Предпосылки для применения установки ТН-ВГТО

Республика Армения не имеет собственных природных ресурсов органического топлива и в результате закупает его в России. При низких темпах развития промышленной инфраструктуры, наибольшая часть завозимого топлива используется для выработки электроэнергии на ТЭС, на ряде промпредприятий, а также населением для отопления, горячего водоснабжения зданий (выработанная электроэнергия частично и для охлаждения помещений).

Учитывая резко-континентальный климат построенные в Армении в советский период много- и малоэтажные здания имеют наружные ограждающие конструкции со средними, а иногда и низкими теплотехническими характеристиками. По этой причине среднесезонные удельные отопительные и охлаждающие нагрузки зданий в несколько раз превосходят европейские и российские показатели, что приводит к превышению энергопотребления на данные нужды.

В Армении проведена массовая передача жилья в собственность населения и созданы домовые сообщества, которые не имеют достаточного финансирования для осуществления мероприятий по утеплению наружных стройконструкций. Поэтому расход топлива на теплоснабжение ныне эксплуатируемых зданий увеличивается. Несмотря на положительные результаты ряда пилотных проектов по реконструкции и утеплению зданий, финансируемых со стороны международных организаций, дела с внедрением таких мероприятий не продвигаются.

Помимо этого увеличению расхода топлива способствует использование населением малоэффективных источников теплоты, в основном, индивидуальных внутриквартирных газовых котлов. Котлы ввезены в республику из европейских или других стран, производство которых иногда является нелицензированным. Нередко из-за дешевизны и общедоступности используются газовые печки и электронагреватели, имеющие низкие показатели энергоэффективности.

При финансировании зарубежных инвесторов построены две опытные когенерационные установки. Данные установки эксплуатируются более пяти лет и имеют положительные показатели. Однако, данный опыт не нашел широкого применения: несмотря на высокую энергоэффективность, установки предполагают значительные первоначальные капитальные вложения, что затруднительно при отсутствии денежных средств у населения и домовых сообществ.

Актуальность комплексных систем теплохладоснабжения

В создавшихся условиях решением вопроса может быть применение высокоэффективных и недорогих комплексных систем теплохладоснабжения (СТХС), которые могут обеспечить энергией городской квартал или группу зданий. Эксплуатация таких систем несложна, безопасна и соответствует экологическим требованиям. Электроэнергия на СТХС может вырабатываться без применения органического топлива: могут широко использоваться возобновляемые или вторичные энергоресурсы. Такими СТХС, на наш взгляд, могут стать тепловые насосы (ТН), которые, для обеспечения тепловой нагрузки зданий используют источники низкопотенциальной теплоты (ИНПТ). Ими могут служить энергия солнца и грунта.

В летние месяцы ТН могут работать по комбинированному циклу с одновременной выработкой теплоты и холода, обходя ИНПТ. Но для ряда регионов Армении более актуальным, чем охлаждение помещений зданий, является их теплоснабжение. Для обеспечения нормальной работы систем теплоснабжения следует учесть то, что эти регионы имеют различные климатологические характеристики, а здания - разную этажность, наружное ограждающую конструкцию и т.д.

Использование солнечной энергии

Возможности использования солнечной энергии на нужды теплоснабжения изучены в [1, 2], где выявлены основные недостатки данного источника энергии, особенно в период отопительного периода. Например, во время повышения отопительной нагрузки и теплопроизводительности теплового насоса, интенсивность солнечного излучения может резко снизиться из-за высокой облачности. При работе установки “тепловой насос – средне­температурный солнечный коллектор” (ТН-СТСК) с понижением температуры наружного воздуха резко понижается тепловой кпд СТСК. Поэтому для теплоснабжения зданий следует иметь дублирующие традиционные источники теплоты наряду с ТН.

Использование энергии грунта

Тепловые насосы, использующие энергию грунта, являются надежными и имеющими стабильные рабочие режимы установками. Это особенно относится к установкам, осна­щенным вертикальными грунтовыми теплообменниками (ВГТО). Отдельные слои грунта на глубине 20 м и более имеют стабильные и достаточно высокие температуры, а также не подвергаются влиянию наружных факторов: температуры наружного воздуха, солнечной радиации, обветриванию.

Характеристики грунта после использования на нужды теплоснабжения, а также в течение отопительного периода, изменяются: остывают слои грунта, что снижает величину теплосбора. Однако, из-за тепловой инерционности и незначительной разности температур в слоях грунта, процесс теплосбора меняется незначительно.

Описание работы установки ТН-ВГТО

Тепловой потенциал вокруг ВГТО можно искусственно восстановить, используя определенные технические средства и схемы. Восстановление проводят в течение тех месяцев, когда повышается интенсивность солнечного излучения, а также во время охлаждения помещения за счет теплоты конденсации хладагента в холодильной машине. Такая технологическая схема представлена на рис. 1.

I - ТН состоящий из: 1 – компрессора; 2 – конденсатора (зимний режим); 3 – дроссельного клапана; 4 – испарителя (зимний режим);
II – вертикальный грунтовой теплообменник (помещен в грунте, на глубине до 100 м);
III – бак аккумулятор источника низкопотенциальной теплоты;
IV – бак аккумулятор системы теплоснабжения;
V насос источника низкопотенциальной теплоты;
VI – насос системы теплоснабжения;
VII – обратный трубопровод подачи теплоносителя от зданий микрорайона;
VIII – подающий трубопровод подачи теплоносителя к зданиям микрорайона;
IX – среднетемпературный солнечный коллектор;
X – пиковый газовый котел.

Работа установки ТН-ВГТО происходит следующим образом.

Во время отопительного периода, когда осуществляется теплоснабжение зданий, в узлах ТН циркулирует хладагент, который подвергается политропному сжатию в компрессоре 1 (на рис. 1 стрелкой показано направление процесса сжатия паров в компрессоре за отопительный периода), за счет механической энергии, полученной от электродвигателя. Вследствие этого повышается давление и температура хладагента, который перегревается. В конденсаторе 2 хладагент передает теплоту конденсации теплоносителю, идущему по обратному трубопроводу VII с помощью насоса VI. Нагретый в конденсаторе 2 теплоноситель по трубопроводу VIII направляется к потребителям теплоты. При необходимости, например при пиковых нагрузках, теплоноситель подвергается допол­нительному нагреву в котле X. Охладившись в отопительных приборах потребителя, теплоноситель по трубопроводу VII возвращается в бак–аккумулятор, а затем закачивается насосом VI в конденсатор 2. Отдавая теплоту, образовавшийся за счет этого конденсат хладагента в дроссельном клапане 3 дросселируется до давления и температуры, которые создают соответствующие условия для отбора теплоты от грунта. Парожидкостная смесь хладагента направляется в испаритель 4, в котором полностью испаряется за счет теплосбора от грунта посредством вертикального грунтового теплообменника II. Пары хладагента всасываются компрессором 1. Процесс многократно повторяется.

Теплосбор от грунта осуществляется при помощи хладоносителя – жидкости, незамерзающей в данных температурах, например, этиленгликоля, который из бака III насосом Y направляется в II. Когда стоит пасмурная погода, хладоноситель подается в II при открытом вентиле X. Во время солнечной активности хладоноситель через открытый вентиль XI подается в IX, где нагревается за счет солнечной энергии, а затем поступает в II. Нагреваясь, хладоноситель подается в испаритель 4, где он отдает теплоту хладагенту. Необходимость незамерзающей жидкости обусловлена как обеспечением безопасной работы установки, так и возможностью регулирования величины теплосбора от грунта снижением температуры хладоносителя до отрицательных значений.

В летние месяцы ТН действует по комбинированному циклу: обеспечивает здания горячей водой и одновременно охлаждает помещения. В этом случае за счет изменения положения четырехстороннего вентиля (на рис. 1 не показан) нагнетенные в компрессоре 1 пары хладагента (на схеме стелкой показано направление процесса сжатия паров в компрессоре за охладительний сезон), направляются в испаритель 4. Условно принимаем, что при тех же цифровых обозначениях, хладоноситель двигается в обратном направлении. При этом перегретые пары конденсируются в 4, отдавая теплоту конденсации теплоносителю - охлаждающей жидкости конденсатора, который по закрытому вентилю 5 и открытым вентилям 6, 7, 8, подается к теплообменнику подготовки горячей воды. В нем холодная вода нагревается до необходимой температуры, как правило до 55°, и подается в систему ГВС.

Исследования показали, что для ряда регионов Армении и ныне используемых типов зданий для создания микроклимата в помещениях, необходимо часть теплоты конденсации хладагента использовать для подготовки горячей воды, а оставшуюся часть направить в градирню 10. После охлаждения, эту воду можно использовать для “подогрева” слоев грунта. Вода, идущая через вентиль 5, смешивается с водой, охлажденной в 10, и собирается в баке III. Затем насосом Y теплоноситель направляется в IX или же, минуя его, в II. Эти мероприятия дают возможность “восстановить” тепловой баланс слоев грунта и подго­товить грунт к следующему отопительному периоду.

Сравнительный анализ источников теплоснабжения

Для сравнительного анализа энергетических показателей произведено опытное проектирование системы отопления для трехэтажного жилого дома, нижний этаж которого нежилой, и системы теплоснабжения микрорайона (включает 8 домов), имеющего единый центр источника теплоты.

Для системы отопления дома рассмотрены два источника теплоснабжения:

• традиционный газовый котел
• установка ТН-ВГТО.

Здания имеют следующие значения коэффициентов теплопередачи наружных стройконструкций: k_ст = 0,943, k_пот = 0,638, k_ок= 2,5 Вт/м²•град. Определение тепловой нагрузки дома произведено при температуре внутреннего воздуха .

Предполагается, что здания расположены в городах с различными климатическими условиями:

• в Ереване, где зимняя расчетная температура наружного воздуха а продолжительность отопительного периода Ω = 3336
• в Ванадзоре (),
• в Раздане ().

Характеры изменений удельных теплопотерь и отопительной нагрузки зданий за отопительный период для указанных городов представлены в виде соответствующих графиков¹ на рис. 2.

Как следует из графиков на рис. 2а, кривая относительной отопительной нагрузки Q_от.i для Еревана намного ниже, хотя имеет тот же характер изменения, что и в других городах. С начала сезона Q_от.i имеет меньшее значение, но в дальнейшем возрастает, достигая максимума за январь месяц, а в феврале и марте месяцах начинает спадать. Продолжительность сезона по сравнению с другими городами короче соответственно на 18 и 34%.

Значения Q_от.i для Ванадзора, по сравнению с Разданом, намного больше, поскольку солнечная радиация и среднемесячная температура наружного воздуха ниже из-за высокогорной местности, в которой расположен Раздан. После января месяца кривые почти совпадают, а затем, под в конце отопительного периода, при повышении солнечной активности, Q_от.i для Раздана резко снижается, поэтому нет необходимости отопления зданий в дневные часы, хотя по сведениям службы “Армгидромет”, это необходимо. Подобное, но в меньших масштабах наблюдается и для Ванадзора. Отметим, что зима в Раздане, по сравнению с Ванадзором, более холодная и продолжительная по количеству холодных дней (температура ниже на 14 %), но солнечная активность выше.

Определение нагрузок отопления зданий за отдельные месяцы отопительного периода проведены на основе тепловых потерь от наружных стройконструкций при условной среднемесячной температуре наружного воздуха с учетом поглотительной способности конструкции и влияния среднемесячной солнечной радиации данной местности, а также внутриквартирных тепловыделений.

Из-за различия среднемесячной температуры наружного воздуха и солнечной радиации для данной местности в течение отопительного периода соответственно изменяются отопительные нагрузки зданий (рис. 2б). Как и при относительной отопи­тельной нагрузке, максимальная нагрузка отопления здания достигается в январе месяце в климатических условиях Ванадзора. Хотя среднемесячная температура наружного воздуха в Ванадзоре гораздо выше, чем в Раздане, однако солнечная активность ниже, что и приводит к указанному явлению.

В феврале эти нагрузки практически становятся сопоставимыми. Но в марте нагрузка отопления в Ванадзоре выше, чем в Раздане, опять-таки из-за различия активности Солнца. Климат в Ереване более благоприятный и за весь отопительный период нагрузка гораздо меньше, чем в других рассматриваемых городах. Исходя из того, что все здания микрорайона одинаковой постройки, определены нагрузки отопления микрорайона по отдельным месяцам отопительного периода посредством умножения отопительной нагрузки одного здания на число зданий микрорайона.

Приняв условие, что тепловая нагрузка горячего водоснабжения (ГВС) как для здания, так и для микрорайона, не зависит от температуры холодной воды, а зависит от числа жителей: 7 и 56 чел., то соответственно получаем:

Имея тепловые нагрузки микрорайона, можно определить соответствующие пара­метры для подбора основного оборудования источника теплоты - установки ТН-ВГТО. Однако для ведения таких расчетов в первую очередь следует исследовать процесс теплосбора от грунта с помощью ВГТО в течение отопительного периода.

Особенности теплосбора от грунта

Исследования показали [3. 4], что величина теплосбора зависит от многих факторов:

• геометрических размеров ВГТО,
• значения коэффициента теплопроводности и температуры в отдельных слоях грунта вокруг ВГТО,
• температуры хладоносителя, циркулирующего между ВГТО и испарителем ТН,
• температуры испарения в испарителе,
• интенсивности и продолжительности теплоотбора,
• теплопотребления и т.д.

Одновременно выявлено, что для предотвращения образования водяного льда в порах грунта, в последующем затрудняющего процесс теплосбора и обеспечения стабильной работы установки ТН–ВГТО, возникает необходимость регулирования температуры испарения хладагента в испарителе так, чтобы обеспечить необходимый теплосбор за отопительный период. При больших отопительных нагрузках следует увеличивать не интенсивность процесса теплосбора, а количество или глубину заложения ВГТО.

Исходя из этого, пользуясь математической моделью и программой, разработанной на этой основе [4], построены зависимости изменения интенсивности теплосбора и температуры испарения хладагента для рассматриваемых городов (рис. 3). Эти кривые построены в результате расчетов, проведенных при цифровых значениях следующих входных величин:

ρ = 1200 кг/м³, c^гр. _р=3,2 кДж/кг.°С, h_ВГТО = 100 м, d ^ВГТО_нар.т= 0,5,

d ^ВГТО_вн.т= 0,2,t ^нач_гр.τ=0 = 14,t ^т.сем_гр.τ = 0,048 °С,

t ^вн.т_хн = 0 и t₀ = t ^вн.т_хн - 5 °С, δ ⁱ_тек = 1,54, d ⁱ_тек. = 3,58 м.,

Из анализа кривых (рис. 2б) следует, что из-за высоких отопительных нагрузок микрорайона в Ванадзоре больше и величина теплосбора: в течение отопительного периода она изменяется в пределах 3.38 - 3.293, тогда как для условий Раздана лишь 3.217 - 1.85.

Это достигается изменением температуры испарения хладагента. Этот параметр является основным, поскольку его изменение позволяет отрегулировать величину теплосбора от грунта и, тем самым, отопительную нагрузку. Температура испарения в середине отопительного периода одинакова для Ванадзора и Раздана, но в начале и в конце периода в условиях Раздана преднамеренно снижена. Причиной этого является то, что отопительный период в Раздане длится гораздо дольше, поэтому грунт частично остывает и для продолжения теплосбора следует снизить температуру испарения и, тем самым, температуру хладоносителя.

Для условий Еревана температура испарения хладагента гораздо выше, чем для других городов, поскольку меньше отопительная нагрузка и продолжительность отопительного периода. В этом случае грунт не очень сильно остывает.

Имея значения указанных величин и пользуясь компьютерной программой выбора оборудования фирмы BITZER Software 5.3.1, подобран поршневой, полугерметичный компрессор марки 4CC – 9.2 – 40S (2 шт.) для ТН, работающий на R22 (разрешенный в Армении до 2040 года). Температуры испарения хладагента t ⁱ₀, при постоянном значении температуры конденсации (t_к = 63 °C), в течения отопительного периода изменяется так, чтобы организовать теплосбор от грунта в соответствии теплопроизводительности установки (Q ⁱ_т.пр.ТН) и отопительной нагрузки микрорайона Q ⁱ_от.м/р, обеспечивая условие: Q ⁱ_т.пр.ТН ≈ Q ⁱ_от.м/р. Однако эта мера недостаточна, поскольку Q ⁱ_т.пр.ТН, для данного типа компрессора за сезон, изменяется в большем диапазоне в зависимости от t₀. Необходимо применить способ аккумуляции суточной теплоты, когда тепловая нагрузка отопления микрорайона ТН установкой осуществляется путем пуска и остановки электропривода ТН, а время работы ТН определена из условия:

Далее необходимо определить число ВГТО (n ⁱ_ВГТО), которым можно обеспечить теплоту Q ⁱ_НТИП после определения теплосбора Q ⁱ_т.сб (рис.3) для i - ого месяца:

Эта величина для каждого месяца может быть разной, а наибольшее число ВГТО за отопительный период для данного микрорайона можно определить после проведения соответствующего расчета всех месяцев сезона и выбора наибольшего значения n ⁱ_ВГТО. Последнее в среднем составляет 7 шт. (наибольшее 10 (за декабрь) и наименьшее 5 шт. (за март)). После проведения данных расчетов следует определить расходы электроэнергии на электроприводы компрессора ТН и насос теплохладоносителя.

Эффективность установки ТН-ВГТО

Энергетическая эффективность работы установки ТН–ВГТО характеризуется действительным коэффициентом преобразования μ ^д_ТНУ, представляющим соотношение выработанной теплоты, необходимой для теплоснабжения потребителя на электрические мощности электродвигателей компрессора ТН и циркуляционного насоса:

(3)

где N ^н.хл._эл.дв, N ^н.тн._эл.дв - электрические мощности электродвигателей насосов циркуляции хладо- и теплоносителя, кВт.

N ^н.хл._эл.двзависит от создаваемого напора
,


Па, для циркуляции хладоносителя, а напор изменяется в зависимости от геометрических размеров ВГТО, теплофизических свойств хладоносителя, а также от объемной производительности, определяемой формулой:

, м³ / с.

N ^н.хл._эл.дврассчитывается в каждом случае для i-го участка.

Поскольку электрическая мощность электродвигателя насоса циркуляции тепло­носителя не зависит от изменения вышеизложенных процессов и величин, то числовое значение и изменение этой величины в расчетах μ ^д_ТНУ не учитывается.

μ ^д_ТНУ зависит от ряда факторов: от типа хладона и компрессора, термодинамического совершенства цикла и процесса сжатия хладагента в компрессоре, теплопроизводительности ТН, температурных режимов - температуры конденсации (принято условие: t_юк = 63 °C за отопительный сезон и t_юк = 63 °C при ТГВ) и испарения, которые зависят от температуры теплопотребления и НВИЭ.

В условиях городов Раздан и Ванадзор μ ^д_ТНУ примерно имеет одинаковое значение и с ноября по февраль составляет соответственно от 2.66-2.55 и 2.67-2.54, а затем в условиях Раздана, снижается до 2.53 из-за снижения температуры испарения хладагента t ⁱ₀. Это обусловлено тем, что отопительные нагрузки микрорайона изменяются почти аналогично, кроме тех месяцев, когда интенсивность солнечной радиации в условиях Раздана резко увеличивается. Также одинаково изменяются t ⁱ₀.

Расчеты показали, что среднесезонные действительные коэффициенты преобразования μ ^{д.ср.сез}_ТНУ в условиях городов Раздан и Ванадзор составляют 2.61 и 2.59, а для Еревана - 2.83 (3.34-2.6). Такое расхождение μ ^{д.ср.сез}_ТНУ обусловлено, в основном, значениями и продолжительностью отопительного периода, и поскольку грунт, например в Ереване, особенно не остывает, не возникает необходимости снизить t ⁱ₀. Отсюда следует, что для регионов, где длительный отопительный период, энергоэффективность установки ТН–ВГТО снижается из-за остывания грунта и необходимости снижения температуры испарения хладагента для обеспечения соответствующего теплосбора от грунта.

Для обеспечения нагрузки ГВС микрорайона расчет необходимых величин ведется аналогично выше изложенному методу. Если t_к = 60 °С, то выбран компрессор марки , теплопроизводительность которого тоже изменяется в зависимости от температуры испарения хладагента t ⁱ₀ и Q ⁱ_т.сб. в течение отопительного периода. Однако, при условии постоянности тепловой нагрузки ГВС, число n ⁱ_ВГТО изменяется от 4 до 7 шт., а μ ^{д.ср.сез}_ТН ≈ 2,88.

Экономия органического топлива при использовании ТН-ВГТО

На основе проведенных расчетов, определены среднесезонные расходы электроэнергии на нужды отопления и ГВС (для теплоснабжения) микрорайона за отопительный период для рассматриваемых городов. Эти величины составляют: для Еревана – 59415,84, Раздана – 74657,5, Ванадзора – 72443,6 кВт ч/сезон.

Имея удельный расход органического топлива на ТЭС для выработки 1 кВт ч электроэнергии в единoй энергосети Армении порядка 0,32-0,35 кг/кВт ч, определили сезонные расходы топлива ТЭС для выработки электроэнергии на нужды установки ТН–ВГТО, обеспечивающей систему теплоснабжения микрорайона: для Еревана 19013, 1 м³, для Раздана – 23890,4 м³, для Ванадзора – 23182 м³.

Для сравнения энергетических показателей установки ТН-ВГТО с традиционным источником теплоты – газовым котлом, следует определить расходы органического топлива на нужды системы теплоснабжения микрорайона при работе котла.

В качестве традиционного источника теплоты решили использовать два газовых котла марки EXA – 27, произведенного итальянской фирмой “”, с теплопроизводительностью от 30.6 до 34 кВт, которая в течение отопительного периода изменяется в широком диапазоне. Тепловой кпд от 92 % при 30 % до 90 % при 100 % (технические характеристики завода). Такие котлы хорошо себя зарекомендовали в условиях Армении. 

Расчеты показали, что при указанном типе котла и климатических условиях указанных городов для нужд системы теплоснабжения микрорайона за отопительный период израсходуется природного газа: для Еревана - 23283,68 м³, для Раздана – 27924,83 м³, для Ванадзора – 26552,73 м³

Сравнив полученные результаты, получаем, что сезонные расходы топлива на нужды системы теплоснабжения микрорайона при использовании установки ТН–ВГТО меньше, чем при использовании газового котла: для Еревана на 4270,58 (или на 18,34 %), для Раздана на 4034,43 (14,4 %), для Ванадзора на 3370,73 (12,7 %).

В Ванадзоре самая низкая экономия топлива, поскольку интенсивность солнечной радиации меньше и выше отопительная нагрузка, при средней продолжительности отопительного периода.

Можно сделать вывод, что чем выше среднемесячная температура наружного воздуха и интенсивность солнечной радиации, тем меньше отопительная нагрузка, а значит и ниже расходы электроэнергии на приводы компрессора и насоса, выше коэффициент преобразования ТН. На величину коэффициента влияет и продолжительность отопительного периода. При длительных отопительных периодах следует снизить температуру испарения хладагента, чтобы облегчить процесс теплоотбора от грунта увеличением температурного перепада между грунтом и хладоносителем. Одновременно с повышением продолжительности снижается величина теплоотбора от грунта. Слои грунта остывают и возникает необходимость снижения температуры испарения хладагента под конец сезона, что и приводит к снижению коэффициента преобразования теплонасосной установки.

Литература

1. Петросян А.Л., Барсегян А.Б. Перспективы совместного применения тепловых насосов и низкотемпературных солнечных коллекторов. Новости теплоснабжения, - М., 1, 2010, стр. 27-30
2. Петросян А.Л. Использование солнечной энергии для теплоснабжения городского района с применением теплового насоса и солнечнего бассейна. Энерго­безопасность и энергосбережение, - М., 2, 2011, стр. 27 - 32
3. Петросян А. Л., Барсегян Л.Б. Метод определения основных параметров проек­тирования и эксплуатации установок “тепловой насос – вертикальный грунтовой теп­лообменник”. 17 volume, Materials of XII international research and practice conference. 30.11 - 07.12. 2016. Science and Education Ltd, UK.