Эффективность использования воздушных тепловых насосов в условиях Пермского края
А. А. Гришков, канд. техн. наук, доцент ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В статье приведена оценка энергетической и экономической эффективности применения систем теплоснабжения на основе тепловых насосов, использующих теплоту атмосферного воздуха. Даны рекомендации по выбору бивалентной температуры при проектировании теплонасосной системы теплоснабжения.
 |
По существующим на сегодняшний день экономическим оценкам считается, что в странах с холодным климатом, к которым относится Россия, целесообразно рассматривать вопрос о применении тепловых насосов, только использующих грунт как источник низкопотенциальной теплоты. Такие насосы хорошо себя зарекомендовали для круглогодичного использования.
Однако в последние годы на рынке Европы и Америки тепловые насосы, использующие теплоту наружного воздуха, начали активно вытеснять более дорогие по первоначальным капитальным затратам насосы с грунтовыми теплообменниками. Стоит отметить, что такие насосы оптимально подходят для низкотемпературных систем отопления и нагрева воды, имеют низкую стоимость установки, так как не имеют дополнительного подземного контура. Еще одним немаловажным преимуществом тепловых насосов «воздух – воздух» является их низкая температура стока (воздушной массы, проходящей через теплообменник конденсатора). Такая особенность позволяет обеспечить оборудованию более высокую производительность, а значит, и высокий уровень теплоотдачи. Однако, как и любой другой вид тепловых насосов, подобное оборудование имеет и свои недостатки; так, тепловые насосы «воздух – воздух» характеризуются частыми колебаниями величины производительности, зависящей от перепадов температуры снаружи здания в течение отопительного сезона. Второй минус – габариты: каждый тепловой насос рассчитан на определенную теплопроизводительность, поэтому для больших зданий используется сразу несколько установок или более габаритные модели.
За последние годы в десятки раз возрос процент продаж воздушных тепловых насосов в Скандинавских странах, которые можно назвать умеренно холодными. В официальном рейтинге холодных стран России принадлежит первое место. Поэтому актуальным остается вопрос о возможности и эффективности применения таких тепловых насосов в климатических условиях большей части РФ.
В настоящее время работоспособность и целесообразность использования низкотемпературных тепловых насосов в условиях Подмосковья оценена и подтверждена практически [1], поэтому, безусловно, имеет смысл получить данные и для других регионов России.
Оценка энергетической и экономической эффективности применения тепловых насосов, использующих теплоту наружного воздуха в климатических условиях Пермского края, была выполнена на основе математической модели [2], в которой было изменено описание работы первичного контура, представляющего собой воздушный испаритель. В качестве объекта исследования был выбран индивидуальный жилой дом с тепловой нагрузкой на систему отопления 15 кВт и потребностью в нагреве 600 л воды в сутки. Поскольку продолжительность стояния наиболее низких температур наружного воздуха в течение отопительного периода мала, экономически нецелесообразно проектировать мощность дорогостоящих тепловых насосов на покрытие всей расчетной тепловой нагрузки. В связи с этим рассматривалась бивалентная схема теплоснабжения дома, когда тепловая нагрузка распределяется между тепловым насосом и дополнительным пиковым электронагревателем, подключаемым только в период стояния температуры наружного воздуха ниже бивалентной tб (рис. 1).
 |
Существенным ограничением в использовании воздушных тепловых насосов является минимальная рабочая температура наружного воздуха. Для большинства моделей, представленных на рынке, она составляет –20… –25 0 C. Поэтому при стоянии температуры воздуха ниже рабочей всю тепловую нагрузку обеспечивает электрический котел (рис. 1).
Эффективность работы теплового насоса характеризуется действительным коэффициентом преобразования εд и зависит от температуры хладона в испарителе и конденсаторе теплового насоса.
(1)
где
ν – степень термодинамического совершенства реального процесса, учитывающая все необратимые потери при реальном термодинамическом цикле;
εс – коэффициент преобразования кругового цикла Карно;
tи и tк – соответственно температура испарения и конденсации хладона, 0 C.
С целью повышения эффективности работы теплового насоса за счет снижения температуры конденсации в исследовании рассматривалась напольная система отопления и нагрев воды для нужд горячего водоснабжения в накопительном баке с комбинированным нагревом тепловым насосом и встроенным электронагревателем (рис. 2).
 |
Исследование заключалось в определении влияния бивалентной температуры на энергопотребление и срок окупаемости теплонасосной системы теплоснабжения малоэтажного жилого здания по сравнению с прямым электрическим отоплением.
Энергопотребление теплонасосной системы теплоснабжения
где ЕТН, Е1, Е2 – соответственно энергопотребление тепловым насосом, вентилятором первичного контура, насосным и тепловым оборудованием системы отопления, а также горячего водоснабжения.
Результаты исследования зависимости энергопотребления системой теплоснабжения в зависимости от бивалентной температуры представлены на рис. 3. Поскольку рабочая температура теплового насоса ограничена значением –25 0 C, при исследовании был рассмотрен диапазон бивалентной температуры от –25 до +5 0 C.
 |
Увеличение температуры бивалентности существенно повышает энергопотребление теплонасосной системой теплоснабжения из-за неэффективной выработки тепловой энергии электрическим котлом. Таким образом, теплонасосная система теплоснабжения, рассчитанная на минимальную температуру бивалентности –25 0 C, по сравнению с электрическим отоплением позволит сэкономить 23 630 кВт•ч за год (42,6 %), что, например, в денежном эквиваленте для условий Перми составит около 62,5 тыс. руб.
Оценка экономической эффективности применения теплонасосной системы теплоснабжения оценивалась по сроку окупаемости дополнительных вложений в нее относительно базового варианта на основе электрокотла. Срок окупаемости определялся по формуле [3]:
(3)
где
r – норма дисконтирования, принималось r = 0,12;
СО0 – бездисконтный срок окупаемости, лет,
где
ΔД – ежегодный расчетный промежуточный доход в течение всего расчетного периода для теплонасосной системы теплоснабжения, руб./год;
К – капитальные затраты на оборудование и устройство системы теплоснабжения, руб.
При исследовании рассматривались тепловые насосы марки DHP-AQ производства компании Danfoss. В результате исследования экономической эффективности теплонасосной системы теплоснабжения была получена графическая зависимость, представленная на рис. 4.
 |
Рост бивалентной температуры приводит к увеличению срока окупаемости теплового насоса. Это связано с тем, что наиболее значимым фактором при расчете является энергопотребление, влияющее на доходность ΔД системы теплоснабжения. Зависимость показывает, что проектировать тепловые насосы целесообразно на минимальную бивалентную температуру.
Проведенные исследования работы тепловых насосов, использующих низкопотенциальную теплоту атмосферного воздуха, показали, что в условиях Урала и Сибири системы на их основе позволяют снизить энергопотребление жилого дома на 42,6 % и окупаются в сравнительно небольшие сроки.
Максимальная эффективность работы системы теплоснабжения достигается при расчете теплового насоса на температуру бивалентности, соответствующую минимальной рабочей температуре теплового насоса.
Бивалентная система теплоснабжения с гелиоколлектором или теплонасосом
То, насколько эффективно и экономно будет работать система автономного теплоснабжения, во многом зависит от правильности ее расчета. Бесспорно, выполнение полного расчета – дело профессионалов, но предварительный расчет можно произвести и самостоятельно. Настоящие профессионалы сегодня для расчетов пользуются специальными компьютерными программами, которые позволяют учитывать максимальное количество факторов. Таким образом, время расчета существенно сокращается, поскольку все, что необходимо сделать, – это ввести исходные параметры. Правда, эти параметры тоже нужно уметь правильно снять или вывести.
Существует два режима работы отопительного оборудования: моновалентный и бивалентный. Моновалентный режим предполагает такую мощность оборудования, которой будет достаточно, чтобы полностью покрыть необходимость в теплоэнергии даже в самый морозный период. Так, чтобы создать отопительную моновалентную систему с тепловым насосом, понадобится настолько дорогостоящее оборудование, которое может себя и не оправдать. В бивалентном режиме общая потребность в теплоэнерги покрывается за счет двух и более тепловых источников. Это могут быть котлы, электрические нагреватели, работающие совместно с геоколлекторами и теплонасосами. Как показывает практика, на долю последних должно приходиться только не более 60-70% вырабатываемого тепла.
Ископаемое топливо постоянно дорожает, поэтому сегодня многие ищут способы снижения затрат на отопление и ГВС. Солнце и низкопотенциальные источники тепла – это пока единственные стабильные и практически бесплатные энергоносители. Если использовать преобразующее их оборудование совместно с газовым котлом, то счета за газ в отопительный сезон могут сократиться наполовину. Однако придется потратиться на вспомогательное оборудование, причем, рассчитав так, чтобы экономия действительно имела место.
Сегодня газ стоит дешевле, чем даже энергия от теплонасоса, поэтому наиболее популярная пара газ-геоколлеткор. Однако газ есть не везде, а тем где он имеется, стоимость подключения может оказаться сопоставимой со стоимостью теплового насоса. Сэкономить можно и, установив гелиоколлектор, ведь ему вообще ничего не нужно, лишь немного электроэнергии для работы циркуляционного насоса. Но у нас при возможности провести газ об альтернативных тепловых источниках задумываются редко, ведь и гелиоколлектор, и тепловой насос – это долгосрочные инвестиции, к которым не все готовы не только материально, но и морально.
При расчете теплопотребления дома имеется в виду отопление и горячая вода. Отопительный сезон длится 9-6 месяцев, в зависимости от климатической зоны. При этом график потребления тепла представляет собой кривую, максимальные значения которой определяют номинальную мощность оборудования.
Гелиостанцию обычно предполагается использовать для подогревания воды. У нее только два параметра: емкость бака и число коллекторов. На одного жильца затрачивается 50-100 литров воды в сутки. Соответственно для семьи из трех человек понадобится бак объемом 150-300 литров.
А вот количество коллекторов рассчитать сложнее, поскольку здесь нужно учесть сразу несколько факторов. В первую очередь необходимо узнать среднюю интенсивность инсоляции для конкретного района и помесячно. Максимальной экономии можно добиться, если летом коллекторы полностью возьмут на себя подогрев воды.
Второй немаловажный момент – правильно определить угол наклона коллекторов, а также их положение по отношению к сторонам света. Независимо от широты (в северном полушарии) наиболее оптимально сориентировать панель гелиоколлектора строго на юг, однако не всегда имеется возможность это сделать. В любом случае нужно стремиться приблизиться к южной ориентации.
Зная тип коллектора и требуемую температуру воды, а также интенсивность инсоляции, можно подобрать количество солнечных панелей. На первый взгляд может показаться, что пару лишних панелей не помешают в межсезонье и зимой для помощи котлу отопления. Но здесь есть один важный нюанс: лишние коллекторы в летнее время приведут к стагнации и, как следствие, к закипанию теплоносителя прямо в них. Качество последнего при этом резко снижается, а система, не рассчитанная на подобные испытания, может выйти из строя. Есть, конечно, ряд технических решений, которые предохранят контур от перегрева, но они потребуют и дополнительных средств. Например, можно отвести тепло, пустив его на подогрев воды в бассейне, либо использовать самоопорожняющиеся системы, в которых не возникнет стагнация.
Ряд реализованных проектов показывают, что для средней полосы России для ГВС, рассчитанного на два человека, достаточно 2-метровой панели. Сразу отмечу, что отопление с помощь только одних солнечных коллекторов в средней полосе практически невозможно. Зимой они не смогут собрать нужное количество тепла, особенно в те рекордные морозы, которые мы наблюдаем в последние годы.
Вопрос отопления наиболее выгодно решать с помощью теплового насоса. Потребность тепла здания составляет 5-10 кВт/100 м². Точная цифра зависит от климатической зоны и степени теплоизоляции здания. Тепловой насос, как уже говорилось, выгоднее использовать совместно с дополнительным отопительным оборудованием, которое поможет преодолеть пиковые нагрузки при самых низких температурах. При расчете тепловой мощности системы учитываются также и затраты на ГВС, которые составляют 100-300 Вт на одного жильца.
Дешевле всего обходятся тепловые насосы «воздух-вода» либо «воздух-воздух» (технология Zubadan» и др.). Система «вода-вода» подразумевает бурение скважины и дополнительное насосное оборудование, которое существенно увеличивает стоимость проекта. Кроме того, системы «вода-вода» требуют согласования с профильными ведомствами. Альтернативой им являются системы «рассол-вода».
При отборе тепла у грунта величину теплосъема с одного погонного метр горизонтальной трубы принимают – 10 Вт для песчаных почв, 20 Вт для глины и до 35 Вт для мокрых почв. При этом расстояние между трубами находится в пределах 70-120 см.
Вертикальная труба дает больше тепла – до 50 Вт/м. Точный тепловой потенциал зависит от плотности и влажности грунта. Чаще всего это узнается только после бурения скважины. Обычно используют несколько вертикальных зондов, расстояние между которыми 5-6 метров. Эти зонды располагают таким образом, чтобы течение грунтовых вод уносило охлажденную воду в сторону.
Важно понимать, что грунт, который мы называем низкопотенциальным источником тепла, должен это самое тепло откуда-то брать. Теоретически, а, скорее всего, и практически, грунт можно за зиму настолько переохладить, что он не восполнит свой первоначальный потенциал за все лето. Исследования в данной области показали, что уже в первый год интенсивной работы теплонасоса температура грунта в районе зондов падает на 1-3°С. Во второй год грунт остывает еще на градус, а затем, его температура стабилизируется и уже не падает. Однако даже 4° для низкопотециального источника означают весьма ощутимую потерю.
Чтобы грунт не переохлаждался, необходимо производить отбор тепла с одного погонного метра зонда не более 100 кВт•ч/год. Компенсировать тепловое истощение грунта также можно (и нужно), переводом режима работы с отопления на охлаждение.
Вышеизложенные данные и параметры служат основанием для расчета длины контуров и дают представление о масштабах предстоящих земляных работ.
Что касается рентабельности тепловых насосов и гелиоколлекторов, то ее не видит только слепой. Обе системы отличаются рекордной долговечностью, а срок их окупаемости с учетом современного роста цен на ископаемые энергоносители, с 15 лет упал до 5. К примеру, контур теплонасоса прослужит лет сто, при этом замене подлежит только насос и компрессор, которые стоят относительно недорого. То же можно сказать и о гелиоколлекторе, т.к. сами вакуумные трубки теоретически не имеют срока годности, а все, что может выйти из строя в гелиоколлекторной системе, – это циркуляционный насос. Если оборудование, которое окупается пусть даже за 10 лет, а служит 50-100 лет, то является ли оно рентабельным? Ответ здесь очевиден. Более того, если в ближайшее время не появятся какие-то принципиально новые технологии альтернативного отопления, то будущее, несомненно, за теплонасосами и гелиоколлекторами.
