ТЕПЛОНАСОСНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОХЛАДОСНАБЖЕНИЯ
HEAT-AND-COLD FEED SYSTEM HEAT PUMPING PLANT

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для энергетически и экологически эффективного теплохладоснабжения зданий и сооружений различного назначения.
Известна система вентиляции и кондиционирования воздуха жилых, административных и общественных зданий. Система включает приточно-вытяжной агрегат, в котором по ходу приточного воздуха установлены воздушные клапаны, фильтр, пластинчатый рекуперативный теплоутилизатор, воздухоохладитель, приточный вентилятор, соединенный с приточным воздуховодом с отводами, а по ходу вытяжного воздуха установлены фильтр, пластинчатый теплоутилизатор, вытяжной вентилятор и воздуховод выброса вытяжного воздуха в атмосферу. Энергосберегающая система вентиляции и кондиционирования воздуха позволяет эффективно бороться с наледями на пластинчатом теплообменнике, не снижая коэффициента рекуперации, повышает качество и комфортность воздухораспределения, снижает затраты энергии на подогрев приточного воздуха, а также эффективно использует естественный холод наружного воздуха для снятия теплоизбытков в обслуживаемых помещениях в переходные периоды года (Патент РФ №2244882 от 10.06.2003 г., МПК F24F 5/00, F24F 11/00). Недостатком этой системы является низкая эффективность рекуперации при небольшой разности температур наружного и внутреннего воздуха и невозможность утилизации сбросного тепла вытяжного воздуха в переходный и летний периоды года для нужд теплоснабжения (отопления и горячего водоснабжения).
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является теплонасосная система теплоснабжения (горячего водоснабжения), использующая низкопотенциальное тепло грунта в комбинации со сбросным теплом вентиляционных выбросов здания. Теплонасосная система включает систему сбора низкопотенциального тепла грунта, систему утилизации вторичного тепла вентиляционных выбросов и систему аккумулирования горячей воды. Система обеспечивает здание горячей водой (Статья «Энергоэффективный жилой дом в Москве», журнал "Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика" (АВОК), №4 за 1999 год, стр.4. - Прототип).
Недостатком данной теплонасосной системы является низкая энергетическая эффективность и отсутствие у нее функции кондиционирования и/или охлаждения, в связи с чем для обеспечения современного уровня комфорта в помещениях здания необходимо дополнительно установить систему кондиционирования, требующую соответствующих затрат энергии на ее привод. При этом холод, вырабатываемый теплонасосной системой, рассеивается в грунте.
Этих недостатков лишено предлагаемое изобретение, решающее техническую задачу повышения энергетической и экологической эффективности теплонасосной системы теплохладоснабжения. Эта задача решается за счет того, что теплонасосная система теплохладоснабжения (ТСТ), включающая теплонасосное оборудование, систему теплового аккумулирования, систему сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев Земли и систему утилизации вторичных тепловых ресурсов в виде тепла вентиляционных выбросов, отличается тем, что испарители тепловых насосов последовательно по ходу движения теплоносителя включены в гидравлический контур системы сбора низкопотенциального тепла грунта непосредственно перед грунтовыми теплообменниками, а система утилизации вторичных тепловых ресурсов в виде тепла вентиляционных выбросов включена в гидравлический контур системы сбора низкопотенциального тепла грунта по ходу движения теплоносителя после грунтовых теплообменников перед испарителями тепловых насосов, при этом в гидравлический контур системы сбора низкопотенциального тепла грунта параллельно включена система холодоснабжения или кондиционирования, а система утилизации вторичных тепловых ресурсов выполнена с возможностью использования при необходимости в качестве градирни для выравнивания теплового баланса системы, при этом ТСТ выполнена с возможностью осуществления холодоснабжения как от тепловых насосов, так и от запасенного в грунте холода, при этом система теплового аккумулирования содержит две температурных ступени аккумулирования: низкотемпературную, питаемую от тепловых насосов, и высокотемпературную, питаемую от традиционных источников энергии, при этом оптимальная температура хранения тепловой энергии на первом теплонасосном уровне аккумулирования определяется по формуле, (1):
где
тн
с - стоимость энергии, расходуемой на привод тепловых насосов, руб/кВт·ч;
т
с - стоимость традиционного топлива, руб/кВт·ч;
и
Т - температура испарения хладагента, К;
хв
Т - температура в сети холодного водоснабжения, К;
k
h - разница температур (температурный напор) между оптимальной температурой хранения тепловой энергии на теплонасосном уровне аккумулирования и температурой конденсации паров хладагента в конденсаторе тепловых насосов, К;
η - степень термодинамического совершенства теплонасосного оборудования (КПД).
Энергетическая и экологическая эффективность предлагаемой системы достигается за счет того, что испарители тепловых насосов последовательно по ходу движения теплоносителя включены в гидравлический контур системы сбора низкопотенциального тепла грунта непосредственно перед грунтовыми теплообменниками, а система утилизации вторичных тепловых ресурсов, например тепла вентиляционных выбросов, включена в гидравлический контур системы сбора низкопотенциального тепла грунта по ходу движения теплоносителя после грунтовых теплообменников перед испарителями тепловых насосов, при этом в гидравлический контур системы сбора низкопотенциального тепла грунта параллельно включена система холодоснабжения или кондиционирования, а система утилизации вторичных тепловых ресурсов используется при необходимости как градирня для выравнивания теплового баланса системы.
В предлагаемом изобретении холодоснабжение и/или кондиционирование здания или сооружения осуществляется как от тепловых насосов, так и от холода, аккумулированного в грунте в течение времени, не являющегося пиковым для системы кондиционирования, например ночью.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется схемой, показанной на фиг.1. Теплонасосная система теплоснабжения содержит испарители 1 теплонасосного оборудования, конденсатора 2 теплонасосного оборудования, грунтовые теплообменники 3, вентили 4 и 5, циркуляционные насосы 6, систему утилизации 7 вторичных тепловых ресурсов, аккумуляторы 8 низкотемпературной ступени аккумулирования тепловой энергии, аккумулятор 9 высокотемпературной ступени аккумулирования, систему холодоснабжения 10 и регулировочно-запорные вентили 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17.
Предлагаемая теплонасосная система теплохладоснабжения работает следующим образом.
Теплоноситель системы сбора низкопотенциального тепла (вода или антифриз), охлаждаясь в испарителях 1 теплонасосного оборудования с помощью циркуляционных насосов 6, подается сначала в грунтовые теплообменники 3, а затем в систему утилизации вторичных тепловых ресурсов, например вентиляционных выбросов 7, откуда с максимальным температурным потенциалом поступает обратно в испарители 1. Такая очередность обеспечивает максимальное использование теплоаккумуляционных свойств грунта как источника тепла низкого потенциала, с одной стороны, и максимальный температурный потенциал теплоносителя, поступающего в испарители теплонасосного оборудования 1. При этом в гидравлический контур системы сбора низкопотенциального тепла грунта параллельно включена система холодоснабжения или кондиционирования 10, а система утилизации вторичных тепловых ресурсов 7 используется при необходимости как градирня для выравнивания теплового баланса системы. Холодоснабжение и/или кондиционирование осуществляется как от испарителей тепловых насосов 1, так и от холода, аккумулированного в грунте теплообменниками 3 в не пиковое для системы кондиционирования 10 время суток, например ночью. Переключение режимов осуществляется с помощью вентилей 11-17.
Теплоноситель контура конденсаторов теплонасосного оборудования из конденсаторов 2 с помощью циркуляционного насоса 6 подается в баки-аккумуляторы низкотемпературной ступени аккумулирования тепловой энергии 8, заряжает их от тепловых насосов и возвращается обратно в конденсаторы теплонасосного оборудования 2.
Теплоноситель систем отопления и/или горячего водоснабжения из бака-аккумулятора низкотемпературной ступени аккумулирования тепловой энергии 8 частично поступает в системы отопления и/или горячего водоснабжения через бак-аккумулятор высокотемпературной ступени аккумулирования тепловой энергии 9, в котором за счет традиционных и других источников тепловой энергии (тепло от ТЭЦ, электроэнергия и пр.) догревается до максимально возможной температуры. При этом оптимальная температура хранения тепловой энергии на первом теплонасосном уровне аккумулирования определяется по формуле (1). Для пояснения вывода формулы (1) рассмотрим задачу оптимизации температурного режима аккумуляционной ТСТ.
хв
опт
к
гв
ТСТ включает в себя баки-аккумуляторы горячей воды, в которых вода нагревается тепловыми насосами от температуры в сети холодного водоснабжения Т, К, как правило это 278 К (5°С), до некоторой оптимальной температуры Т, К, не превышающей температуру конденсации паров хладагента в конденсаторе теплового насоса - Т, К. Дальнейший нагрев воды до температуры, необходимой, например, для горячего водоснабжения ГВ (Т, К), происходит за счет традиционных источников энергии - электроэнергия, ЦТП, котел и прочее.
гв
В этом случае стоимость энергии, расходуемой системой горячего водоснабжения, можно определить следующим образом, Р:
в
где с - теплоемкость воды;
тн
с - стоимость энергии, расходуемой на привод тепловых насосов;
т
с - стоимость традиционного топлива;
гв
W - потребность (расход) в горячей воде;
р
тр
К  - реальный коэффициент трансформации теплонасосной системы горячего водоснабжения, представляющий собой отношение вырабатываемой полезной тепловой энергии к энергии, затрачиваемой на привод системы, и определяемый по формуле:
и
где Т - температура испарения хладагента, К;
k
h - разница температур (температурный напор) между оптимальной температурой воды и температурой конденсации паров хладагента, К;
η - степень термодинамического совершенства ТСТ (КПД).
гв
С учетом выражения количество энергии, расходуемое системой горячего водоснабжения, будет выглядеть следующим образом, Р:
опт
k
к
к
Вспомнив, что (Т+h)=Т, где Т - температура конденсации паров холодильного агента, выражение запишем в следующем виде:
После элементарных преобразований выражение можно записать в следующем виде:
гв
k
в
гв
Чтобы определить экстремумы функции Р, продифференцируем полученное выражение по переменной Т, приравняем полученное выражение для первой производной «0» и разделим полученное уравнение на с·W, неравное «0».
или
В результате оптимальная температура конденсации паров холодильного агента ТСТ будет равна:
опт
k
к,
Таким образом, вспомнив, что (Т+h)=Т получим искомое выражение для оптимальной температуры воды в баках-аккумуляторах, нагреваемых тепловыми насосами:
Предположим, что:
и
Т=268 К;
хв
Т=278 К;
k
h=5 К;
η=0,75;
тн
С=0,74 руб за 1 кВт·ч;
т
С=0,19 руб за 1 кВт·ч.
к
Результаты расчета представлены на фиг.2 в виде графической зависимости приготовления 1 литра горячей воды от температуры конденсации Т.
тн
т
к
Представленная на фиг.2 зависимость соответствует тарифу на электроэнергию (от когенерационных установок) для жилых домов, оборудованных электроплитами. С соответствует дневному тарифу, а С - ночному тарифу. Догрев горячей воды в баках-аккумуляторах производится ночью по ночному тарифу. Как видно из графика, оптимальной температурой конденсации является Т=311 К.
к
тн
т
к
На фиг.3 представлена зависимость приготовления 1 литра горячей воды от температуры конденсации Т при С=1,0 руб за 1 кВт·ч и С=0,4 руб за 1 кВт·ч. Эти параметры примерно соответствуют догреву ГВ от тепловой сети. В этом случае, оптимальной температурой конденсации является Т=320,5 К.
Для пояснения вывода формулы (1) рассмотрим задачу оптимизации температурного режима аккумуляционной ТСТ.
хв
опт
к
гв
ТСТ включает в себя баки-аккумуляторы горячей воды, в которых вода нагревается тепловыми насосами от температуры в сети холодного водоснабжения Т, К, как правило это 278 К (5°С), до некоторой оптимальной температуры Т, К, не превышающей температуру конденсации паров хладагента в конденсаторе теплового насоса - Т, К. Дальнейший нагрев воды до температуры, необходимой, например, для горячего водоснабжения ГВ (Т, К), происходит за счет традиционных источников энергии - электроэнергия, ЦТП, котел и прочее.
гв
В этом случае стоимость энергии, расходуемой системой горячего водоснабжения, можно определить следующим образом, Р:
в
где с - теплоемкость воды;
тн
с - стоимость энергии, расходуемой на привод тепловых насосов;
т
с - стоимость традиционного топлива;
гв
W - потребность (расход) в горячей воде;
р
тр
К  - реальный коэффициент трансформации теплонасосной системы горячего водоснабжения, представляющий собой отношение вырабатываемой полезной тепловой энергии к энергии, затрачиваемой на привод системы, и определяемый по формуле:
и
где Т - температура испарения хладагента, К;
k
h - разница температур (температурный напор) между оптимальной температурой воды и температурой конденсации паров хладагента, К;
η - степень термодинамического совершенства ТСТ (КПД).
гв
С учетом выражения "Ошибка! Источник ссылки не найден" количество энергии, расходуемое системой горячего водоснабжения, будет выглядеть следующим образом, Р:
опт
k
к
к
Вспомнив, что (Т+h)=Т, где Т - температура конденсации паров холодильного агента, выражение запишем в следующем виде:
После элементарных преобразований выражение можно записать в следующем виде:
гв
k
в
гв
Чтобы определить экстремумы функции Р, продифференцируем полученное выражение по переменной T, приравняем полученное выражение для первой производной «0» и разделим полученное уравнение на с·W, неравное «0».
или
В результате оптимальная температура конденсации паров холодильного агента ТСТ будет равна:
опт
k
к
Таким образом, вспомнив, что (Т+h)=Т, получим искомое выражение для оптимальной температуры воды в баках-аккумуляторах, нагреваемых тепловыми насосами:
Предположим, что:
и
Т=268 К;
хв
Т=278 К;
k
h=5 К;
η=0,75;
тн
С=0,74 руб за 1 кВт·ч;
т
С=0,19 руб за 1 кВт·ч.
к
Результаты расчета представлены на фиг.2 в виде графической зависимости приготовления 1 литра горячей воды от температуры конденсации Т.
тн
т
к
Представленная на фиг.2 зависимость соответствует тарифу на электроэнергию (от когенерационных установок) для жилых домов, оборудованных электроплитами. С соответствует дневному тарифу, а С - ночному тарифу. Догрев горячей воды в баках аккумуляторах производится ночью по ночному тарифу. Как видно из графика, оптимальной температурой конденсации является Т=311 К.
к
тн
т
к
На фиг.3 представлена зависимость приготовления 1 литра горячей воды от температуры конденсации Т при С=1,0 руб за 1 кВт·ч и С=0,4 руб за 1 кВт·ч. Эти параметры примерно соответствуют догреву ГВ от тепловой сети. В этом случае, оптимальной температурой конденсации является Т=320,5 К.
Основным достоинством и преимуществом предлагаемой теплонасосной системы теплоснабжения является ее энергетическая и экономическая эффективность. Использование теплонасосной системы одновременно для приготовления горячей воды и кондиционирования позволяет в условиях России на 1 кВт энергии, затрачиваемой на привод системы, получать 3-4 кВт полезного тепла и 2-3 кВт холода для системы кондиционирования. Кондиционирование здания за счет «холода», саккумулированного в грунте во вне пиковое для системы кондиционирования время суток, например ночью, позволяет значительно сократить установленную холодильную мощность теплонасосного оборудования и снизить стоимость всей теплонасосной системы.