внедрения ТНУ, на начальном этапе и при условии минимальных капитальных затрат, может стать компенсация нагрузки горячего водоснабжения (ГВС) в неотопительный период [5]. Для реализации данной задачи разработан и запатентован способ перехода систем ГВС, в летний период времени, на источник тепла, доступ к которому не требует значительной реконструкции исходной схемы теплоснабжения, и реализуем для любого потребителя имеющего систему отопления.

Источником тепла в данном способе выступает замкнутый контур системы отопления здания, который не функционирует в летний период. На основе способа разработана универсальная система компенсации нагрузки ГВС (Рис. 1.). Замкнутый контур организуется работающим циркуляционным насосом путем открытия запорной арматуры 9, закрытия запорной арматуры 7 и 8. Система эффективно покрывает нагрузку ГВС за счет аккумулированного в здании тепла воспринятого отопительными приборами, и позволяет получить значительную экономию для потребителя. Система характеризуется высокими значениями коэффициента преобразования, которые свойственны водяным ТНУ, при компактности и минимальных затратах на внедрение. Также разработка позволяет утилизировать избыточное тепло помещений в летний период, сокращая затраты энергии на кондиционирование, что свойственно только дорогостоящим комплексным системам теплохладоснабжения и обладает перспективой дальнейшего развития до полноценной круглогодичной системы теплоснабжения [2,9].

Рис. 1 – Универсальная система компенсации нагрузки ГВС:

1 – подающий трубопровод, 2 – обратный трубопровод, 3 – трубопровод воды идущей на горячее водоснабжение, 4 – совмещенный с баком аккумулятором конденсатор теплонасосной установки, 5 – испаритель теплонасосной установки, 6 – теплообменник горячего водоснабжения, 7, 8, 9 – запорная арматура, 10 –циркуляционный насос, 11 – отопительный прибор, 12 – трехходовой клапан, 13 – источник теплоснабжения, 14 – бак аккумулятор, 15 – циркуляционный насос бака, 16 – элеватор, 17 – теплонасосный блок.

Поскольку данный способ показал свою эффективность в условиях опытной эксплуатации на конкретном объекте, то возникает задача внедрения разработки для широкого круга потребителей, и необходимость оптимизации основного оборудования. Решить поставленную задачу возможно путем создания обобщенной математической модели. Модель должна учитывать основную особенность способа – утилизацию избыточного тепла помещений, которое формируется за счет внешних тепловых возмущений со стороны окружающей среды, и внутренних возмущений со стороны людей, оборудования и аккумулирующей способности самого здания.

Смоделировать работу системы возможно используя дифференциальное уравнение, предложенное Е.Я. Соколовым для определения изменения температуры внутри здания при внешних и внутренних тепловых воздействиях [7].

где: – потери тепла зданием, Дж/с; – теплопроизводительность отопительной системы, Дж/с; – коэффициент, учитывающий аккумулирующую способность здания, Дж/°С.

На основании исходного уравнения, принимая упрощение, что процессы нагрева и охлаждения протекают аналогично, получим следующую зависимость:

,

где: – нагрузка ГВС, Дж/с; , – теплопоступления в здание, текущие и при начальных условиях соответственно, Дж/с; – эмпирические поправочные коэффициенты, зависящие от типа отопительной системы; , – температура воздуха, текущая и при начальных условиях соответственно, °С; – расчетный промежуток времени, с.

Рис. 2. – Изменения температуры внутреннего воздуха при работе ТНУ:

1 – температура наружного воздуха, 2 – температура внутреннего воздуха, 3 – температура внутреннего воздуха при отсутствии ТНУ, (линия 1 относится к основной оси для температуры наружного воздуха , линии 2 и 3 относятся к вспомогательной оси для температуры внутреннего воздуха )

Зависимость является основой для алгоритма, позволяющего моделировать процесс изменения температуры внутреннего воздуха в здании, для которого планируется установка ТНУ, за определенный период времени (Рис. 2). При помощи модели можно оптимизировать состав оборудования, входящего в состав блока ТНУ, для поддержания допустимой температуры воздуха внутри помещений при стабильной компенсации нагрузки ГВС и максимальной эффективности [10].

Список литературы

1. Аникина И.Д. Применение тепловых насосов для повышения энергоэффективности паросиловых ТЭС / И.Д. Аникина, В.В. Сергеев // Научно-технические ведомости СПбГПУ. –2013. –№ 178. –С. 56-61.

2. Батухтин А.Г. Повышение эффективности современных систем теплоснабжения / А.Г. Батухтин, С.А. Иванов, М.В. Кобылкин, А.В. Миткус. // Вестник Забайкальского государственного университета. –2013. –№ 09. С. 112-120.

3. Батухтин А.Г. Краткий обзор современных технологических решений с применением тепловых насосов в системах отопления / А.Г. Батухтин, М.В. Кобылкин // Кулагинские чтения: техника и технологии производственных процессов XIV Международная научно-практическая конференция: сборник статей. Заб. гос. ун-т. Чита, –2014. –С. 106-111.

4. Батухтин А.Г. Применение теплонасосных установок в системах горячего водоснабжения и отопления/ А.Г. Батухтин, С.А. Иванов, М.В. Кобылкин // Кулагинские чтения: техника и технологии производственных процессов XIV Международная научно-практическая конференция: сборник статей. Заб. гос. ун-т. Чита, –2014. –С. 116-121.

5. Кобылкин М.В. Перспективное направление внедрения тепловых насосов / М.В. Кобылкин, С.Г. Батухтин, К.А. Кубряков // Международный научно-исследовательский журнал. –2014. –№ 5-1 (24). –С. 74-75.

6. Сафронов П.Г. Использование теплового насоса в тепловых схемах тепловых электростанций / П.Г. Сафронов, А.Г. Батухтин, С.А. Иванов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. –2009. –№2. –С. 202-204.

7. Соколов, Е. Я. Теплофикация и тепловые сети : учеб. для вузов. – 6-е изд., перераб. / Е. Я. Соколов. – М.: Изд-во МЭИ, 1999. – 472 с.

8. Batukhtin A.G., Kobylkin M.V., Batukhtin S.G., Safronov P.G. Energy saving measures for public office buildings The Fifth International Conference on Eurasian scientific development Vienna, 2015. С. 115-118.

9. Батухтин А.Г. Применение водяных теплонасосных установок с неклассическим источником низкопотенциальной энергии для компенсации нагрузки горячего водоснабжения / А.Г. Батухтин, С.А. Иванов, М.В. Кобылкин // Промышленная энергетика. –2015. –№ 3. –С. 18-21.

10. Батухтин А.Г. Энергоэффективная система теплоснабжения. Задачи и проблемы математического моделирования / А.Г. Батухтин, С.Г. Батухтин, М.В. Кобылкин, П.Г. Сафронов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. –2015. –№ 2. –С. 157-160.

11. Батухтин А.Г. Современные технологии энергосбережения в комплексе «ТЭС-потребитель» / А.Г. Батухтин, М.В. Кобылкин, С.Г. Батухтин, П.Г. Сафронов // Международный научно-исследовательский журнал. –2015. –№ 5-2 (36). –С. 20-23.

Код для цитирования: Скопировать