Использование воздушных тепловых насосов для отопления

Использование воздушных тепловых насосов GENERAL
для отопления зданий в условиях России
Сергей Брух. Ассоциация Японские Кондиционеры
bruh@jac.ru
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 Тв, определяется для идеального цикла Карно по
формуле:
эид = 1 −
Тн
Тв
(1)
где Тв и Тн – 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 Тн к тепловому
эквиваленту затраченной работы. Коэффициент трансформации теплоты идеального
обратного цикла Карно:
мид =
Тв /Тн
[(Т в / Т н ) − 1]
(2)
Для идеального цикла при 0<Тн/Тв<1 безразмерное значение эид<1, а безразмерное
значение мид>1. При снижении отношения Тн/Тв увеличивается эид и снижается мид. В
реальных компрессионных теплонасосных установках удельная затрата работы э>эид и
соответственно коэффициент трансформации теплоты м<мид 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 Тв. Для приемлемого теплообмена между рабочим
агентом и воздухом должен быть перепад температур около +20 ˚С. Следовательно,
температура Тв 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).
4
3
КЭЭ теплового насоса
5
2
10
5
0
-5
-10
-15
Температура наружного воздуха, С
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:
Qгод = q * V * n (Tв – Тср), 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.
Тв – температура внутреннего воздуха, С, примем +20 ˚С.
Тср – 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. $.
Вариант 2. До -15 используется тепловой насос GENERAL. Ниже – электрическое
отопление.
Расход тепловой энергии на отопление здания за год 5 817 тыс. кВт*ч. Но режим
теплового насоса может работать при наружной температуре до -15 ˚С. Поэтому
необходимо определить расход тепловой энергии для отопления здания за период
эксплуатации теплонасосной установки. Для этого приведем следующий график (рис. 2).
Температура наружного
воздуха, С.
-50
Электроотопление
-40
-30
Тепловой насос GENERAL
-20
-10
0
10
20
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Количество часов с температурой ниже данной, час/год
Рис. 2. Число часов за отопительный период со среднесуточной температурой наружного
воздуха, равной и ниже данной. Город Пермь.
Расход тепловой энергии зданием при температуре наружного воздуха от +8 ˚С до –15
˚С можно определить, вычислив определенный интеграл (площадь оранжевой фигуры рис.
2):
5420
Q−15 =
∫ (q / 24) * V * (T
в
− Т нар )dn
(4)
1050
Для вычисления определенного интеграла необходимо определить функциональную
зависимость наружной температуры Тнар от величины часов отопительного периода.
Проведем аппроксимацию коэффициентов А0 ÷ А4 следующей функции:
Тнар = F(n) = А0 + А1*nА2+А3*nА4
(5)
В результате оптимизации значений целевой функции методом Ньютона получены
следующие коэффициенты:
А0 = -49
А1 = 7,3
А2 = 0,22
А3 = 1,6*10-9
А4 = 2,6
Подставляя полученные значения в формулу (4) и решая полученное уравнение
получаем расход тепловой энергии на отопление здания до температуры наружного
воздуха –15 ˚С: Qгод = 4 196 т. кВт*ч. Это составляет 72% от общего расхода тепловой
энергии зданием на нужды отопления за год.
Для определения расхода электроэнергии теплонасосными установками за период их
работы в течение года необходимо определить удельную затрату электроэнергии при
средней температуре наружного воздуха. Средняя температура наружного воздуха за
период от +8 ˚С до –15 ˚С равна –2,9 ˚С. Удельная затрата электроэнергии при такой
температуре наружного воздуха равна 0,31 (рис. 1). Т.е. затрата электроэнергии примерно
в 3 раза меньше полученной тепловой энергии.
Расход электроэнергии за весь период эксплуатации тепловых насосов равен: Nгод =
1301 тыс. кВт*ч. Расход электроэнергии за оставшийся период отопления прямым
электронагревом 1621 т. кВт*ч. Учитывая, что стоимость электроэнергии составляет
около 1,26 рублей за кВт*ч, затраты на электроэнергию составят 3 681 тыс. рублей или
123 тыс. $ в год.
Капитальные затраты на систему отопления и кондиционирования воздуха данного здания
составят:
Система кондиционирования ≈ 110 $/м2.
Система электрического отопления ≈ 10 $/м2.
(110+10)*5000=600 тыс. $.
Полные затраты:
600 + 123*12 = 2076 тыс. $.
Вариант 3. Воздушный тепловой насос.
Средняя температура наружного воздуха за отопительный период равна –6,4 ˚С.
Удельная затрата электроэнергии при данной температуре равна 0,32 [3].
Расход электроэнергии за весь период эксплуатации тепловых насосов равен 1861 тыс.
кВт*ч.
Затраты на электроэнергию составят 2345 тыс. рублей в год (78 тыс. $/год).
Капитальные затраты на систему отопления и кондиционирования воздуха данного здания
составят:
Система кондиционирования ≈ 120 $/м2.
120*5000=600 тыс. $.
Полные затраты:
600 + 78*12 = 1 538 тыс. $.
Основные выводы.
1. Использование низкопотенциальной тепловой энергии окружающего воздуха при
применении тепловых насосов экономически целесообразно только при отношении
стоимости электроэнергии и тепловой энергии менее 3.
2. Целесообразно использование тепловых насосов в системах комбинированного
отопления здания (от +8 ˚С до –15 ˚С тепловой насос, ниже –15 ˚С электроотопление),
как альтернатива полному электроотоплению.
3. Необходима разработка тепловых насосов с возможностью работы при низких
температурах наружного воздуха.
Литература:
1. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник. / А.М. Бакластов,
В.М. Бродянский, Б.П. Голубев и др. – М.: Энергоатомиздат, 1983.
2. Журнал «Мир климата» №3. Работа сплит-системы в условиях низких температур.
Георгий Литвинчук.
3. FUJITSU GENERAL LIMITED. VRF система кондиционирования воздуха серии J.
Конструкция и технические данные. 2004.