Анализ применения теплонасосных установок в системах теплоснабжения
Аннотация
Рассмотрены проблемы использования теплонасосных установок (ТНУ), применяющихся в системах утилизации вторичных энергоресурсов промышленных низкотемпературных теплотехнологических процессов и в системах теплоснабжения зданий. Приведены данные по продажам ТНУ в различных европейских странах, из которых следует, что в Российской Федерации отмечается существенное отставание по использованию ТНУ в системах теплоснабжения. Установки классифицированы по циклам и по источникам низкопотенциальной теплоты. Представлена принципиальная схема ТНУ в системе с использованием низкопотенциальной теплоты сточных вод. Для транспорта от источника низкопотенциальной теплоты (ИНТ) к испарителю ТНУ (в качестве примера) вместо насоса с электроприводом для перекачивания промежуточного теплоносителя используется тепловая труба. Показаны график тепловых потоков в температурном соответствии теплоносителей при передачи теплоты от ИНТ к потребителю и тепловой баланс элемента системы с ТНУ. Проанализированы методы определения энергетической эффективности применения ТНУ с использованием коэффициента трансформации (преобразования) теплоты и эксергетического КПД, учитывающего не только количество получаемой теплоты, но и ее качество — температурный уровень. Показано, что при дополнительных затратах энергии для транспорта теплоты от источника низкопотенциальной теплоты к испарителю ТНУ данные затраты энергии необходимо учитывать для определения энергетической эффективности системы, включающей ТНУ. При использовании электрической и других видов энергии для определения энергетической эффективности системы целесообразно применять такие показатели как стоимость энергоносителей и затраты условного топлива на их выработку. Доказано, что при использовании органического топлива на выработку электроэнергии и теплоты для работы компрессора ТНУ с электроприводом коэффициент трансформации теплоты в ТНУ должен быть существенно выше величины 2,32. Даны результаты реализованных проектов, в которых проводились исследования функционирования систем теплоснабжения на основе ТНУ. Анализ полученных результатов, показывает низкую энергетическую эффективность в ряде выполненных проектов, которая не позволяет компенсировать затраты на их создание. Величина коэффициента преобразования энергии зависит от требуемой температуры для потребителя и температуры холодного источника; термодинамических свойств рабочего вещества и особенностей термодинамического цикла ТНУ; технического совершенства конструкции ТНУ; видов энергетических затрат на привод компрессора и способа транспорта теплоты от низкопотенциального источника. Для высокой эффективности систем теплоснабжения на основе ТНУ (СТ ТНУ) следует иметь источник низкопотенциальной теплоты с наиболее высокой температурой и потребителя теплоты с наиболее низкой температурой используемого теплоносителя. Наличие удобных источников низкопотенциальной теплоты, которые обладали бы зимой и летом достаточно высокой температурой, не требовали бы больших затрат на их перекачку и не вызывали бы коррозии теплообменных аппаратов и труб — одно из важнейших условий применения ТНУ для теплоснабжения. Вопросы применения СТ ТНУ в конкретных условиях требуют тщательного предварительного технико-экономического исследования. Коэффициент трансформации (преобразования) теплоты в ТНУ далеко не всегда является определяющим при оценке энергетической эффективности использования СТ ТНУ. Дополнительно нужно учитывать, что на привод компрессора ТНУ и транспорт низкопотенциальной теплоты от источника к испарителю ТНУ желательно использовать наиболее дешевый вид энергии. Для привода компрессора ТНУ в ряде случаев эффективно применять энергию избыточного давления энергоносителей (газа, пара, воды и т.п.), механическую энергию двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных установок и подобных устройств. При использовании ТНУ с электроприводом следует регулировать соотношение тарифов на электроэнергию и теплоту с целью уменьшения отношения цены электроэнергии к цене на теплоту.
Литература
2. Гашо Е.Г. и др. Тепловые насосы в современной промышленности и коммунальной инфраструктуре. М.: Изд-во «Перо», 2017.
3. Распоряжение Правительства РФ № 1715-р. От 13.10.2009 г. «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года».
4. Постановление Правительства Российской Федерации № 600 от 17.06.2015 г. «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности».
5. Рудицер М.И., Шелгинский А.Я. Разработка систем теплохладоснабжения на основе комплексного использования теплонасосных установок и тепловых труб // Надежность и безопасность энергетики. 2013. № 2 (21). С. 34—36.
6. Бродянский В.М. и др. Эксергетический метод и его приложения. М.: Энергоатомиздат, 1986.
7. Мартыновский В.С. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов. М.: Энергия, 1979.
8. Васильев Г.П. Энергоэффективный экспериментальный жилой дом в микрорайоне Никулино-2 // АВОК: вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2002. № 4. С. 10—18.
9. Васильев Г.П., Крундышев Н.С. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области // АВОК: вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2002. № 5. С. 22—26.
10. Васильев Г.П., Абуев И.М., Горнов В.Ф. Автоматизированная теплонасосная установка, утилизирующая тепло сточных вод г. Зеленограда // АВОК: вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2004. № 5. С. 50—52.
11. Гершкович В.Ф. Исследование работы теплового насоса // Энергосбережение. 2007. № 5. С. 32—41.
12. Мягков С.А., Шелгинский А.Я. Расчет активной системы солнечного теплоснабжения с использованием солнечной теплонасосной установки // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. XVI Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. C. 481— 482.
13. Фролов В.П. и др. Анализ эффективности использования тепловых насосов в централизованных системах горячего водоснабжения // Энергосбережение. 2004. № 2. С. 50—53.
14. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли. М.: Граница, 2006.
15. Васильев Г.П. и др. Приточно-вытяжная вентиляционная установка с теплонасосной рекуперацией тепла вентиляционных выбросов // Энергобезопасность и энергосбережение. 2012. № 6. С. 14—21.
16. Кокорин О.Я., Товарс Н.В. Круглогодичное обеспечение жилых и общественных зданий теплом и холодом с помощью холодильных машин. Ч. 1 // Холодильная техника. 2010. № 6. С. 45—48.
17. Кокорин О.Я., Товарс Н.В. Круглогодичное обеспечение жилых и общественных зданий теплом и холодом с помощью холодильных машин Ч. 2 // Холодильная техника. 2010. № 7. С. 34—37.
18. Кокорин О.Я., Товарс Н.В. Экономические преимущества применения холодильных машин для выработки тепла и холода в жилых зданиях // Холодильная техника. 2010. № 8. С. 39—42.
19. Кокорин О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха. М.: Изд-во физ.-мат. лит-ры, 2003.
20. Яковлев И.В., Гаряев А.Б., Парехина И.В., Самойленко В.Ю. Сопоставление теоретической и реальной эффективности теплонасосной установки в системе горячего водоснабжения // Промышленная энергетика. 2015. № 5. С. 45—50.
21. Peng Sun, Jing Yi Wu, Ru Zhu Wang, Yu Xiong Xu. Analysis of Indoor Environmental Conditions and Heat Pump Energy Supply Systems in Indoor Swimming Pools // Energy and Buildings. 2011. No. 43. Pp. 1071—1080.
22. Johansson L., Westerlund L. Energy Savings in Indoor Swimming Pools: Comparison Between Different Heat Recovery Systems // Appl. Energy. 2001. No. 70. Pp. 281—303.
23. Chung-Kuan Kung, Wen-Shing Lee. Optimization of Heat Pump System in Indoor Swimming Pool Using Particle Swarn Algorithm // Appl. Thermal Energy. 2008. No. 8. Pp. 1647—1653.
24. Chua K.J., Chou S.K., Yang W.M. Advances in Heat Pump Systems: a Review // Appl. Energy. 2010. No. 87. Pp. 3611—3624.
---
Для цитирования: Шелгинский А.Я., Яковлев И.В. Анализ применения теплонасосных установок в системах теплоснабжения // Вестник МЭИ. 2018. № 2. С. 42—52. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-2-42-52.
#
1. Haynrih G. i dr. Teplonasosnye Ustanovki dlya Otopleniya i Goryachego Vodosnabzheniya. M.: Stroyizdat, 1985. (in Russian).
2. Gasho E.G. i dr. Teplovye Nasosy v Sovremennoy Promyshlennosti i Kommunal'noy Infrastrukture. M.: Izd- vo «Pero», 2017. (in Russian).
3. Rasporyazhenie Pravitel'stva RF № 1715-r. ot 13.10.2009 g. «Energeticheskaya Strategiya Rossii na Period do 2030 Goda». (in Russian).
4. Postanovlenie Pravitel'stva Rossiyskoy Federatsii № 600 ot 17.06.2015 g. «Ob Utverzhdenii Perechnya Ob'ektov i Tekhnologiy, Kotorye Otnosyatsya k Ob'ektam i Tekhnologiyam Vysokoy Energeticheskoy Effektivnosti». (in Russian).
5. Ruditser M.I., Shelginskiy A.Ya. Razrabotka Sistem Teplohladosnabzheniya na Osnove Kompleksnogo Ispol'zovaniya Teplonasosnyh Ustanovok i Teplovyh Trub. Nadezhnost' I Bezopasnost' Energetiki. 2013;2 (21):34—36. (in Russian).
6. Brodyanskiy V.M. i dr. Eksergeticheskiy Metod i Ego Prilozheniya. M.: Energoatomizdat, 1986. (in Russian).
7. Martynovskiy V.S. Tsikly, Skhemy i Harakteristiki Termotransformatorov. M.: Energiya, 1979. (in Russian).
8. Vasil'ev G.P. Energoeffektivnyy Eksperimental'nyy Zhiloy Dom v Mikrorayone Nikulino-2. AVOK: Ventilyatsiya, Otoplenie, Konditsionirovanie Vozduha, Teplosnabzhenie i Stroitel'naya Teplofizika. 2002;4:10—18. (in Russian).
9. Vasil'ev G.P., Krundyshev N.S. Energoeffektivnaya Sel'skaya Shkola v Yaroslavskoy Oblasti. AVOK: Ven- tilyatsiya, Otoplenie, Konditsionirovanie Vozduha, Teplosnabzhenie i Stroitel'naya Teplofizika. 2002;5:22—26. (in Russian).
10. Vasil'ev G.P., Abuev I.M., Gornov V.F. Avtomati- zirovannaya Teplonasosnaya Ustanovka, Utiliziruyu- shchaya Teplo Stochnyh Vod g. Zelenograda. AVOK: Ventilyatsiya, Otoplenie, Konditsionirovanie Vozduha, Teplosnabzhenie i Stroitel'naya Teplofizika. 2004;5:50—52. (in Russian).
11. Gershkovich V.F. Issledovanie Raboty Teplovogo Nasosa. Energosberezhenie. 2007;5:32—41. (in Russian).
12. Myagkov S.A., Shelginskiy A.Ya. Raschet Aktivnoy Sistemy Solnechnogo Teplosnabzheniya s Ispol'zovaniem Solnechnoy Teplonasosnoy Ustanovki. Radioelektronika, Elektrotekhnika i Energetika: Tez. Dokl. XVI Mezhdunar. Nauch.-tekhn. Konf. Studentov i Aspirantov. T. 2. M.: Izdatel'skiy Dom MPEI, 2010: 481— 482. (in Russian).
13. Frolov V.P. i dr. Analiz Effektivnosti Ispol'zovaniya Teplovyh Nasosov v Tsentralizovannyh Sistemah Gorya- chego Vodosnabzheniya. Energosberezhenie. 2004;2:50—53. (in Russian).
14. Vasil'ev G.P. Teplohladosnabzhenie Zdaniy i sooruzheniy s Ispol'zovaniem Nizkopotentsial'noy Tep- lovoy Energii Poverhnostnyh Sloev Zemli. M.: Granitsa, 2006. (in Russian).
15. Vasil'ev G.P. i dr. Pritochno-vytyazhnaya Ventilyatsionnaya Ustanovka s Teplonasosnoy Rekuperatsiey Tepla Ventilyatsionnyh Vybrosov. Energobezopasnost' i Energosberezhenie. 2012;6:14—21. (in Russian).
16. Kokorin O.Ya., Tovars N.V. Kruglogodichnoe Obespechenie Zhilyh i Obshchestvennyh Zdaniy Teplom i Holodom s Pomoshch'yu Holodil'nyh Mashin. Ch. 1. Holodil'naya Tekhnika. 2010;6:45—48. (in Russian).
17. Kokorin O.Ya., Tovars N.V. Kruglogodichnoe Obespechenie Zhilyh i Obshchestvennyh Zdaniy Teplom i Holodom s Pomoshch'yu Holodil'nyh Mashin Ch. 2. Holodil'naya Tekhnika. 2010;7:34—37. (in Russian).
18. Kokorin O.Ya., Tovars N.V. Ekonomicheskie Preimushchestva Primeneniya Holodil'nyh Mashin Dlya Vyrabotki Tepla i Holoda v Zhilyh Zdaniyah. Holodil'naya Tekhnika. 2010;8:39—42. (in Russian).
19. Kokorin O.Ya. Sovremennye Sistemy Konditsionirovaniya Vozduha. M.: Izd-vo Fiz.-mat. Lit-ry, 2003. (in Russian).
20. Yakovlev I.V., Garyaev A.B., Parekhina I.V., Samoylenko V.Yu. Sopostavlenie Teoreticheskoy i Real'noy Effektivnosti Teplonasosnoy Ustanovki v Sisteme Goryachego Vodosnabzheniya. Promyshlennaya Energetika. 2015;5:45—50. (in Russian).
21. Peng Sun, Jing Yi Wu, Ru Zhu Wang, Yu Xiong Xu. Analysis of Indoor Environmental Conditions and Heat Pump Energy Supply Systems in Indoor Swimming Pools. Energy and Buildings. 2011;43:1071—1080.
22. Johansson L., Westerlund L. Energy Savings in Indoor Swimming Pools: Comparison Between Different Heat Recovery Systems. Appl. Energy. 2001;70:281—303.
23. Chung-Kuan Kung, Wen-Shing Lee. Optimi- zation of Heat Pump System in Indoor Swimming Pool Using Particle Swarn Algorithm. Appl. Thermal Energy. 2008;8:1647—1653.
24. Chua K.J., Chou S.K., Yang W.M. Advances in Heat Pump Systems: a Review. Appl. Energy. 2010;87:3611—3624.
---
For citation: Shelginsky A.Ya., Yakovlev I.V. Analyzing the Application of Heat Pump Units in Heat Supply Systems. MPEI Vestnik. 2018;2:42—52. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-2-42-52.
