XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

УДК 636.4.087.61

Магистрант М.В. АРТАМОНОВ

(ФГБОУ ВО СПбГАУ)

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВОГО НАСОСА В СИСТЕМАХ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

Применение тепловых насосов в системах теплоснабжения объектов применяется, как за рубежом, так и у нас. Формально тепловой насос осуществляет передачу теплоты с низкого теплового уровня (от менее нагретой среды) на уровень к более нагретому (потребителю)[1]. То есть, позволяет полезно использовать тепловую низкопотенциальную энергию грунта, воздуха, воды, хозяйственно-бытовых стоков, промышленных отводов и другого. При этом разные, по мощностным характеристикам, о чем говорит их применение, как для частных домой, так и для крупных промышленных помещений. На этапе проектирования объекта при подходе и реализации решений учитывается, наличие самого низкопотенциального источника и непосредственно, эффективность всей системы[2,4].

В настоящее время в мире, работает более 30 миллионов тепловых насосов, различной мощности от нескольких до сотен кВт, что говорит о возможности развития и тенденциях работы в данном направлении. Значит, можно предположить снижение энергопотребления ресурсов, относительно централизованного теплоснабжения, а так же поспособствовать повышению энергоэффективности системы теплоснабжения в целом.

Прежде, коротко рассмотрим рабочий цикл теплового насоса (рис. 1) для дальнейшего рассмотрения. Сам цикл опишем в следующие форме, вначале во внешнем испарителе (теплообменнике) тепловая энергия взятая из окружающей среды передается рабочему телу - хладагенту (в пример, фреон), который циркулирует по внутреннему контуру. Далее, при нагреве фреон меняет свое агрегатное состояние и направляется в сторону компрессора сжимающего его, при этом температура теплоносителя возрастает, попадая в конденсатор хладагент отдает тепло в систему потребителя. А, далее проходя через дроссельный клапан понижается давление, что сопровождается снижением температуры. Вот так, описанный цикл повторяется.

С изменением давления, соответственно уменьшением и возрастанием (давления) температурное состояние хладагента изменяется, а так же, за счет отбора и подачи в теплообменниках теплоты.

Рис.1 Принципиальная схема цикла теплового насоса

Как можно заметить на рисунке выше, схема теплового цикла состоит из системы трех контуров: первый, внешний (осуществляет подвод тепла из окружающей среды), второй контур — осуществляет циркуляцию теплоносителя (хладагента) и третий — контур системы отопления (потребители)[3].

Рассмотрим возможный вариант повышения эффективности данной системы теплоснабжения потребителей с использованием теплового насоса. Потому, вначале, необходимо учесть климатические условия среды и ближайший источник низкопотенциальной энергии, применяя в проектных решениях те исходные данные непосредственно полученные на объекте, точно провести экспертную оценку применения технических решений.

Учесть непосредственно, коэффициент полезного действия теплового насоса, так называемый COP (Coefficient Of Performance), который указывается в нормативных документах, каталоге DIN (национальный стандарт). Само определение коэффициента полезного действия - это отношение полученной полезной тепловой мощности и той мощности которую подвели для работы узлов (теплового насоса). Соответственно, благодаря лабораторным испытаниям оборудования и подбора компонентов, исходя из величины передачи полезного тепла, подводимой мощности, вычисляем коэффициент COP. Тем самым сравнивая производительность и эффективность теплового насоса. То есть, обращаем внимание на выбор узлов (теплового насоса).

Сезонный коэффициент эффективности SPF (Seasonal Performance Factor), который учитывает отношение количества всей энергии, вырабатываемой тепловым насосом в течение года, к количеству электрической энергии, расходуемой на его работу[5]. Так же учитывается, чем выше, тем выше эффективность всей системы, а влияющие факторы на данный коэффициент, как производительность радиаторов (теплообменников), так и температурный режим использования, COP. Например, по результатам мониторинга этого коэффициента в Германии, за промежуток 2008-2013 года, за счет наблюдений и модернизации среднее значение коэффициента повысилось (около 5, при начальном среднем значении 3,6). По данным мониторинга, так же можно сказать, что влияет монтаж внешнего контура, подбор систем теплообменников и выбора насоса.

Процесс проектирования включает множество этапов, но сейчас рассмотрим коллектор в вертикальном исполнении. Производительность коллектора соответствует части мощности теплового насоса, полученной из окружающей среды, и составляет разницу между тепловой мощностью и потреблением электроэнергии. Проектирование требуется знание теплопроводящих характеристик грунта, а значит, расчет теплопроводности ненарушенных образцов породы при проведении пробного бурения возможны, но осуществляя в лабораторных условиях. Используя моделирующие программы, вводится информация относительно эффективной теплопроводности по всей глубине скважины, непосредственно на месте с помощью теста теплопроводности. Чтобы получить нужную длину коллектора вычислить, поделить количество тепла производительности коллектора на удельную мощность отведения грунта.

Тепловой насос, достаточно эффективная система энергоснабжения потребителей и при внедрении прикладных расчетов, точной оценки жизненного цикла, вычисления коэффициентов, использовании подходящих компонентов и использовании технологий энергомоделирования возможно добиться повышения энергоэффективности.

Литература

Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: Пер. с англ. М.: Энергоиздат, 1982. – 224с.

Васильев Г.П. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных установках / Г.П. Васильев, Н.В. Шилкин // АВОК. – 2003. – №2. – С. 52-60.

Васильев Г.П. Теплонасосные системы теплоснабжения (ТСТ) для потребителей тепловой энергии в сельской местности // Теплоэнергетика. – 1997. – №4. – С. 24-27.

Трубаев П.А., Гришко Б.М. Тепловые насосы: Учебное пособие – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009. – 142 с.

Гавриленко А.А., Любин П.А., Семенов А.С. Энергоэффективные системы отопления с использованием тепловых насосов // Дни науки студентов АСФ-2015: материалы науч.-техн. конф., 25 марта-10 апр. 2015. - Владимир: ВлГУ, 2015. - С.94-96.