Оценка эффективности использования реверсивных чиллеров

Ключевые слова: стояние температур, климатические параметры, тепловая нагрузка, математическая модель, оценка эффективности, чиллер, тепловой насос. чиллер теплота моделирование температура

Города России меняют свой облик. В местах малоэтажных застроек появляются новые общественные здания повышенной этажности, в связи с этим потребность в тепловой энергии значительно возрастает. Возникают проблемы с подключением к тепловым сетям. В месте строительства мощности тепловых сетей оказываются недостаточными, а в некоторых случаях они вообще отсутствуют.

Одним из вариантов выхода из создавшейся ситуации может быть использование тепловых насосов [1-3]. Установка серийных тепловых насосов вырабатывающих только тепловую энергию приводит к значительному удорожанию инженерных систем. Однако есть возможность значительно сократить первичные вложения за счёт использования систем кондиционирования для обогрева помещений.

В большинстве общественных зданий (торговые, офисные центры) в качестве источника холода используются чиллеры. Одной из модификаций этого оборудования является реверсивный чиллер (чиллер с тепловым насосом)[4]. Такой тип чиллера может вырабатывать не только холод, но и тепловую энергию, причем увеличение стоимости реверсивного чиллера по сравнению с чиллером, работающим только на выработку холода незначительна[5,6].

В настоящее время отсутствуют чётко прописанные методики оценки эффективности использования тепловых насосов в различных регионах России.

Для разработки методики оценки эффективности реверсивных чиллеров необходимо решить, по крайней мере, три задачи:

- моделирование тепловой нагрузки за отопительный период года для различных регионов России;

- моделирование динамики выработки тепловой энергии;

-определение диапазона использования чиллера и уточнение необходимой резервной мощности.

Для наглядности были выбраны города из разных климатических зон (южной и северной), эти города имеют разное время стояния температур и различные расчетные температуры наружного воздуха.

Для построения графиков стояния температур наружного воздуха используются значения средней продолжительности температур воздуха различных градаций представленные в приложение к СНиП 2.01.01-82 «Строительная климатология и геофизика».

Таблица №1

Расчетные температуры наружного воздуха для зимнего периода

- - Расчетная температура наружного воздуха зимой, °С

Зная тот факт, что график потребления теплоты не всегда совпадает с графиком выработки, возникает необходимость в моделировании тепловой нагрузки на системы отопления [7,8].

Наибольший интерес представляет использование реверсивных зданий (общественные здания) с удельной теплоемкостью 0,417, Вт/м3·С из «СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003».

Используя полученные значения, были построены графики изменения тепловой нагрузки для различных климатических условий рис.1.

Рис. 1 Графики удельных теплопотребностей для городов Ростов-на-Дону, Москва, Воронеж, Махачкала, Грозный

Представленные графики можно аппроксимировать зависимостью

(2)

где х -время, час; а и b-определенные числа, значения которых зависят от климатических условий и меняются в зависимости от рассматриваемого региона.

Характеристики чиллеров зависят от наружной температуры воздуха и изменяются прямо пропорционально изменению температуры[9,10]. Произведя анализ каталогов различных производителей можно сделать вывод, что для всех чиллеров характерно одно и то же процентное соотношение выработки тепла.

Таблица № 2

Процентное соотношение вырабатываемой теплоты

Рис. 2 График зависимости выработки тепла чиллером с тепловым насосом от температуры наружного воздуха

В первом приближении, график изменения можно выразить в виде прямой. Достаточно неплохо график аппроксимируется полиномом.

Особенностью чиллера является невозможность выработки теплоты при температурах ниже -10°С

На рисунках представлены графики выработки и потребления теплоты для наиболее характерных южного и северного городов.

Рис. 3 Графики потребления и выработки тепла в г.Махачкала

Рис. 4 Графики потребления и выработки тепла в г.Москва

Графики выработки теплоты чиллером приняты с учетом необходимой холодопроизводительности в теплый период года. В этом случае тепловая мощность чиллера будет находиться в обратной зависимости от потребности теплоты. Пересечение двух графиков называется бивалентной точкой.

В правой части от этой точки мощность чиллера будет превышать потребность, однако при достижении низких температур наружного воздуха теплоты, вырабатываемой чиллером, будет недостаточно.

Количество потребляемой и вырабатываемой теплоты производится путем вычисления определённого интеграла по формуле Ньютона-Лейбница

Количество теплоты, необходимое для покрытия полной отопительной нагрузки вычисляется интегралом от уравнения теплопотребности здания.

- Расчетная температура наружного воздуха зимой, °С

- Температура начала отопительного периода, °С

Количество теплоты, вырабатываемое дополнительным источником тепла за отопительный период, вычисляется разницей интегралов. Интеграла от уравнения теплопотребности здания с пределами от до температуры бивалентной точки и интеграла от уравнения кривой чиллера с пределами от до .

- Предельная температура работы чиллера, °С

- Температура бивалентной точки, °С

Количество теплоты, вырабатываемой чиллером за отопительный период, определяется интегралом от уравнения кривой чиллера с пределами от до .

Значения количества теплоты для различных городов сведены в таблицу 3.

Таблица № 3

Значения количества теплоты

Qот- количество тепла, требуемое за отопительный период, кВт·ч/мі

Qчиллер- количество тепла, вырабатываемое чиллером, кВт·ч/мі

Qдоп.ист.- количество тепла, покрываемое дополнительным источником тепла, кВт·ч/мі

По данным таблицы можно сделать вывод, что применение чиллеров для отопления зданий наиболее экономически выгодно в южных районах России [11], т.к количество теплоты приходящиеся на выработку дополнительным источником значительно ниже, следовательно и расходы в южных городах на отопление зимой ниже чем в северных.

Оценка эффективности использования реверсивных чиллеров позволит подсчитать, какое количество дополнительного тепла потребуется для обогрева здания в городах с различным климатом и уточнить возможность использования чиллеров, в зависимости от стоимости дополнительного источника тепла.

Литература

1. Страхова Н.А., Лебединский П.А. Анализ энергетической эффективности экономики России. Инженерный вестник Дона, 2012, № 3. URL:ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/999.

2. Камышев В.И. Тепловой насос эффективная энергосберегающая система отопления и кондиционирования. Технологии мира. 2010.№ 8(26). С. 17-20.

3.Энергосбережение в зданиях. Кондиционирование и тепловые насосы. Киев: ЗНИИЭП. 2000. №1. С. 22.

4.Trushevskii S.N., Mitina I.V. Problem of heat pumps in central Russia. Аpplied solar energy. 2012. №Volume 48, Issue 1,. pp. 24-32.

5.Руденко Н.Н., Рыбинский В.А. Круглогодичное использование тепловых насосов. Стоительство 2009. Ростов-на-Дону: РГСУ, 2009.С. 53.

6.Tomas Nъсez,WalterMittelbach, Hans-Martin Henning Development of an adsorption chiller and heat pump for domestic heating and airconditioning applications. Applied Thermal Engineering. 2007. №27. pp. 2205-2212.

7.Руденко Н.Н Особенности прогнозирования эффективности работы теплового насоса. Инженерный вестник Дона, 2012, №4 (часть 1). URL:ivdon.ru/magazine/archive/n4t1y2012/1129.

8.Новгородский Е.Е., Волошановская И.Н. Оптимизация выбора мощности кондиционера. Энергосбережение и водоподготовка. 2004. №1. С. 88-89.

9.Новгородский Е.Е., Руденко Н.Н., Волошановская И.Н. Влияние режимов работы кондиционера на его энергопотребление. Энергосбережение и водоподготовка. 2004. №3. С. 67.

10.Калиниченко А.Б. Использование тепловых насосов для теплоснабжения и горячего водоснабжения. Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2000. №7. С. 16-17.

11.Везиришвили О.Ш. Тепловые насосы и экономия топливо-энергетических ресурсов. Изв. Вузов Сер. Энергетика. 1984. №7. С. 61-65.