Анализ эффективности использования тепловых насосов в централизованных системах горячего водоснабжения

В. П. Фролов, генеральный директор,

С. Н. Щербаков, главный инженер, ГУП «Мосгортепло»,

М. В. Фролов, генеральный директор ООО «Теплоучет Сервис»,

А. Я. Шелгинский, докт. техн. наук, профессор ГОУВПО «МЭИ ТУ»

ГУП «Мосгортепло» эксплуатирует более 5 000 тепловых пунктов, 5 000 км тепловых вводов и разводящих тепловых сетей, обеспечивает более 22 000 жилых домов и административных зданий отоплением, холодной и горячей водой, затрачивая более 35,5 млн Гкал/год теплоты и 410 млн кВт•ч/год электроэнергии. В связи с этим на предприятии значительное внимание уделяется вопросам энергосбережения и, в частности, использованию тепловых насосов в условиях работы ГУП «Мосгортепло». Последнее время теплонасосным установкам (ТНУ) уделяется много внимания [1–11]. Эффективность их использования зависит от многих факторов, таких как: температурные уровни источника теплоты и потребителя, соотношение тарифов на теплоту и используемую энергию, уровень цен на используемую теплоту от источника (если необходимо за нее платить), тип использования привода компрессора и т. д. Под эффективностью в данной работе понимается превышение стоимости замещаемой теплоты (от другого источника) над энергетическими затратами ее производства в ТНУ. Она является основой для определения реального экономического эффекта при использовании ТНУ с учетом капитальных, эксплуатационных и других затрат, сроков их окупаемости, себестоимости произведенной теплоты, получения дополнительной прибыли и т. д.

Рисунок 1. (подробнее) Рассматриваемые варианты схем включения ТНУ в централизованную систему теплоснабжения

На рис. 1 представлены некоторые возможные схемы включения ТНУ с электроприводом в централизованную систему теплоснабжения. Рассматривается несколько вариантов.

Используется теплота низкопотенциального источника для подачи ее в испаритель ТНУ и возможность догрева воды для ГВС после конденсатора ТНУ водой из подающего трубопровода тепловой сети. Подача теплоты к испарителю ТНУ возможна непосредственно теплоносителем источника теплоты или с использованием промежуточного теплоносителя, циркулирующего под воздействием насосов с механическим приводом, или с использованием тепловых труб (ТТ).

Рисунок 2. (подробнее) Принципиальная схема термодинамических процессов, происходящих в элементах ТНУ

Конструкция ТТ для передачи теплоты от источника к испарителю ТНУ – конструкция гравитационной ТТ (термосифона) схематично представлена на рис. 1. Аналогичная была рассчитана и спроектирована по методике, изложенной в [12, 13], при непосредственном участии авторов этих работ реализована в 1981 году недалеко от Неаполя (Италия) для прямого теплоснабжения жилого здания с использованием теплоты термальных вод. На рис. 2 в Т–S диаграмме показана принципиальная схема процессов, происходящих в эле-ментах ТНУ. Подведенная теплота к испарителю ТНУ используется для испарения хладагента (рабочего теплоносителя ТНУ); процесс 5–1 кДж/кг.

Рисунок 3. (подробнее) Влияние коэффициента трансформации теплоты, тарифов на электроэнергию и замещаемую теплоту на эффективность использования ТНУ: а) ЦЭ = 1,0 руб./(кВт•ч); б) ЦЭ = 1,5 руб./(кВт•ч)

Далее пары хладагента сжимаются в компрессоре КМ (рис. 1, 2, процесс 1–2). При этом затрачивается внутренняя работа компрессора l_В, определяемая разностью энтальпий между точками 2’–1, деленной на адиабатный КПД компрессора (кДж/кг).

После компрессора пары хладагента поступают в конденсатор КТНУ, конденсируются и затем конденсат охлаждается в переохладителе (рис. 1). Количество полученной теплоты для системы ГВС определяется разностью энтальпий между точками 2–4 (кДж/кг).

Рисунок 4. (подробнее) Влияние температуры источника теплоты и температуры теплоносителя после ТНУ на коэффициент трансформации теплоты m

В зависимости от величины t_В2 (рис. 1) переохладитель конденсата может не использоваться или выполняться воедино с конденсатором. При таком включении возможны варианты: когда t_В4 = t_В5, т. е. вода для ГВС полностью нагревается в ТНУ до требуемой температуры, или частично до некоторой величины t_В4 и далее догревается до t_В5 в теплообменнике с использованием теплоты сетевой воды подающего трубопровода. Подключение теплообменника может быть параллельным или последовательным к системе отопления в зависимости от конкретных условий. Доля теплоты, переданной ТНУ (Q’_ТНУ), в этом случае определяется отношением разности температур между t_В4 и t_В2 к полному перепаду температур (t_В5 – t_В2).

После переохладителя хладагент дросселируется в дросселе (рис. 1, 2, процесс 4–5).

Рисунок 5. (подробнее) Влияние стоимости замещаемой теплоты на эффективность работы ТНУ для различных температур источников теплоты

Коэффициент трансформации (преобразования) теплоты µ определяется отношением полученной теплоты q_ГВС к затраченной работе l_КМ = l_В/h_ЭМ; h_ЭМ – электромеханический КПД привода.

Для анализа эффективности использования ТНУ в рассматриваемой схеме включения, на основе энергетического баланса цикла ТНУ и при переходе к стоимостным показателям, в данной работе получено соответствующее соотношение, в котором используются:

Ц_Т – удельная стоимость используемой теплоты сетевой воды (руб./Гкал);

Ц_Э – удельная стоимость используемой электроэнергии (руб./Гкал).

В работе для наглядности используются размерности, пока еще широко применяемые во многих организациях: кВт•ч, Гкал; 1 кВт•ч = 3 600 кДж = 0,859•10^-3 Гкал; 1 руб./(кВт•ч) = 1 164 руб./Гкал.

Рисунок 6. (подробнее) ВЭффективность использования ТНУ в зависимости от доли ее выработки в сравнении со стоимостью теплоты от других источников

На рис. 3 представлено влияние удельной стоимости замещаемой теплоты при использовании ТНУ (при Q’_ТНУ = 1), коэффициента трансформации теплоты, удельной стоимости используемой электроэнергии на эффективность использования ТНУ в рассматриваемых случаях. Все расчеты, в качестве примера, приводятся для рабочего теплоносителя ТНУ хладона R-22 и соответствующих взаимосвязей:
µ = f (t_В4, t_В2, t_ИСТ) [11]. Как видно из рисунка, при увеличении коэффициента трансформации теплоты, уменьшении стоимости электроэнергии, увеличении стоимости теплоты, замещаемой ее выработкой ТНУ эффективность использования ТНУ резко возрастает.

Рисунок 7. (подробнее) Влияние соотношения тарифов на электроэнергию и теплоту на эффективность работы ТНУ с электроприводом при hЭМ = 1

При уменьшении разности температур Dt = (t_В4 - t_ИСТ) коэффициент трансформации теплоты увеличивается (рис. 4), т. к. уменьшаются затраты энергии на привод компрессора (рис. 2, процесс 1–2а). Это приводит к увеличению эффективности использования ТНУ. На рис. 5 показано влияние температуры источника теплоты на эффективность работы ТНУ при t_В4 = = t_В5, т. е. Q’_ТНУ = 1. Но с уменьшением температуры t_В4 возникает необходимость догревать воду для системы ГВС до требуемой t_В5, используя теплоту сетевой воды стоимостью ЦТ. При этом доля теплоты Q’_ТНУ, произведенная в ТНУ, уменьшается. На рис. 6 показано влияние Q’_ТНУ на эффективность использования ТНУ для различной стоимости теплоты сетевой воды при  Ц_Э = 1,1 руб./(кВт•ч), t_ИСТ = 15 °C, t_В5 = 55 °C, t_В2 = 25 °C. Из графиков следует, что максимальное значение Э_ф достигается при Q’_ТНУ = 1. При уменьшении ЦТ эффективность Э_ф падает и при определенной стоимости замещаемой теплоты от теплосети может стать отрицательной.

Рисунок 8. (подробнее) Энергетическая составляющая в себестоимости теплоты, выработанной ТНУ с электроприводом, в зависимости от тарифов на электроэнергию и температуры источника теплоты

Рассмотрим вариант использования теплоты сетевой воды из обратного трубопровода с температурой t_ИСТ = t_ВС при t_В4 = t_В5.

На рис. 1 представлена схема включения ТНУ для данного случая, обозначенная пунктирной линией. Необходимое количество теплоты в испаритель ТНУ поступает только от сетевой воды из обратного трубопровода стоимостью Ц_Т. Из анализа соотношения, полученного в данной работе, следует, что экономический эффект при использовании ТНУ с электроприводом в этом случае возможен только при соотношении тарифов на замещаемую теплоту и электроэнергию: Ц_Э / h_ЭМ < Ц_Т.

На рис. 7 показана область (ниже линии 1), где Э_ф > 0 при h_ЭМ = 1.

С уменьшением h_ЭМ уменьшается и Ц_Э, т. е. линия, определяющая Э_ф = 0, становится более пологой. Это справедливо для данного отдельного узла. В системе же это приводит к увеличению разности температур между теплоносителями в подающем и обратном трубопроводах, и, как следствие, возможно уменьшение расхода теплоносителя, затрат энергии на его перекачку, диаметров трубопроводов. Но это отдельная задача, которую необходимо решать.

Проведенные исследования показывают, что в себестоимость теплоты, произведенной ТНУ с электроприводом, существенную часть вносят энергетические затраты ЦТЭН, которые в значительной мере зависят от температурного уровня источника теплоты и тарифов на электроэнергию (рис. 8).

Из рисунка следует, что при определенных тарифах на электроэнергию и температуре используемой низкопотенциальной теплоты, например теплоты канализационных стоков [8], грунта земли [9], воды рек и водоемов [10], энергетическая составляющая в себестоимости теплоты, произведенной в ТНУ, может быть соизмеримой с общей себестоимостью теплоты, выработанной другими источниками.

Поэтому к использованию ТНУ в системах теплоснабжения необходимо подходить взвешенно, с учетом всех конкретных условий. В [7], например, показывается, что использование для привода ТНУ двигателей внутреннего сгорания (ДВС) или в сочетании ТНУ с другими энергоустановками существенно увеличивает эффективность их применения.

Литература

1. Андрющенко А. И. Сравнительная эффективность применения тепловых насосов для централизованного теплоснабжения // Промышленная энергетика. 1997. № 6. С. 2–4.

2. Везиришвилли О. Ш., Меладзе Н. В. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения. М.: МЭИ, 1994.

3. Данилов В. В. Повышение эффективности системы централизованного теплоснабжения на основе применения технологии тепловых насосов // Энергосбережение и водоподготовка. 2000. № 2. С. 5–14.

4. Мартыновский В. С. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов / Под ред. В. М. Бродянского. М.: Энергия, 1979.

5. Пустовалов Ю. В. Экономические вопросы развития теплонасосных станций // Теплоэнергетика. 1986. № 3. С. 24–28.

6. Янтовский Е. И., Левин Л. А. Промышленные тепловые насосы. М.: Энергоатомиздат, 1989.

7. Николаев Ю. Е. Основы повышения эффективности тепло-

снабжающих комплексов городов. Дис. д-ра техн. наук. Саратов: Гос. техн. ун-т, 2003.

8. Шилкин Н. В. Утилизация тепла канализационных стоков // Сантехника. 2003. № 1. С. 12–13.

9. Васильев Г. П., Шилкин Н. В. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных установках // АВОК. 2003. № 2. С. 52–60.

10. Салимов М. Экономия энергоресурсов за счет использования бросового тепла рек и водоемов. С данным материалом можно ознакомиться на http://msalimov.narod.ru/Util.htm.

11. Мартынов А. В. Установки для трансформации тепла и охлаждения: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1989.

12. Shelghinski A. Tubi di calore a media temperatura. // ATTI del XXXVI Congresso Nazionale ATI dell’ Associazione Termotecnica Italiana. Viaregio, Vol. 1. 1981. pp. 739–752.

13. Casarosa C., Latrofa E., Shelghinski A. Effetto geyser nel termosifone bifase // ATTI del XXXVI Congresso Nazionale ATI dell’ Associazione Termotetecnica Italiana. Viareggio. Vol. 1. 1981. pp. 753–768.