Источник: www.jac.ru

Использование воздушных тепловых насосов GENERAL для отопления зданий в условиях России

Сергей Брух. Ассоциация Японские Кондиционеры

Этот e-mail защищен от спам-ботов. Для его просмотра в вашем браузере должна быть включена поддержка Java-script

На сегодняшний день при работе систем отопления и кондиционирования зданий происходит некоторое дублирование их функций, так как система кондиционирования производит охлаждение помещений в летний период и нагрев помещений в холодный период (режим теплового насоса), а система отопления также производит нагрев помещений в холодный период. С точки зрения капитальных затрат экономичнее использовать одну систему, вместо двух. В южных странах с небольшими отрицательными температурами система кондиционирования с режимом теплового насоса обеспечивает круглогодичное поддержание температуры помещений. Однако конструктивные особенности оборудования, а именно — небольшой предел работы при отрицательных температурах, не позволяют использовать ту же схему в зданиях России. В связи с этим возникает вопрос: а насколько экономично будет использование режима теплового насоса для отопления зданий, при условии понижения предела работы оборудования по наружной температуре воздуха? Для ответа на него необходимо рассмотреть теоретические характеристики работы тепловых насосов.

Тепловыми насосами называются установки, при помощи которых осуществляется перенос энергии в форме теплоты от более низкого к более высокому температурному уровню, необходимому для теплоснабжения [1].

Удельная затрата работы или эквивалентной ей электрической энергии, отнесенной к единице теплоты с температурой Т_в, определяется для идеального цикла Карно по формуле:

(1)

где Т_в и Т_н – верхний и нижний температурные уровни, °К.

Обратное значение удельной затраты работы называется коэффициентом трансформации теплоты или коэффициентом преобразования. Коэффициент трансформации теплоты равен отношению полученной теплоты Т_н к тепловому эквиваленту затраченной работы. Коэффициент трансформации теплоты идеального обратного цикла Карно:

(2)

Для идеального цикла при 0<Т_н/Т_в<1 безразмерное значение э_ид<1, а безразмерное значение м_ид>1. При снижении отношения Т_н/Т_в увеличивается э_ид и снижается м_ид. В реальных компрессионных теплонасосных установках удельная затрата работы э>э_ид и соответственно коэффициент трансформации теплоты м<м_ид вследствие:

1) энергетических потерь из-за необратимого теплообмена между источником низкого потенциала и рабочим агентом в испарителе, а также между рабочим агентом и теплоносителем повышенного потенциала в конденсаторе;

2) замены детандера дроссельным вентилем;

3) сжатия в компрессоре перегретого пара рабочего агента по необратимой политропе вместо обратимого сжатия пара в идеальной установке.

Определим теоретические характеристики теплонасосных установок для условий России при условии, что источником теплоты служит наружный воздух.

Идеальный верхний температурный уровень равен температуре внутреннего воздуха в зимний период. Температуру внутреннего воздуха можно принять +20°С или +293 °К. Однако в реальных установках необратимость процесса теплообмена между рабочим агентом в конденсаторе и теплоносителем повышенного потенциала (т. е. воздухом в помещении) вынуждает повышать Т_в. Для приемлемого теплообмена между рабочим агентом и воздухом должен быть перепад температур около +20°С. Следовательно, температура Т_в составит +40°С или +313 °К.

Идеальный нижний температурный уровень равен температуре наружного воздуха. Для условий России данный параметр имеет различные расчетные значения, которые могут колебаться от –45°С до –20°С. Как нечто среднее рассмотрим расчетную температуру наружного воздуха по параметрам Б для города Перми. Она равна –35°С. Тогда температура хладагента в испарителе должна быть не менее –55°С или 218 °К.

Сейчас мы можем вычислить значения удельной затраты работы и коэффициента трансформации теплоты:

Э = 1- (218/313) = 0,304.

М = (313/218)/((313/218) – 1) = 3,29.

Следовательно, при тех параметрах, которые мы приняли в качестве исходных данных, мы можем максимально получить 3,29 кВт тепловой энергии, затратив 1 кВт электрической. Однако реальная величина полученной тепловой энергии будет несколько меньше, т. к. в расчетах мы не учли необратимость процессов: сжатие перегретого газа в компрессоре и дросселирование в ТРВ. При повышении температуры наружного воздуха эффективность теплового насоса увеличивается (рис. 1).

Рис. 1. Эффективность теплового насоса модели АО54UJ GENERAL.

Тепловой насос является стандартной функцией систем кондиционирования воздуха. Т.е. потребитель, имеющий кондиционер, может воспользоваться функцией теплового насоса для обогрева помещений уже сегодня. Однако для этой функции есть ограничения применения по наружной температуре. Например, в режиме теплового насоса VRF системы кондиционирования GENERAL могут работать до температуры наружного воздуха −15°С. Для сплит систем и чиллеров эта температура выше (обычно −5°С).

Сложилось устойчивое мнение, что обогрев помещений с помощью режима теплового насоса кондиционеров неэкономичен [2]. Попытаемся определить, так это или нет. Для этого рассмотрим три варианта отопления здания.

Первый вариант – стандартный. Отопление здания с помощью водяной системы отопления. Источник тепла – тепловые сети.

Второй вариант — отопление здания с помощью систем кондиционирования с тепловым насосом (до −15°С). При низких наружных температурах – электроотопление.

Третий вариант – отопление с помощью гипотетической теплонасосной установки, функционирующей при низких наружных температурах (естественно, без нарушения законов термодинамики).

Вариант 1. Стандартный.

Расход тепловой энергии на отопление здания за год определяется по следующей формуле:

Q_год = q * V * n (T_в – Т_ср), кВт*ч, (3)

Где

q – удельная тепловая характеристика здания, кВт*ч/(м³*сутки*°С), то есть величина энергии для отопления 1 м³ здания в течение 1 суток, при перепаде температур между наружным и внутренним воздухом 1°С. В данном случае нам удобнее измерять эту величину в кВт*ч. Этот показатель может быть различным и отражает величину энергоэффективности ограждающих конструкций здания. Для Перми эта величина составляет около 0,065 кВт*ч/(м³*сутки*°С).

V – строительный объем здания, м³. Примем строительный объем равным 15000 м³.

n – продолжительность отопительного периода, суток. Для Перми 226 суток.

Т_в – температура внутреннего воздуха, С, примем +20°С.

Т_ср – средняя температура отопительного периода, °С. Для Перми −6,4°С.

Отсюда расход тепловой энергии на отопление здания за год 5 817 тыс. кВт*ч.

Стоимость 1 Гкал тепла 286 рублей, т. е. примерно 0,2 рубля за 1 кВт*ч. Затраты на отопление здания составят 1163 тысячи рублей в год (36 тыс. $/год).

Капитальные затраты на систему отопления и кондиционирования воздуха данного здания составят:

Система кондиционирования ≈ 110 $/м².

Система водяного отопления ≈ 30 $/м².

При площади здания 5000 м² капитальные затраты составят 700 тыс. $.

Полные затраты за период эксплуатации 12 лет будут следующие:

700 + 36×12 = 1132 т. $.