Технические науки/ 5. Энергетика

Селихов Ю.А., Коцаренко В.А., Рябова И.Б.

Национальный технический университет

«Харьковский политехнический институт», Харьков

ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО НАСОСА

Аннотация

Применение новой системы снабжения: горячей водой и отоплением, в которой совместно с электрическим водонагревателем используется геотермальный грунтовый тепловой насос и водяной теплый пол, позволяет: уменьшить себестоимость тепловой энергии за счет снижения материалоемкости и затрат на оборудование, которое используется; экономить органическое топливо; уменьшить тепловую нагрузку и загрязнение окружающей среды.

Постановка проблемы. В последние годы растет интерес к нетрадиционным источникам энергии. И сегодня это уже не праздное любопытство, а осознанное стремление домовладельцев сохранить не только свой финансовый бюджет, но и здоровье, что возможно только при использовании альтернативных источников энергии, таких как тепловой насос (ТН). Особенно остро проблема обозначилась в теплоснабжении объектов жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), где затраты топлива на производство теплоты, превосходят в несколько раз затраты на электроснабжение. Основными недостатками централизованных источников теплоснабжения являются низкая энергетическая, экономическая и экологическая эффективность. А высокие транспортные тарифы на доставку энергоносителей и частые аварии на теплотрассах усугубляют негативные факторы, присущие традиционному централизованному теплоснабжению. Одним из эффективных энергосберегающих способов, дающих возможность экономить органическое топливо, снижать загрязнение окружающей среды, удовлетворять нужды потребителей в технологическом тепле, является применение теплонасосных технологий производства теплоты [1].

Анализ последних исследований и публикаций. Энергетическая целесообразность применения тепловых насосов в качестве энергоисточников убедительно доказана результатами большого числа научных исследований и опытом эксплуатации миллионов теплонасосных установок (ТНУ) в промышленно развитых странах мира [2]. В Украине работают единичные установки, созданные, в основном на элементной базе холодильного оборудования, ввозимого из стран Западной Европы от специализированных фирм производителей. Разительное отставание Украины от стран успешно использующих теплонасосную технологию можно объяснить как объективными факторами – развитие энергетики в государстве осуществлялось в основном по пути централизованного теплоснабжения и теплофикации, так и субъективными – недостаточным вниманием конкретных предприятий к экономии топливно-энергетических ресурсов. Поэтому, на наш взгляд, актуальной является концепция создания таких новых теплоэнергетических систем для отопления, в которых в качестве источников энергии будут использованы возобновляемые источники энергии, в частности – геотермальные тепловые насосы.

Поэтому использование тепловых насосов, экономия органического топлива, улучшение экологической ситуации района потребления тепловой энергии за счет снижения объемов выбросов загрязняющих веществ, к которым относятся продукты сгорания традиционных видов энергии, - органического топлива, которое используется для производства тепловой энергии в котельном оборудовании являются актуальными задачами.

Цель статьи. Предлагается система отопления для коттеджа в комплексе: геотермальный грунтовый тепловой насос и водяной теплый пол с круглосуточным компьютерным управлением – это наиболее эффективное сочетание. Энергия не только «производится» экономно, но и экономно используется. Водяной теплый пол - низкотемпературная система отопления (температура теплоносителя 30-45°С). Если же сравнивать её с традиционной «радиаторной» (температура теплоносителя 75-90°С) системой отопления, то экономия тепловой энергии может достигать до 40-50%.

Для решения поставленных задач нами выполнен анализ технических возможностей различных типов уже работающих универсальных двухконтурных котлов, работающих на органическом топливе, изучены материалы, применяемые в этих установках. Выбран вариант котла, наиболее часто используемого в жилых частных домах, в качестве прототипа для оптимизации, интеграции и автоматизации. Прототипом [3] для дальнейшей оптимизации, интеграции и автоматизации работы выбираем универсальный двухконтурный котел, работающий на мазуте показанный на рис. 1.

Рис. 1. Внутреннее устройство универсального двухконтурного котла

1 - дымоход; 2 –выход дымовых газов; 3 – вентиляторная горелка;

4 – камера сгорания; 5 – двухконтурный теплообменнвй аппарат

Сделав анализ работы прототипа, представленного на рис. 1, были определены его недостатки. Стоимость мазута с доставкой и перекачкой в емкость по месту расположения и использования круглый год составляет порядка ста тысяч гривен за год. Далее, подача мазута в котел осуществляется самотеком. Однако, возгорание мазута в котле осуществляется при температуре 90 °С. Поэтому, мазут необходимо подогреть до подачи в котел. Сгорание мазута в котле приводит к выбросам в атмосферу вредных веществ, а количество батарей отопления в доме к увеличению металоемкости системы отопления.

После рассмотрения недостатков этой системы, нами было принято решение о замене котла с мазутной горелкой на систему: обеспечивающую частное домовладение горячей водой с помощью электрического водонагревателя и отоплением с помощью геотермального грунтового теплового насоса «грунт-вода», а батареи отопления на водяной теплый пол [4]. Нами была разработана новая технологическая схема системы горячего водоснабжения и отопления коттеджа, которая представлена на рис. 2.

Рис.1 - Технологическая схема системы горячего водоснабжения и отопления коттеджа 1 – циркуляционный насос; 2 – аппарат химводоочистки; 3 – бак-аккумулятор; 4 - циркуляционный насос; 5 – электрический водонагреватель; 6 - бак-аккумулятор; 7 - циркуляционный насос; 8 – второй контур охладителя теплового насоса; 9 – первый контур охладителя теплового насоса; 10 – второй контур конденсатора теплового насоса; 11 – первый контур конденсатора теплового нсоса; 12 – универсальный котел с мазутной горелкой; 13 – подача мазута; 14 – подача воздуха; 15 – пользователь; 16 - аппарат химводоочистки; 17 - циркуляционный насос; 18 – компрессор теплового насоса;19 – первый контур испарителя теплового насоса; 20 – второй контур испарителя теплового насоса; 21 - циркуляционный насос; 22 – пожача теплоносителя в режиме кондиционирования; 23 - грунтовый тепловой коллектор; 24 – оборотная вода; 25 – слив воды

Для проверки эффективности работы новой системы отопления из многообразия методов, мы избрали эксергетический метод расчета [4]. Применяем методику оценки эффективности работы системы по эксергии-нетто. По разработанной схеме система была изготовлена и смонтирована на одном частном подворье в Харьковской области. Анализ экспериментальных данных показал, что замена прототипа новой системой оказалась эффективной. В качестве примера в табл.1 и табл.2 приведены затраты эксергии на изготовление прототипа и новой системы отопления соответственно.

Таблица 1 – Расходы эксергии на проектирование и изготовление прототипа

Материал	Масса , кг	Удельная энергоемкость , МДж/кг	Полные расходы эксергии E, МДж
Котел з мазутной горелкой	135	430	58050	0,00338	1,45
Бак для мазута V = 9 м^3	750	60	45000	0,0188	1,125
Металлический лист	40	60	2400	0,001	0,06
Изоляция, м^2	100	114	11400	0,0025	0,285
Вентили	20	150	3000	0,0005	0,075
Расширительный бак V = 0,050 м^3	5	60	300	0,000125	0,0075
Насосы, 2 шт	6	150	900	0,00015	0,0225
Трубопроводи метал.	40	60	2400	0,001	0,06
Трубопроводы ПВХ	20	50	1000	0,0005	0,025
Радиаторы отопления 80 шт.х 8 кг	640	150	96000	0,016	2,4
Вода 0,6 м^3	600	30	18000	0,015	0,45
Всего	–	–	238450	–	5,985
Всего с учетом расходов эксергии на обработку и сборку оборудования (коэффициент 1,2)	–	–	286140	–	–

Таблица 2 – Расходы эксергии на проектирование и изготовление новой системы отопления

Материал	Масса , кг	Удельная энергоемкость , МДж/кг	Полные расходы ексергії E, МДж
Насосы, 6 шт	24	150	3600	0,0006	0,09
Изоляция, м^2	600	114	68400	0,015	1,71
Вентили	20	150	4500	0,00075	0,1125
Бак-аккумулятор – 2 шт. V = 6 м^3	500	60	30000	0,0125	0,75
Установка химводоочистки 2 шт.	200	150	30000	0,005	0,75
Теплообменник – 2 шт.	150	40	6000	0,00375	0,15
Тепловой насос – 1шт.	200	430	86000	0.005	2,15
Вода 0,8 м^3	800	30	24000	0,02	0,6
Трубопроводы метал.	100	60	6000	0,0025	0,15
Трубопроводы ПВХ	70	50	3500	0,00175	0,0875
Всего	–	–	311767	–	7.7942
Всего с учетом расходов эксергии на обработку и сборку оборудования (коэффициент 1,2)	–	–	374120.4	–	–

Результаты эксергетического расчета [5] КПД прототипа и новой системы отопления, и срок окупаемости представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Результаты расчетов

		, год.
0,72	0,92	2,5

Был произведен экономический и эксергетический расчеты срока окупаемости новой системы отопления. Погрешность расчетов составила 5 %.

Выводы

Выбран прототип системы отопления и изучена его работа. Определены недостатки как в работе, так и в конструкции отдельных узлов. По результатам анализа литературных источников и теплотехническому расчету было подобрано лучшее по эффективности оборудование. Расчет эффективности замены старого оборудования на новое проводился в соответствии с методикой оптимизации по сумме эксергии-нетто. Расчет и работа новой системы отопления показали правильность замены оборудования и материалов. Был получен в результате расчета КПД новой системы отопления, а также срок ее энергетической окупаемости.

Литература

1. Эль Садин Хасан. Выбор оптимальных параметров системы теплохолодоснабжения жилого дома//Холодильная техника, 2003, №3, с.18–21.

2. Пять шагов на пути к избавлению от метановой зависимости//Отопление Водоснабжение Вентиляция + кондиционеры, 2006, №1, с. 30–41.

3. Особенности современных систем водяного отопления. – К.: П ДП «Такі справи», 2003. – 176 с. – ил.

4. Овчаренко В.А. Овчаренко А.В. Використання теплових насосів//Холод М+Т, 2006, №2 с. 34–36.

5. Эксергетические расчеты технических систем: Справ. пособие/ Бродянский В.М. и др.: Под ред. Долинского А.А., Бродянского В.М. АН УССР. Ин-т технической теплофизики.- Киев: Наук. Думка, 1991. - 360 с.