Данный материал описывает экономическую и энергетическую эффективность использования тепловых систем на базе теплонасосов, которые используют атмосферный воздух в качестве источника тепловой энергии. Также предлагаем ознакомиться с рекомендациями, связанными с бивалентной температурой, которая устанавливается при создании проекта тепловой системы с атмосферным насосом.
Исходя из существующих в данный момент времени экономических оценок, на территории государств с холодными климатическими условиями, в том числе и в Российской Федерации, рационально использовать тепловые насосы, которые получают низкопотенциальную теплоту из почвы. Применение подобных теплонасосов считается оптимальным на протяжении круглого года.
Следует отметить, что в последнее время на европейском и американском рынках произошло кардинальное изменение тенденции использования грунтовых тепловых насосов. В частности, их вытеснили атмосферные варианты, которые гораздо дешевле в плане первоначальных капитальных расходов. Воздушный тепловой насос рекомендуется использовать, когда необходимо установить низкотемпературную отопительную систему с системой водоснабжения. При установке таких устройств нет необходимости создавать дополнительный подземный контур, поэтому их итоговая стоимость считается очень низкой. Еще одно немаловажное преимущество атмосферного насоса заключается в низкой температуре воздушного потока, проходящего через теплообменное устройство конденсатора. Благодаря такой особенности тепловое оборудование отличается большей производительностью, что положительным образом отражается на теплоотдаче. Параллельно с другими видами теплонагнетателей недостаток воздушных устройств заключается в чистых колебаниях величины, характеризующей производительность. На последнюю оказывают влияние резкие температурные изменения в окружающей среде на протяжении отопительного периода. Еще один недостаток подобного оборудования заключается в габаритах. Так, у каждого теплового насоса присутствует максимальный уровень производительности тепловой энергии. В итоге большие строительные объекты требуют установки нескольких устройств, отличающихся внушительными размерами.
Применение воздушных тепловых насосов в России
В течение нескольких последних лет атмосферные тепловые насосы стали очень популярными на просторах государств Скандинавии, где климатические условия характеризуются как умеренно холодные. Официальный рейтинговый список стран с холодным климатом показывает, что Россия здесь занимает первую позицию. В связи с этим необходимо решить следующий вопрос: возможно и эффективно ли использовать подобные тепловые устройства в условиях климата большинства регионов России?
Совсем недавно специалисты подтвердили, что использование атмосферных тепловых устройств на территории Московской области является эффективным и приоритетным. По этой причине нам необходимо располагать сведениями об остальных административных единицах государства.
Эффективность использования воздушных теплонасосов на примере Пермского края
Для оценки энергоэффективности и экономического эффекта использования теплонагнетателей, источником тепловой энергии которых является свежий воздух, взята математическая модель с измененным описанием функционирования стартового контура, являющегося воздушным испарителем. Исследование проводилось в индивидуальном домовладении, расположенном в Пермском крае, где тепловая нагрузка на отопительную систему равна пятнадцати киловаттам, а суточная потребность в нагреве жидкости – шестистам литрам. В связи с тем, что данный регион характеризуется изменчивыми температурами на протяжении отопительного сезона, рациональным (с экономической точки зрения) будет проектирование среднепроизводительных устройств подачи тепла, чтобы частично покрыть расчетную тепловую нагрузку. Поэтому приоритетным является использование бивалентной схемы теплообеспечения здания, заключающейся в распределении тепловой нагрузки между нагнетателем тепла и вспомогательным критическим электрическим нагревателем, который активируется лишь в том случае, если температура окружающей среды не превышает бивалентную tб.
Существенное ограничение в применении теплонагнетателей атмосферного типа связано с минимальной рабочей температурой окружающего пространства. Большая часть таких устройств, предназначенных для коммерческой реализации в России, «заточены» под температуру от 20 до 25 градусов Цельсия со знаком минус. По этой причине недостающая до рабочей температура воздушной массы приводит к использованию электронагревателя в качестве устройства по обеспечению тепловой нагрузки.
Эффективность функционирования воздушного теплонасоса характеризует действительный коэффициент преобразования εд. На данный показатель влияет температура хладагента в испарительном и конденсирующем устройствах теплового оборудования.
εд = ν · εс = ν · (tк + 273)/(tк - tи).
В данной формуле ν является степенью термодинамической идеальности фактической работы с учетом всех неизбежных потерь во время реального термодинамического цикла, εсявляется коэффициентом трансформации кругового цикла Карно, а показатели tки tиявляются температурами конденсации и испарения хладагента.
Чтобы повысить эффективность функционирования теплового нагнетателя путем уменьшения конденсационной температуры, исследование предполагало рассмотрение отопительной и водонагревательной системы напольного типа, чтобы обеспечить горячим водоснабжением накопительный бак, который также нагревается посредством теплового насоса и встроенного электронагревателя.
Задачей исследования было определение воздействия бивалентной температуры на расход электроэнергии и период окупаемости отопительной системы с атмосферным тепловым насосом, установленной в малоэтажном строительном объекте жилого назначения. В качестве конкурента данной системы взято прямое электрическое отопление.
Энергопотребление системы теплообеспечения с теплонагнетателем рассчитывается по формуле:
Е = ЕТН + Е1 + Е2.
Исходя из формулы, значения ЕТН, Е1 и Е2 являются энергопотреблением, которое использует тепловой насос, вентилятор стартового контура, а также насосное и тепловое оборудование отопительной системы и системы обеспечения горячей водой.
В связи с тем, что показатель рабочей температуры теплонагнетателя ограничен 25 градусами Цельсия со знаком минус, исследование предусматривало рассмотрение диапазона бивалентной температуры в пределах от минус 25 до плюс 5 градусов по Цельсию.
Увеличение энергопотребления отопительной системы с воздушным тепловым насосом происходит в условиях повышенной бивалентной температуры. Причиной тому является неэффективное производство тепла электронагревателем. Тем самым, в сравнении с электрической отопительной системой годовой экономический эффект теплонасосной отопительной системы, рассчитанной на критическую бивалентную температуру, равную минус 25 градусам Цельсия, составляет 23,63 тысячи киловатт в час. В долевом выражении экономия равна 42 процентам, а в финансовом – 1,74 тысячи долларов.
Экономическая эффективность использования отопительной системы с воздушным тепловым насосом рассчитывалась на основании срока окупаемости вспомогательных инвестиций. При этом объектом сравнения была система с электрическим котлом. Для вычисления периода окупаемости использовалась следующая формула:
СО = ln(1 + rСО0)/ln(1 + r).
В формуле r означает дисконтную норму, равную 0,12 единицам, СО0является бездисконтным сроком окупаемости, который рассчитывается по формуле:
СО0 = К/ΔД.
В формуле ΔД является ежегодным расчетным промежуточным доходом на протяжении расчетного времени, который приносит отопительная система воздушного типа. Показатель К является капитальными расходами на приобретение устройств отопительной системы и ее установку.
Исследование проводилось с использованием тепловых насосов DanfossDHP-AQ. После проведения экспериментов выяснилось, что увеличение температуры бивалентности является причиной роста периода окупаемости теплового нагнетателя. Следует отметить, что самый значимый расчетный фактор – это потребление электроэнергии, от которого зависит показатель ΔД отопительной системы. На основании зависимости можно сделать вывод, что проектирование теплонасосов должно осуществляться с учетом минимальной бивалентной температуры.
В результате исследований функционирования теплонагнетателей, в которых используется низкопотенциальное тепло, извлекаемое из воздушной массы, зафиксировано более чем 42-процентное сокращение энергопотребления на территории сибирских и уральских регионов. Также отметим незначительный период окупаемости таких устройств.
Наиболее эффективная работа системы теплообеспечения наблюдается при ориентации на бивалентную температуру.
На основе материалов из журнала "АВОК"