Статьи

Ресурсосберегаюшая комбинированная система теплоснабжения


Введение

Теплонасосные установки (ТНУ) могут работать в моновалентном режиме, покрывая самостоятельно (например, весной и осенью) потребности в тепле, и в бивалентном режиме совместно с котельной установкой (за рубежом так называемая система "PERCHE"). Тот или иной источник тепла включается в зависимости от температуры наружного воздуха. При этом ТНУ включаются только в часы сниженных тарифов. Во Франции по системе "PERCHE" отапливается около 20 тыс. квартир [1]. Зарубежный опыт привлекателен и позволяет проанализировать комбинированную технологию теплоснабжения в составе парокомпрессионной теплонасосной и котельной установок.

Постановка задачи и метод решения

В качестве критерия эффективности комбинированной системы теплоснабжения принят расход органического топлива. Задача исследования заключается в анализе режимов работы комбинированных систем теплоснабжения на базе котельных установок и парокомпрессионных тепловых насосов с низкокипящим веществом R134a с целью дальнейшего повышения эффективности отопительных систем. Рассмотрены различные режимы работы котельной установки и теплового насоса, включая раздельную работу (моновалентный режим) каждого из элементов системы и их совместную работу (бивалентный режим).

Рассматривается комбинированная система отопления, состоящая из парокомпрессионного теплового насоса (ТН) и котельной установки (КУ). Установленная тепловая мощность системы принята равной QT = 1 Гкал/ч с продолжительностью отопительного периода h = 5450 ч/год. Прямая сетевая вода в подающем трубопроводе в зависимости от температуры наружного воздуха соответствует графику 95/70 °С, что обеспечивается качественным регулированием температуры. Рассматриваются различные режимы работы системы, включая раздельный режим работы ТН и КУ и совместный (бивалентный). Критерием эффективности комбинированной системы отопления является минимум расхода условного топлива. Расход условного топлива на котельную установку определяется тепловой нагрузкой и коэффициентом полезного действия КУ, принятого равным 0,8. В этих условиях расход условного топлива в отопительной системе при работе только котельной установки составит

Эффективность использования теплонасосной технологии предполагает наличие источника низкопотенциального тепла. Поскольку набор источников и диапазон их температур весьма широк, то в исследованиях температура испарения хладона tисп варьируется от 5 до 30 °С. Температура воды в подающем трубопроводе tпр, являющаяся функцией температуры окружающей среды, с учетом температурного напора позволяет определить температуру конденсации хладона tконд. Коэффициент преобразования энергии фi (низкопотенциального источника и работы сжатия хладона в компрессоре) в тепловом насосе определялся по зависимости

В этих условиях был рассмотрен раздельный режим работы теплового насоса и котельной установки.

Таблица 1. Число часов стояния со среднесуточной температурой воздуха, равной и ниже данной

В работе компрессора теплового насоса имеются ограничения, связанные со степенью сжатия паров низкокипящего вещества п <= 7 и величиной абсолютного давления хладона за компрессором рк = 21-25 (30) бар. В исследованиях были рассмотрены варианты использования теплового насоса до температур наружного воздуха tн.в. = -25 °С (табл. 1). С понижением температуры наружного воздуха и, соответ-ственно, повышением температуры прямой сетевой воды при фиксированной температуре низкопотен-циального источника теплоты растет отношение давления за компрессором рк к давлению на входе хла-дона в компрессор рисп , что приводит к запредельным граничным условиям.

Для реализации отмеченных параметров потребуются компрессоры нового поколения по типу 6FE-50YBitzer, 19XRCarrier со ступенчатым сжатием, с секционными конденсаторами и охладителями перегретого пара. Разработка новых хладоновых компрессоров обусловлена тем, что их работа должна обеспечивать качественное регулирование температуры сетевой воды, подаваемой в систему теплоснабжения в течение всего периода их работы в зависимости от температуры наружного воздуха.

Для расчета среднегодового коэффициента преобразования энергии в ТН за период его работы hтн использовалось выражение

Рассчитывалась эффективная мощность компрессора

и количество теплоты, вовлеченное в систему теплоснабжения от низкопотенциального источника,

Расход органического топлива при работе теплонасосной установки определялся по количеству потребленной электроэнергии от ОАО "Энерго" из условия средних по стране расходов на выработку электроэнергии 340,5 г у.т./кВт-ч.

Обсуждение результатов

В табл. 2 представлен расход условного топлива при раздельной работе ТН и КУ для различных температур испарения хладона R134a при различных температурах наружного воздуха (различном числе часов использования установленной тепловой мощности QT = 1 Гкал/ч).

В табл. 2 показаны различные граничные температуры наружного воздуха, разделяющие работу источников теплоснабжения (до - работа ТН, после -работа КУ).

Таблица 2. Расход условного топлива в комбинированной системе отопления при раздельной работе теплового насоса и котельной установки

Сравнительный анализ показал (рис. 1), что для всех режимов раздельной работы парокомпрессионного теплового насоса и котельной установки высокая температура низкопотенциального источника позволяет уменьшить работу сжатия в ТН и потребление электрической энергии, повысить коэффициент преобразования энергии и уменьшить расход условного топлива. Это общая закономерность для всех температур окружающей среды. С понижением температуры наружного воздуха возрастает тепловая нагрузка на парокомпрессионный тепловой насос, уменьшается коэффициент преобразования энергии, возрастает работа сжатия компрессора и, как следствие, увеличивается расход условного топлива.

Рисунок 1. Расход условного топлива на комбинированную систему отопления в зависимости от 
	   температуры испарения хладона при различных температурах наружного воздуха (1 - при работе КУ; 2, 4, 6 - суммарный расход топлива при 
	   раздельной работе ТН и КУ; 3, 5. 7 - при работе ТН на R134a)

При этом происходит перераспределение тепловой нагрузки и уменьшение расхода топлива на котельную установку. Это влияние усиливается с увеличением температуры испарения хладона (температуры низкопотенциального источника тепла). В целом с понижением температуры окружающей среды суммарный расход топлива в комбинированной системе теплоснабжения уменьшается (рис. 2). С экономией топлива уменьшается экологический ущерб, связанный с загрязнением окружающей среды.

Рисунок 2. Экономия топлива в комбинированной системе отопления в зависимости от температуры 
	   наружного воздуха при различных температурах испарения хладона R134a: 1. 2. 3 - при t(н.в.) -10, -15, -20 С соответственно

При бивалентном режиме работы ТН и КУ обратная сетевая вода (табл. 1) подается на вход конденса-тора, на выходе из которого температура фреонового пара фиксируется (так, например, при tн.в.= -15 °С tпр= 66,2 °С = const). Дальнейший подогрев сетевой воды, связанный с понижением температуры окру-жающей среды, осуществляется в котельной установке. При этом обратная сетевая вода из системы отопления при условии tобр < tпp направляется на подогрев в конденсатор теплового насоса. В этих усло-виях при tн.в. < -25 °С имеет место чисто котельный режим работы.

Рисунок 3. Расход условного топлива на котельную установку: 1 - автономная работа КУ; 2 - работа КУ в бивалентном режиме

Распределение тепловой нагрузки между ТН и КУ в бивалентном режиме совместной работы теплонасосной и котельной установок осуществляется по температурам подогрева сетевой воды в каждом из элементов комбинированной системы отопления. Аналогичная процедура выполняется и для других более низких температур окружающего воздуха. На рис. 3 для указанного диапазона температур наружного воздуха показан расход топлива на котельную установку без учета работы теплового насоса (1) и в бивалентном режиме (2). В табл. 3 представлены расходы условного топлива в бивалентном режиме работы комбинированной системы теплоснабжения для температур стояния наружного воздуха tн.в. = -15 °С; -20 °С; -25 °С.

Таблица 3. Расход условного топлива в бивалентном режиме работы ТН и КУ

Несмотря на уменьшение коэффициента преобразования энергии с повышением температуры обратной сетевой воды, связанного с понижением температуры наружного воздуха, суммарный расход топлива в бивалентном режиме комбинированной системы теплоснабжения уменьшается.

С понижением температуры наружного воздуха уменьшается количество часов стояния среднесуточ-ной температуры воздуха, равной и ниже данной. По этой причине уменьшается расход топлива на ко-тельную установку. Полученные результаты свидетельствуют об экономичности данного режима по сравнению с традиционным котельным режимом теплоснабжения (табл. 3, рис. 4).

Рисунок 4. Расход условного топлива в бивалентном режиме работы системы ТН и КУ при 
	   температурах наружного воздуха t(н.в.)= -15, -20, -25 С: 1, 3. 5 - при работе ТН; 2,. 4, 6 - при работе ТН и КУ. Штрихи соответствуют 
	   обозначениям на рис. 1
Заключение

1. Выполненные исследования показали, что использование парокомпрессионной теплонасосной техники совместно с котельной установкой в зонах децентрализованного теплоснабжения позволяют существенно снизить потребление органического топлива от 35-41% до 60-74% (в зависимости от температуры низкопотенциального источника) при различных режимах работы элементов системы (раздельный, бивалентный) по сравнению с автономными традиционными отопительными котельными системами и повысить экологическую эффективность системы теплоснабжения.

2. Полученные результаты показывают целесообразность ресурсосберегающего бивалентного режима работы комбинированной системы теплоснабжения и возможность практического применения.

3. Наличие двух независимых теплоисточников повышает надежность теплоснабжения потребителей. При этом тепловая мощность котельной установки как пикового теплоисточника может быть существен но уменьшена исходя из общего теплового баланса комбинированной системы теплоснабжения и технических возможностей выбранного компрессора.


Л.А. Огуречников
Институкт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО
РАН 630090 Новосибирск, пр.Ак.Лаврентьева, д. 1