Об эффективности тепловых насосов

Как основной показатель эффективности теплового насоса применяют коэффициент преобразования или отопительный коэффициент СОР (coefficient of performance), равный отношению теплопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором. В режиме охлаждения для оценки эффективности используется холодильный коэффициент EER (energy efficiency ratio), равный отношению холодопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором.

где – энергия, отдаваемая ПВТ;

  – тепловая энергия, отбираемая у ИНТ;

– затраченная электроэнергия;

 и   – температуры конденсации и кипения в тепловом насосе.

Температура определяется давлением конденсации хладагента в ТН, а – температурой ИНТ. Так, если принять  = 281,16 К (8 °C) и  = 323,16 К (50 °С), то COP будет равен 7,7. Если тепло отводится водой, то разные хладагенты позволяют достичь таких температур [1]: R717, R502, R22 – около +50 °С, R134a – +70 °С, R142 – +100 °С. Когда в тепловых насосах одновременно используется тепло и холод (например, охлаждение холодильных камер и нагрев офисных помещений), то

При равнопотенциальном цикле =

При таких температурах суммарный коэффициент преобразования может достигать 12, 7, что характеризует высокую энергетическую эффективность теплового насоса. Реальные СОР несколько ниже и составляют порядка 3–5.

В абсорбционных тепловых насосах коэффициент преобразования меньше, чем в компрессионных из-за больших потерь в элементах абсорбционного контура. Так, при использовании грунтовых вод с T0 = 281,16 К (8°C) и температурой полезного тепла  = 323,16 К (50°С), коэффициент преобразования абсорбционного ТН составит всего 1,45 [1]. Температура полезного тепла в абсорбционных тепловых насосах зависит также от температуры нагрева генератора. При указанных выше температурах нагрев генератора должна быть не меньше 150°С.

Применение ТН в 1,2–1,5 раза выгоднее самой эффективной газовой котельной и в 6–7 раз выгоднее электрических котлов. Годовая экономия относительно обогрева электроэнергией при отопительной мощности 5 кВт составит 1200–1600 кВт•ч. Увеличить эффективность тепловых насосов можно, используя аккумуляторы холода [6].

Эксплуатационные расходы на отопление жилого дома площадью 180 м2 (1700 часов в год) с помощью электрического котла составят около 2500 грн, а с помощью ТН – 400 грн.

Стоимость теплового насоса ориентировочно можно оценивать из расчета 750–1500 грн за 1 кВт вырабатываемой тепловой мощности. Срок окупаемости 7–14 лет.

4. Пример построения теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

Пример построения теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом, работающего круглогодично в двух режимах (охлаждение или нагрев) в зависимости от сезона года с использованием оборудования компании CIAT (Франция.

Исходные требования:

Теплопроизводительность 510 кВт.
Низкотемпературный источник – морская вода с температурой:
теплый период года ?20°С,
холодный период года 7°С.
Высокотемпературный потребитель – вода с температурой на выходе теплообменника 55°С.
Минимальная температура наружного воздуха – минус 10°С (Крым, Украина).

Учитывая, что температура наружного воздуха отрицательная (минус 10°С) и для исключения использования специального теплообменного оборудования (конденсатор, испаритель) в водоохладителе, применяется двухконтурную систему. В первичном контуре применяется раствор этиленгликоля с температурой замерзания ниже -10°С (20-процентная смесь этиленгликоля с водой).

В соответствии с исходными требованиями выберается перепад температур на выходном высокотемпературном контуре Dtвых = 5 °С (50/55 °С). Тогда температуры теплоносителя в контуре конденсатора должны быть соответственно 55/60 °С. Для получения таких температур в тепловом насосе целесообразно использовать хладагент R134a .

В соответствии с исходными требованиями задается перепад температур ИНТ 7/4 °С, тогда в контуре испарителя перепад температур соответственно составит 5/2 °С.

Используя программу подбора оборудования фирмы CIAT, определяется тип и параметры теплового насоса в режимах работы на нагрев и охлаждение. Программа рекомендовала водоохлаждающую машину HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a с параметрами, приведенными в табл. 1, внешний вид которой показан в табл. 5.

Таблица 1. Технические характеристики водоохлаждающей машины HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a 

Далее подбирается пластинчатый высокотемпературный теплообменник «тепловой насос – потребитель» по следующим исходным данным (режим нагрева):

Температура воды (выход-вход): 55/50°С.

Температура 20-процентного раствора этиленгликоля в первичном контуре (выход-вход): 60/55 °С.

Расход 20-процентного раствора этиленгликоля: 93,4 м3/ч (см. табл. 1).

Программа CIAT выбрала пластинчатый теплообменник PWB 30 11 c 43 пластинами производительностью 517 кВт (табл. 2).

Таблица 2. Технические характеристики теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами (тепловой насос – потребитель) в режиме нагрева

Низкотемпературный теплообменник «морская вода – тепловой насос» в режиме нагрева подбирается по следующим исходным данным:

Источник низкопотенциальной теплоты (первичный контур): морская вода с температурой вход/выход – 7/4 °С.

Температура 20-процентного раствора этиленгликоля в первичном контуре 5/2 °С.

Расход 20-процентного раствора этиленгликоля 102,8 м3/ч.

Программа CIAT выбрала пластинчатый теплообменник PWB 45 11 c 63 пластинами производительностью 340 кВт (табл. 3).

Таблица 3. Технические характеристики теплообменника PWB 45 11 c 63 пластинами (море – тепловой насос)

Проверочный расчет рассчитанного ранее теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами для теплого периода года и определим температуры воды на выходе/входе потребителю.

Программа CIAT показала, что в летний период производительность теплообменника PWB 30 11 составит 437 кВт и температуры холодоносителя составят (выход/вход) 7,5/12 ?С. (табл. 4)

Таблица 4. Технические характеристики теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами (тепловой насос – потребитель) в режиме охлаждени

Таким образом, подобранный тепловой насос HYDROCIAT 2500 XLW/LWP R134a обеспечивает:
в холодный период года теплопроизводительность 517 кВт при потребляемой мощности 191 кВт;
в теплый период года холодопроизводительность 395,9 кВт при потребляемой мощности 158 кВт.

Ниже представлена рассчитанная выше схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом.

Как основной показатель эффективности теплового насоса применяют коэффициент преобразования или отопительный коэффициент СОР (coefficient of performance), равный отношению теплопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором. В режиме охлаждения для оценки эффективности используется холодильный коэффициент EER (energy efficiency ratio), равный отношению холодопроизводительности теплового насоса к мощности, потребляемой компрессором.

где – энергия, отдаваемая ПВТ;

  – тепловая энергия, отбираемая у ИНТ;

– затраченная электроэнергия;

 и   – температуры конденсации и кипения в тепловом насосе.

Температура определяется давлением конденсации хладагента в ТН, а – температурой ИНТ. Так, если принять  = 281,16 К (8 °C) и  = 323,16 К (50 °С), то COP будет равен 7,7. Если тепло отводится водой, то разные хладагенты позволяют достичь таких температур [1]: R717, R502, R22 – около +50 °С, R134a – +70 °С, R142 – +100 °С. Когда в тепловых насосах одновременно используется тепло и холод (например, охлаждение холодильных камер и нагрев офисных помещений), то

При равнопотенциальном цикле =

При таких температурах суммарный коэффициент преобразования может достигать 12, 7, что характеризует высокую энергетическую эффективность теплового насоса. Реальные СОР несколько ниже и составляют порядка 3–5.

В абсорбционных тепловых насосах коэффициент преобразования меньше, чем в компрессионных из-за больших потерь в элементах абсорбционного контура. Так, при использовании грунтовых вод с T0 = 281,16 К (8°C) и температурой полезного тепла  = 323,16 К (50°С), коэффициент преобразования абсорбционного ТН составит всего 1,45 [1]. Температура полезного тепла в абсорбционных тепловых насосах зависит также от температуры нагрева генератора. При указанных выше температурах нагрев генератора должна быть не меньше 150°С.

Применение ТН в 1,2–1,5 раза выгоднее самой эффективной газовой котельной и в 6–7 раз выгоднее электрических котлов. Годовая экономия относительно обогрева электроэнергией при отопительной мощности 5 кВт составит 1200–1600 кВт•ч. Увеличить эффективность тепловых насосов можно, используя аккумуляторы холода [6].

Эксплуатационные расходы на отопление жилого дома площадью 180 м2 (1700 часов в год) с помощью электрического котла составят около 2500 грн, а с помощью ТН – 400 грн.

Стоимость теплового насоса ориентировочно можно оценивать из расчета 750–1500 грн за 1 кВт вырабатываемой тепловой мощности. Срок окупаемости 7–14 лет.

4. Пример построения теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

Пример построения теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом, работающего круглогодично в двух режимах (охлаждение или нагрев) в зависимости от сезона года с использованием оборудования компании CIAT (Франция.

Исходные требования:

Теплопроизводительность 510 кВт.
Низкотемпературный источник – морская вода с температурой:
теплый период года ?20°С,
холодный период года 7°С.
Высокотемпературный потребитель – вода с температурой на выходе теплообменника 55°С.
Минимальная температура наружного воздуха – минус 10°С (Крым, Украина).

Учитывая, что температура наружного воздуха отрицательная (минус 10°С) и для исключения использования специального теплообменного оборудования (конденсатор, испаритель) в водоохладителе, применяется двухконтурную систему. В первичном контуре применяется раствор этиленгликоля с температурой замерзания ниже -10°С (20-процентная смесь этиленгликоля с водой).

В соответствии с исходными требованиями выберается перепад температур на выходном высокотемпературном контуре Dtвых = 5 °С (50/55 °С). Тогда температуры теплоносителя в контуре конденсатора должны быть соответственно 55/60 °С. Для получения таких температур в тепловом насосе целесообразно использовать хладагент R134a .

В соответствии с исходными требованиями задается перепад температур ИНТ 7/4 °С, тогда в контуре испарителя перепад температур соответственно составит 5/2 °С.

Используя программу подбора оборудования фирмы CIAT, определяется тип и параметры теплового насоса в режимах работы на нагрев и охлаждение. Программа рекомендовала водоохлаждающую машину HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a с параметрами, приведенными в табл. 1, внешний вид которой показан в табл. 5.

Таблица 1. Технические характеристики водоохлаждающей машины HYDROCIAT 2500B X LW/LWP R134a 

Далее подбирается пластинчатый высокотемпературный теплообменник «тепловой насос – потребитель» по следующим исходным данным (режим нагрева):

Температура воды (выход-вход): 55/50°С.

Температура 20-процентного раствора этиленгликоля в первичном контуре (выход-вход): 60/55 °С.

Расход 20-процентного раствора этиленгликоля: 93,4 м3/ч (см. табл. 1).

Программа CIAT выбрала пластинчатый теплообменник PWB 30 11 c 43 пластинами производительностью 517 кВт (табл. 2).

Таблица 2. Технические характеристики теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами (тепловой насос – потребитель) в режиме нагрева

Низкотемпературный теплообменник «морская вода – тепловой насос» в режиме нагрева подбирается по следующим исходным данным:

Источник низкопотенциальной теплоты (первичный контур): морская вода с температурой вход/выход – 7/4 °С.

Температура 20-процентного раствора этиленгликоля в первичном контуре 5/2 °С.

Расход 20-процентного раствора этиленгликоля 102,8 м3/ч.

Программа CIAT выбрала пластинчатый теплообменник PWB 45 11 c 63 пластинами производительностью 340 кВт (табл. 3).

Таблица 3. Технические характеристики теплообменника PWB 45 11 c 63 пластинами (море – тепловой насос)

Проверочный расчет рассчитанного ранее теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами для теплого периода года и определим температуры воды на выходе/входе потребителю.

Программа CIAT показала, что в летний период производительность теплообменника PWB 30 11 составит 437 кВт и температуры холодоносителя составят (выход/вход) 7,5/12 ?С. (табл. 4)

Таблица 4. Технические характеристики теплообменника PWB 30 11 с 43 пластинами (тепловой насос – потребитель) в режиме охлаждени

Таким образом, подобранный тепловой насос HYDROCIAT 2500 XLW/LWP R134a обеспечивает:
в холодный период года теплопроизводительность 517 кВт при потребляемой мощности 191 кВт;
в теплый период года холодопроизводительность 395,9 кВт при потребляемой мощности 158 кВт.

Ниже представлена рассчитанная выше схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом.

Рис. 4. Принципиальная схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

Номенклатура некоторых тепловых насосов компании CIAT приведена в таблице 5.

Таблица 5. Тепловые насосы фирмы CIAT (Франция)

 

 

Типводоохладителя (теплового насоса)		Производительность, кВт		Область применения
		по холоду	по теплу	индивидуальные дома	многоквартирные здания	общественные зданиая	производство
AUREA 2		7…28	9…36	+
DYNAСIAT LG/LGP/ILG		35…350	40…370		+	+
HYDROCIAT LW/LWP		275…1140	350…1420		+	+	+

Вывод

Тепловые насосы, использующие возобновляемые источники тепла, являются самым энергетически эффективным отопительным оборудованием.

Системы, построенные на базе ТН, надежные, безопасные и долговечные.

Получение тепла посредством теплового насоса – экологически чистый технологический процесс.

Современное климатическое оборудование (например, CIAT, Франция) позволяет создать ТН с производительностью от десятков кВт до МВт.

Рис. 4. Принципиальная схема теплового насоса с обратимым гидравлическим циклом

Номенклатура некоторых тепловых насосов компании CIAT приведена в таблице 5.

Таблица 5. Тепловые насосы фирмы CIAT (Франция)

 

 

Типводоохладителя (теплового насоса)		Производительность, кВт		Область применения
		по холоду	по теплу	индивидуальные дома	многоквартирные здания	общественные зданиая	производство
AUREA 2		7…28	9…36	+
DYNAСIAT LG/LGP/ILG		35…350	40…370		+	+
HYDROCIAT LW/LWP		275…1140	350…1420		+	+	+

Вывод

Тепловые насосы, использующие возобновляемые источники тепла, являются самым энергетически эффективным отопительным оборудованием.

Системы, построенные на базе ТН, надежные, безопасные и долговечные.

Получение тепла посредством теплового насоса – экологически чистый технологический процесс.

Современное климатическое оборудование (например, CIAT, Франция) позволяет создать ТН с производительностью от десятков кВт до МВт.