Каскадные теплонасосные системы теплохладоснабжения - новое поколение энергоэффективного оборудования

УДК 621.577.2

Каскадные теплонасосные системы теплохладоснабжения — новое поколение энергоэффективного оборудования

Г. П. Васильев,

Группа компаний «Инсолар», научный руководитель, доктор технических наук В. Ф. Горнов,

ОАО «Инсолар-Инвест», инженер В. Ф. Кужелев,

ОАО «Инсолар-Инвест», инженер М. В. Колесова,

ОАО «Инсолар-Инвест», инженер-эколог, аспирант РУДН

В статье представлены научно-технологические решения для создания новых видов теплонасосных систем теплохладоснабжения, обеспечивающих экономию энергии, в том числе за счёт повышения энергетической эффективности в системах теплохладоснабжения зданий и сооружений различного назначе-

Ключевые слова: каскадная теплонасосная система, теплохладоснабжение, теплоаккумуляционные свойства грунта, когенерация, энергетическая эффективность.

В последнее десятилетие в мире всё большее распространение получают новые энергоэффективные технологии жизнеобеспечения зданий, базирующиеся на применении теплонасосных систем теплохла-доснабжения (ТСТ). Все широкомасштабные программы по экономии энергии, реализуемые за рубежом, предусматривают их широкое использование.

В почвенно-климатических условиях России наиболее эффективными являются геотермальные ТСТ. В англоязычной технической литературе такие системы обозначаются как «GHP» - «geo-thermal heat pumps», геотермальные тепловые насосы. Наибольшее распространение эти системы получили в США, Канаде, Австрии, Германии, Швеции и Швейцарии. Сегодня в мире общая установленная мощность подобных ТСТ приближается к 7 млн кВт [1].

Сегодня основные технологически значимые пилотные объекты, оснащенные ТСТ, использующими низкопотенциальное тепло поверхностных слоёв грунта, созданы, в частности, при участии предприятий группы «Инсолар». Практический опыт и ноу-хау в области разработки, проектирования, монтажа и эксплуатации теплонасосных систем теплоснабжения в почвенно-климатических условиях России позволили специалистам группы сформулировать идеологию нового поколения каскадных теплонасосных систем теплохладоснабжения зданий, когенерирую-щих тепловую энергию и холод. В основу предлагаемой идеологии положена идея повышения энергетической эффективности теплонасосных систем теплоснабжения зданий за счёт применения каскадного

теплонасосного оборудования, адаптирующегося к температурному режиму используемого источника тепловой энергии низкого потенциала. Каскадные ТСТ включают две ступени теплонасосного оборудования, которые, в зависимости от режима эксплуатации и температурного режима источника тепла низкого потенциала, работают либо параллельно, либо в каскаде (первая и вторая ступень).

Важной особенностью каскадных ТСТ является расширение их номинального режима эксплуатации при отрицательных температурах источника низкопотенциального тепла. Дело в том, что понижение нижнего температурного предела используемого низкопотенциального тепла до -20 °С позволит более эффективно использовать такие повсеместно доступные источники низкопотенциальной тепловой энергии, как атмосферный воздух, вентиляционные выбросы зданий, а также грунт поверхностных слоев земли, в частности так называемый эффект «нулевой завесы» - замораживание и оттаивание поровой влаги в грунтовом массиве системы теплосбора.

Энергетическая эффективность эксплуатации теплонасосных систем теплоснабжения в значительной степени определяется температурными режимами источника теплоты низкого потенциала и подсистем распределения теплоты: систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения, которые изменяются во времени как в течение отопительного сезона, так и в течение всего года или даже нескольких лет эксплуатации. Поэтому для оценки эффективности эксплуатации ТСТ исполь-

зуются так называемые расчетные параметры, соответствующие определенным расчетным периодам года, например, период наиболее холодной пятидневки. Важнейшими параметрами расчетного периода являются расчетные температуры источника теплоты низкого потенциала и подсистем распределения теплоты.

Аналитические исследования и прогнозы Международного энергетического агентства, а также ведущих европейских компаний [2] подтверждают, что последние мировые тенденции в совершенствовании конструкций ТСТ нацелены на реализацию как новых конструктивных концепций оборудования, так и на повышение эффективности реализуемых термодинамических циклов с помощью:

- понижения температуры перегретого пара и/или переохлаждения конденсата;

- каскадных циклов с внутренними теплообменниками;

- разработки новых высокоэффективных и озо-нобезопасных рабочих тел.

На рис. 1 приведен пример гидравлической схемы каскадной ТСТ, работающей в параллельном режиме выработки тепловой энергии для отопления и ГВС и использующей каскадный цикл с переохлаждением конденсата.

Схема ТСТ, представленная на рис. 1, предусматривает три рабочих режима:

- режим отопления помещений: работает только система отопления и тепловой насос нижней ступени (зимнее время года, резервуар хранения горячей воды полностью заполнен);

- режим бытового горячего водоснабжения: работает только система бытового горячего водоснабжения и тепловой насос верхней ступени, теплота извлекается из грунтового источника (лето, отопление не требуется);

- параллельный режим: осуществляется отопление и горячее водоснабжение. Работают обе ступени теплового насоса. Источник низкопотенциальной теплоты для нижней ступени ТСТ - грунт поверхностных слоев, а для верхней ступени - переохлажденный конденсат теплонасосного оборудования нижней ступени (зима, резервуар хранения горячей воды частично заполнен).

На рис. 1: 1 - подача горячей воды в систему ГВС; 2 - конденсатор верхней ступени в баке-аккумуляторе ГВС; 3 - ввод сетевой холодной воды для системы ГВС; 4 - переохладитель конденсата первой ступени - испаритель верхней ступени; 5 - компрессор верхней ступени; 6 - конденсатор нижней ступени; 7 - подсистема отопления; 8 - компрессор нижней ступени; 9 - испаритель нижней ступени; 10 - испаритель верхней ступени (теплообмен с источником низкопотенциальной теплоты - грунта); 11 - термоскважина (вертикальный грунтовый теплообменник); 12 - циркуляционный насос в системе распределения теплоты для отопления помещений; 13 -насос источника низкопотенциальной теплоты; 14 -расширительный вентиль; 15 - обратный клапан.

Эффективность тепловых насосов принято характеризовать величиной безразмерного коэффициента трансформации энергии Ктр, определяемого для идеального цикла Карно по следующей формуле:

К = °

тр у у

где То - температурный потенциал тепла, отводимого в систему отопления или теплоснабжения, К;

Ти - температурный потенциал источника тепла, К.

Коэффициент трансформации теплонасосной системы теплоснабжения Ктр представляет собой отношение полезного тепла, отводимого в систему теплоснабжения (потребителю), к энергии, затрачиваемой на работу ТСТ, и численно равен количеству полезного тепла, получаемого при температурах То и Ти, на единицу энергии, затраченной на привод ТСТ. Реальный коэффициент трансформации отличается от идеального, описанного формулой (1), на величину коэффициента Н, учитывающего степень термодинамического совершенства ГТСТ и необратимые потери энергии при реализации цикла.

На рис. 2 представлены зависимости реального и идеального коэффициентов трансформации (Ктр) теплонасосной системы теплоснабжения от температуры источника тепла низкого потенциала Ти и температурного потенциала тепла, отводимого в систему отопления То. При построении зависимостей, представленных на рис. 2, степень термодинамического совершенства ГТСТ Н была принята равной 0,55, а температурный напор (разница температур хладона и теплоносителя) в конденсаторе и в испарителе тепловых насосов был равен +7 °С. Эти значения степени термодинамического совершенства Н и температурного напора между хладоном и теплоносителями системы отопления и теплосбора представляются близкими к действительности с точки зрения учета реальных параметров теплообменной аппаратуры (конденсатор и испаритель) тепловых насосов, а также сопутствующих затрат электрической энергии на привод циркуляционных насосов, систем автоматизации, запорной и регулирующей арматуры.

Среди вариантов возможных решений исследуемой проблемы расширения используемого темпера-

№ 3 (45)2012, май-июнь

redaktor@endf.ru

турного диапазона источников низкопотенциального тепла к рассмотрению приняты два основных варианта ТСТ. Первый вариант - одноступенчатая ТСТ, второй вариант - каскадная. При сравнении вариантов рассматривался следующий рабочий диапазон ТСТ:

- температура теплоносителя, подаваемая в систему ГВС или отопления +65 °С;

- температура источника тепла низкого потенциала -20 °С.

Этот диапазон рабочих температур представляется, с одной стороны, наиболее рациональным с точки зрения требований, предъявляемым к системам теплоснабжения нормативными документами, включая требования СанПиН [3], в соответствии с которыми «температура горячей воды в местах водо-разбора независимо от применяемой системы теплоснабжения должна быть не ниже +60 °С и не выше +75 °С». А с другой стороны, нижний температурный предел этого диапазона расширяет возможности использования в качестве источников низкопотенциального тепла атмосферного воздуха, вентвыбросов зданий и грунта поверхностных слоёв земли.

12

И

10 _ 9 ? 8

* 6

5

3

2

1

0

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14

Рис. 2. Зависимости реального и идеального коэффициентов трансформации Ктр от температуры источника тепла низкого потенциала Ти и температурного потенциала тепла, отводимого в систему отопления То, при Ь=0,55

В общем случае степень термодинамического совершенства теплонасосных систем теплоснабжения Ь как для одноступенчатого варианта, так и для

каскадной системы зависит от многих параметров, таких как: мощность компрессоров, качество производства комплектующих теплового насоса, необратимых энергетических потерь, которые, в свою очередь, включают:

- потери тепловой энергии в соединительных трубопроводах;

- потери на преодоление трения в компрессоре;

- потери, связанные с неидеальностью тепловых процессов, протекающих в испарителе и конденсаторе, а также с неидеальностью теплофизических характеристик хладонов;

- механические и электрические потери в двигателях и прочее.

В табл. 1 представлены средние значения степени термодинамического совершенства Ь для некоторых типов компрессоров, используемых в современных теплонасосных системах теплоснабжения [4].

Для проведения сравнения одноступенчатого и каскадного вариантов были рассчитаны основные технические характеристики спирального герметичного компрессора фирмы Соре1а^ марки ZB38KCE-TFD во всём диапазоне температур возможной эксплуатации и для хладагентов марок R134а, R407С и R404А. Расчёты показали, что возможные режимы эксплуатации для одного и того же компрессора в значительной степени определяются используемым холодильным агентом. Так, для рассматриваемого компрессора ZB38KCE-TFD диапазоны рабочих температур на хладагенте R134а следующие: Tк от +12 до +75 °С, Ти от -20 до +15 °С. На хладагенте R407С диапазоны рабочих температур у этого же компрессора: Tк от +15 до +65 °С, Ти от -25 до +12,5 °С. А на хладагенте R404А диапазоны рабочих температур у этого же компрессора: Tк от +10 до +60 °С, Ти от -40 до +10 °С.

В табл. 2 представлены результаты расчёта прогнозных характеристик и энергетической эффективности одноступенчатой и каскадной ТСТ [5-7]. Как видно из таблицы, одноступенчатую ТСТ на интересующие режимы создать невозможно, а из возможных вариантов каскадной ТСТ наиболее эффективным как с точки зрения эксплуатации в расчётном и базовых режимах, так и с точки зрения удельной стоимости 1 кВт тепловой мощности компрессорного оборудования представляется вариант каскадной ТСТ, у кото-

Таблица 1

Эффективность некоторых типов компрессоров, используемых в современных теплонасосных системах теплоснабжения

Мощность, кВт Тип компрессора Эффективность (степень термодинамического совершенства) h, доли ед.

300 - 3000 Открытый центробежный 0,55 - 0,75

50 - 500 Открытый поршневой 0,5 - 0,65

20 - 50 Полугерметичный 0,45 - 0,55

2 - 25 Герметичный, с R-22 0,35 - 0,5

0,5 - 3,0 Герметичный, с R-12 0,2 - 0,35

< 0,5 Герметичный < 0,25

Т °С

'и' С

Таблица 2

Результаты сравнения вариантов одноступенчатой и каскадной ТСТ

Режим Тк=65 °С, Ти=-20°С Хладагент Т °Г И' тк,°с Ктр ид, доли ед. Ктр реал, доли ед. и, доли ед. Потребляемая электрическая мощность, кВт Холодопро-изводитель- ность 2<30 тст, кВт Количество компрессоров 1-ой ступени Теплопроиз- водитель-ность 2<3тст, кВт Удельная стоимость 1 кВт тепловой мощности при стоимости компрессора 20000 руб.

Одноступенчатая ТСТ Ш34а реализация невозможна

Е407С реализация невозможна

Е404А -15,00 60,00 4,44 1,99 0,45 5,77 4,50 1,00 11,20 1785,71

Каскадная ТСТ первая ступень Е134а -20,00 25,00 6,62 3,54 0,53 1,50 3,80 1,00 5,22

Е407С -20,00 25,00 6,62 3,48 0,53 2,15 5,32 1,00 7,37

Е404А -20,00 25,00 6,62 3,85 0,58 2,67 7,61 1,00 10,15

вторая ступень Е134а 15,00 65,00 6,76 3,92 0,58 3,80 11,10 1,00 14,70

Е407С 12,50 65,00 6,44 3,43 0,53 5,66 13,75 1,00 19,15

Е404А невозможно

каскадная ТСТ в целом Е134а +Е134а -20,00 65,00 3,98 2,10 0,53 6,99 8,08 2,13 14,70 4253,66

Е407С +Е134а -20,00 65,00 3,98 2,09 0,53 7,04 8,01 1,51 14,70 3409,67

Е404А +Е134а -20,00 65,00 3,98 2,19 0,55 6,72 8,32 1,09 14,70 2848,43

Е407С +Е407С -20,00 65,00 3,98 1,98 0,50 9,67 9,93 1,87 19,15 2992,87

Е404А -20,00 65,00 3,98 2,06 0,52 9,28 10,31 1,35 19,15 2459,20

+Е407С

Базовый режим эксплуатации ТСТ

Одноступенчатая ТСТ Е404А -10 45 5,78 2,97 0,51 4,20 8,30 1,00 12,30

Каскадная ТСТ Е134а +Е134а -10 45 5,78 3,12 0,54 7,44 15,79 2,13 22,85 2735,98

Е407С +Е134а -10 45 5,78 2,98 0,51 7,67 15,52 1,51 22,82 2196,13

Е404А +Е134а -10 45 5,78 2,98 0,51 6,97 14,13 1,09 20,76 2016,83

Е407С +Е407С -10 45 5,78 2,93 0,51 10,06 19,92 1,87 29,52 1941,75

Е404А +Е407С -10 45 5,78 2,93 0,51 9,20 18,19 1,35 26,96 1746,63

ю

Таким образом, новое поколение каскадных ТСТ позволяет решить следующие задачи:

- повысить температурный потенциал вырабатываемого тепла до +65...+70 °С, что значительно расширяет область применения ТСТ и позволяет полностью обеспечить температурные режимы систем горячего водоснабжения и более чем на 80 % - температурные режимы систем отопления многоэтажных зданий;

- повысить энергетическую эффективность ТСТ и довести экономию энергии от её применения до 60 % в сравнении с традиционными системами теплоснабжения;

- существенно (более чем на 15 %) повысить годовой коэффициент использования установленной мощности теплонасосного оборудования и коэффициент замещения традиционного ископаемого топлива;

- расширить нижний температурный предел используемого низкопотенциального тепла до -20 °С [8].

Решение этих задач будет кардинальным образом способствовать преодолению проблем, сдерживающих сегодня широкое внедрение теплонасосных систем в национальную экономику России. Фактически каскадные ТСТ максимально отвечают с одной стороны, геоклиматическим условиям территории РФ, а с другой - требованиям существующего оборудования систем отопления и ГВС. С учетом тенденций развития отечественной и мировой энергетики каскадные ТСТ можно оценить как крайне перспективные для экономики страны.

Литература

1. Sanner B. Ground Heat Sources for Heat Pumps (classification, characteristics, advantages). Course on geo-thermal heat pumps, 2002.

2. International Energy Agency [Электронный ресурс]. Код доступа: www.iea.org

3. Изменение к СанПиН 2.1.4.1074-01. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения. Санитарно-эпидемиологические правила и нормы СанПиН 2.1.4.2496-09.

4. Popovski К., Popovska Vasilevska S. Theoretical background International Course on geothermal heat pumps, 2002.

5. Васильев Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли. - М.: Красная звезда, 2006. - 220 с.

6. Васильев Г. П. Эффективность и перспектива использования тепловых насосов в городском хозяйстве Москвы // Энергосбережение. - 2007. - № 8. - С. 63-65.

7. Васильев Г. П. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России // АВОК. - 2007. - № 5. - С. 58-68.

8. Пасков В. В., Васильев Г. П. Рациональная интеграция тепловых насосов в систему централизованного теплоснабжения // АВОК. - 2009. - № 1. - С. 18-20.

Cascading heat-pump system - the next generation energy efficient supply in heat-pump equipment

G. P. Vasilev,

Group of companies "Insolar", scientific director, Doctor of Technical Sciences

V. F. Gornov,

OJSC "Insolar-Invest", engineer

V. F. Kyzhelev,

OJSC "Insolar-Invest", engineer

M. V. Kolesova,

OJSC "Insolar-Invest", environmental engineer

We present the scientific-technical solutions in creating of new types of heatpump systems for heat and cool supply that provide energy saving, also due to increasing of energy efficiency in heat and cool supply systems for buildings and structures for the different purposes.

Keywords: cascade heatpump system, heat and cool supply, heat-accumulative propertions of ground, cogeneration, energy effeciency.

рой первая ступень реализована на хладагенте R404А, а вторая ступень - на R134а. Этот вариант ТСТ при сравнительно низкой стоимости 1 кВт тепловой мощности компрессора имеет достаточно высокий коэффициент преобразования энергии Ктр=2,19 в расчётном каскадном режиме и Ктр=2,98 в базовом одноступенчатом режиме эксплуатации. При этом каскадная ТСТ может быть реализована на двух компрессорах ZB38KCE-TFD, остальные варианты потребуют большего числа компрессоров.

Трёхмерная модель макета созданной каскадной теплонасосной установки представлена на рис. 3.

Рис. 3. Макет каскадной теплонасосной установки