Исследование оценки эффективности комбинированного использования тепла грунта и атмосферного воздуха в теплонасосных системах теплохладоснабжения

УДК 620.9, 697

Исследование оценки эффективности комбинированного использования тепла грунта и атмосферного воздуха в теплонасосных системах

теплохладоснабжения

Г. П. Васильев,

научный руководитель группы компаний «ИНСОЛАР», доктор технических наук В. Ф. Горнов,

ОАО «Инсолар-Инвест», директор проектного отделения М. В. Колесова,

ОАО «Инсолар-Инвест», ведущий инженер-эколог

В статье представлены результаты теоретических исследований по оценке эффективности комбинированного использования низкопотенциального тепла грунта и атмосферного воздуха в теплонасосных системах. Численные эксперименты проводились с помощью программного комплекса «HeatPump», обеспечивающего расчёт и определение оптимальных параметров теплонасосных систем теплохладоснаб-жения зданий в зависимости от климатических условий района строительства и теплозащитных свойств объекта теплоснабжения.

Ключевые слова: энергосбережение, теплонасосное оборудование, теплозащитные свойства, тепло-хладоснабжение.

В климатических условиях территории России одним из наиболее перспективных и повсеместно доступных источников низкопотенциальной энергии для теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ) является грунт поверхностных слоёв земли. Эксплуатация ТСТ, использующих тепло грунта, как правило, связана с понижением в течение отопительного сезона температурного потенциала тепла, извлекаемого из грунта.

В то же время в течение отопительного периода неоднократно наблюдаются температуры атмосферного воздуха, превышающие температуру извлекаемого из грунта тепла: периоды оттепелей, переходные периоды года и просто периоды отопительного сезона, в которые температура воздуха повышается. Проведённые исследования показали, что переключение в подобные моменты испарителя теплового насоса с грунта на атмосферный воздух позволит на 20 % сократить требуемое количество термоскважин системы сбора низкопотенциального тепла грунта, стоимость которых сегодня может составлять до 50 % и более от стоимости всей геотермальной теплонасосной системы. При этом обеспечивается более чем 15 %-ная экономия энергии в сравнении с ТСТ, использующими в качестве источника низкопотенциального тепла только грунт.

Десятки тысяч зданий и коммерческих объектов оснащены системами кондиционирования, эксплуатируемыми в зимнее время в режиме теплового насоса и обогревающими помещения. Однако эксплуатация кондиционеров в этом режиме физически возможна и экономически эффективна лишь до температур атмосферного воздуха выше -15 °С. При более низких тем-

пературах кондиционера необходима дублирующая система отопления. Разработанные технические решения позволяют решить эту проблему за счёт переключения при низких температурах атмосферного воздуха на другой источник низкопотенциального тепла - грунт поверхностных слоёв земли. В итоге ТСТ сможет эффективно эксплуатироваться круглый год как в режиме отопления, так и в режиме кондиционирования.

При проведении теоретических исследований и численных экспериментов по оценке эффективности комбинированного использования низкопотенциальной тепловой энергии грунта и наружного воздуха в качестве критерия эффективности работы разрабатываемого теплонасосного энергетического комплекса были приняты коэффициент преобразования (трансформации) энергии и суммарные годовые затраты электрической энергии на полный привод комплекса, включающие все затраты на тепловые и циркуляционные насосы, вентиляторы, автоматику, пиковый электродоводчик и прочее. Рассматривался гипотетический коттедж площадью 200 м2, оснащённый разрабатываемым теп-лонасосным энергетическим комплексом.

С помощью созданного специалистами группы компаний «ИНСОЛАР» программного комплекса «Неа1Ришр» были выполнены два численных эксперимента по моделированию эксплуатационных режимов разрабатываемого теплонасосного энергетического комплекса и оснащённого им гипотетического коттеджа в почвенно-климатических условиях городов Москвы и Туапсе. Выбор городов для проведения численных экс-

ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ I www.endi.ru

№ 1 (55) 2014, январь-февраль

периментов обусловлен наличием в этих городах экспериментальных объектов, оснащаемых разрабатываемыми теплонасосными энергетическими комплексами.

Численный эксперимент № 1

В рамках численного эксперимента № 1 оценивалась эффективность комбинированного использования низкопотенциального тепла грунта и атмосферного воздуха в качестве источников тепла для испарителей тепловых насосов разрабатываемого энергетического комплекса в почвенно-климатических условиях Москвы. Продолжительность отопительного сезона была регламентирована в соответствии с действующими климатологическими нормами.

На рис. 1 представлен ход среднемесячных температур наружного воздуха в Москве. Температура грунта на глубине, не подверженной сезонным колебаниям, была принята равной 5,4 °С.

При проведении численного эксперимента № 1 были использованы основные исходные данные, представленные в табл. 1.

При проведении расчётов в эксперименте № 1 моделировался эксплуатационный режим разраба-

Рис. 1. Ход среднемесячных температур наружного воздуха в Москве

тываемого энергетического комплекса при двух конфигурациях системы сбора низкопотенциального тепла для испарителей тепловых насосов:

- вариант, в котором используется в качестве источника тепла низкого потенциала только грунт;

- вариант, в котором используется в качестве источника тепла низкого потенциала грунт в комбинации с атмосферным воздухом.

Таблица 1

Основные исходные данные, принятые при проведении эксперимента № 1

Параметр Величина

Радиус термоскважин грунтового теплообменника r = 0,080 м

Глубина термоскважин l = 50,00 м

Расход теплоносителя в системе теплосбора G = 5,513 м3/ч

Эффективность теплозащиты здания в расчете на одну термоскважину Rq = 288,684 Вт/°С

Мощность установленного электрооборудования Wust= 4,613 кВт

Кинематическая вязкость теплоносителя системы теплосбора Mu = 1,789E-06 м2/с

Коэффициент теплопередачи от грунта к теплоносителю системы теплосбора Kt = 86,000 Вт/

Теплоёмкость теплоносителя Ct = 1,047 Вт-ч/

Объёмный вес теплоносителя Gt = 1 020,000 кг/м3

Теплопроводность грунта по горизонтали Lx = 2,000 Вт/

Теплопроводность грунта по вертикали Ly = 2,000 Вт/

Коэффициент теплопередачи с поверхности грунта Kp = 23,260 Вт/

Теплоёмкость грунта Cg = 0,642 Вт-ч/

Объёмный вес грунта Gg = 2 000,000 кг/м3

Расчётная температура внутреннего воздуха в помещении (зима) Твн = 20,00 °C

Расчётная температура наружного воздуха (например, наиболее холодной пятидневки) Тн = -28,00 °C

Продолжительность отопительного периода Z0T = 7 мес.

Установленная электрическая мощность привода теплонасосной установки (ТНУ1) W1 = 2,500 кВт

Температура конденсации ТНУ1 (отопление) Тк = 323 К

Термодинамический КПД ТНУ1, доли единицы Nu = 0,650

Температурный напор в конденсаторе ТНУ1 hk = 5 К

Температурный напор в испарителе ТНУ1 hH= 5 К

Температурный напор между внутренним воздухом и теплоносителем системы теплохладоснабжения h0 = 10 К

Установленная электрическая мощность циркуляционных насосов системы теплосбора (грунтового теплообменника) WH = 0,100 кВт

КПД циркуляционных насосов системы теплосбора (грунтового теплообменника), доли единицы Nun = 0,8

Установленная электрическая мощность циркуляционных насосов системы отопления Wot = 0,050 кВт

Потери напора в испарителе ТНУ1 Sn = 2 м вод.ст.

Конфигурация ТСТ, использующая в качестве источника низкопотенциального тепла только атмосферный воздух, в расчётах не рассматривалась, поскольку в данном случае в климатических условиях Москвы не может быть обеспечено выполнение нормативных требований, действующих для систем отопления в наиболее холодную пятидневку года.

На рис. 2, 3 и в табл. 2 приведены результаты расчётов по варианту 1, в котором используется только тепло грунта, и по варианту 2, в котором используется тепло грунта в комбинации с теплом атмосферного воздуха.

Рис. 2. Ход температур теплоносителя в термоскважинах на 1-й (верхняя кривая) и 5-й (нижняя кривая) годы эксплуатации (Москва) для варианта 1 — только грунт

Рис. 3. Коэффициенты преобразования энергии в разрабатываемом энергетическом комплексе для разных вариантов источников низкопотенциального тепла

Численный эксперимент № 2

В рамках численного эксперимента № 2 оценивалась эффективность комбинированного использования низкопотенциального тепла грунта и атмосферного воздуха в качестве источников тепла для испарителей тепловых насосов разрабатываемого энергетического комплекса в почвенно-климатических условиях г. Туапсе. Продолжительность отопительного сезона была регламентирована в соответствии с действующими климатологическими нормами.

На рис. 4 представлен ход среднемесячных температур наружного воздуха в г. Туапсе. Температура грунта на глубине, не подверженной сезонным колебаниям, была принята равной 11,8 °С.

Рис. 4. Ход среднемесячных! температур наружного воздуха в г. Туапсе

При проведении численного эксперимента № 2 были также использованы основные исходные данные, представленные в табл. 1, и изменены лишь климатические данные.

При проведении расчётов в эксперименте № 2, как и в первом эксперименте, моделировался эксплуатационный режим разрабатываемого энергетического комплекса при двух конфигурациях системы сбора низкопотенциального тепла для испарителей тепловых насосов:

- вариант, в котором используется в качестве источника тепла низкого потенциала только грунт;

- вариант, в котором используется в качестве источника тепла низкого потенциала грунт в комбинации с атмосферным воздухом.

Конфигурация энергокомплекса, в которой используется в качестве источника низкопотенциального тепла только атмосферный воздух, в расчётах не рассматривалась, поскольку даже в климати-

Таблица 2

Результаты численного эксперимента № 1

Наименование Единицы измерения Количествово

Вариант 1 Среднегодовой расход энергии на эксплуатацию теплонасосного энергетического комплекса (5-й год эксплуатации). Источник низкопотенциального тепла - грунт кВт-ч 14 903

Вариант 2 Среднегодовой расход энергии на эксплуатацию теплонасосного энергетического комплекса (5-й год эксплуатации). Источник низкопотенциального тепла: грунт + атмосферный воздух кВт-ч 12 917

Экономия энергии в сравнении с вариантом 1 % 13,3

ЭНЕРГОБЕЗОПАСНОСТЬ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / mw.mdf.nt

№ 1 (55) 2014, январь-февраль

Краснодар грунт. Т теплоносителя, °С, год-5, 1_=0 - Краснодар грунт. Т теплоносителя, °С, год-1, 1_=0

12

10

4,5 4 3,5 3 2,5 2 -1,5

2

тт

ГТГ'1^|~|-Г1~ГТ гт

фунт  грунт+возд

о о

2

Рис. 5. Ход температур теплоносителя в термоскважинах на 1-й (верхняя кривая) и 5-й (нижняя кривая) годыI эксплуатации (г. Туапсе), только грунт

ческих условиях Туапсе не может быть обеспечено выполнение нормативных требований, действующих для систем отопления при наступлении и минимальных температур наружного воздуха.

На рис. 5, 6 и в табл. 3 приведены результаты расчетов по варианту 1, в котором используется только тепло грунта, и по варианту 2, в котором используется тепло грунта в комбинации с теплом атмосферного воздуха.

Анализ результатов проведенных численных экспериментов позволяет сделать вывод, что в климати-

Рис. 6. КоэффициентыI преобразования энергии в разрабатываемом энергетическом комплексе для разны/х вариантов источников низкопотенциального тепла

ческих условиях как Москвы, так и юга России использование в качестве источника тепла низкого потенциала для испарителей теплонасосного оборудования наружного воздуха в комбинации с грунтом является весьма эффективным. Экономия энергии при применении этого решения составляет от 13 % в климатических условиях Москвы до 20 % для южных регионов России.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по государственному контракту № 14.516.11.0057 от 21 июня 2013 года.

Таблица 3

Результаты численного эксперимента № 2

Наименование Единицы измерения Количество

Вариант 1 Среднегодовой расход энергии на эксплуатацию теплонасосного энергетического комплекса (5-й год эксплуатации). Источник низкопотенциального тепла - грунт кВт-ч 3389

Вариант 2 Среднегодовой расход энергии на эксплуатацию теплонасосного энергетического комплекса (5-й год эксплуатации). Источник низкопотенциального тепла: грунт + атмосферный воздух кВт-ч 2736

Экономия энергии в сравнении с вариантом 1 % 19,2

8

6

4

Литература

1. Климатический атлас СССР. Ч. 1, 2. - М., 1960, 1962.

2. СНиП 2.08.01-89* «Жилые здания».

3. СНиП 23-01-99* «Строительная климатология».

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

Theoretical study and experiments to assess the effectiveness of combined using of low-grade soil and air heat in heat pump systems

G. P. Vasiliev,

INSOLAR innovative companies, scientific director, D. T. S. V. F. Gornov,

"Insolar-Invest", Department of design, director M. V. Kolesova,

"Insolar-Invest", chief environmental engineer

This article presents results of theoretical studies on the effectiveness of combined using of low-grade soil and air heat in heat pump systems. Experiments were performed by the "HeatPump" program complex, providing the calculation and determination of heat pump systems best parameters for heat and cool supply of buildings depending on climate conditions of the area and on heat shielding properties of objects.

Keywords: energy economy, heat pumps, heat shielding properties, heat and cool supply.

ЭНЕРГCEЕЗCПАСН<CСТbMЭНЕРГ<CСEЕРЕXЕНMЕ / www.endi.ru

№ 1 (55) 2014, Mmapb-ipeBprnb