Рисунок 1. Схема парокомпрессионного теплового насоса с регенеративным теплообменником и процесс в Т, s диаграмме.
Теплота от конденсатора – полезный эффект. ТН применяется как в централизованных, так и в децентрализованных системах теплоснабжения. ТН потребляет электроэнергию на привод компрессора. Эффективность работы ТН определяется тем, сколько электроэнергии затрачивается на выработку теплоты с нужным уровнем температуры.
Коэффициент преобразования (трансформации) ТН
Эксергетический КПД ТН для идеального цикла
где T0 – температура низкопотенциального источника теплоты, TК – температура отпускаемой теплоты.
Низкопотенциальным источником теплоты может быть грунт, вода, канализационные стоки, наружный воздух. Воздушные тепловые насосы существенно дешевле грунтовых тепловых насосов, т.к. не требуется устанавливать дорогостоящие грунтовые зонды. Это особенно актуально в российских условиях, т.к. ТН имеют высокую цену. Многие современные тепловые насосы могут работать и при температуре наружного воздуха -25 …- 30 °С., однако при этом режиме работы их μ будет немногим выше 1, и его энергопотребление будет сравнимо с электрокотлом при одинаковом отпуске теплоты.
Для парокомпрессионных ТН μ>2,5-3. Среднегодовой коэффициент преобразования воздушных тепловых насосов для средней полосы РФ находится 2,8-3,2.
Коэффициент преобразования (трансформации) ТН μ зависит от разности температур (TК – T0), причем μ снижается при увеличении разности температур (TК – T0).
TК < 55…60°С для бытовых ТН, TК < 80°С для ТН в промышленности.
TК ↓ → μ ↑→NЭ ↓ при постоянных QК и T0.
ТН позволяет трансформировать теплоту с низкого температурного уровня на более высокий.
В системах теплоснабжения применяются парокомпрессионные и абсорбционные ТН.
В парокомперссионных ТН рабочее тело совершается только обратный термодинамический цикл, а а абсорбционном ТН процессы переноса теплотыпереноса теплоты совершаются с помошью совмещенных прямого и обратного термодинамических циклов.
Целесообразность применения ТН в России появляется, если μ>3. Это объясняется соотношением тарифов на тепловую энергию и электроэнергию.
Двухступенчатые теплонасосные установки иногда применяются в системах теплоснабжения, покрывающих отопительную нагрузку.
Отопительная нагрузка имеет сезонный характер. Значение этой нагрузки изменяется в течение отопительного сезона в широких пределах зависимости от температуры наружного воздуха. Для большинства районов нашей страны максимальная отопительная нагрузка превышает среднюю за сезон примерно вдвое.
Второй особенностью отопительной нагрузки является переменный потенциал теплоты, требующийся для её удовлетворения. При обычно применяемом качественном методе регулирования тепловой нагрузки потенциал теплоты растёт по мере её увеличения. При максимальной тепловой нагрузке требуется и максимальная температура теплоносителя в отопительной установке. Поэтому при максимальной отопительной нагрузке, возникающей в период наиболее низких температур наружного воздуха в отопительный сезон, теплонасосная установка должна не только трансформировать максимальное количество тепла, но и работать в максимальном интервале температур между теплоотдатчиком и теплоносителем, подаваемым в систему отопления.
Расход энергии в отопительных теплонасосных установках при максимальной отопительной нагрузке превышает обычно её расход при средней отопительной нагрузке в 3-4 раза. По указанным причинам отопление является в принципе неблагоприятной нагрузкой для тепловых насосов, так как установленная мощность этих установок, рассчитанная на максимальную отопительную нагрузку, а также электрогенерирующая мощность энергосистемы, предназначенная для электроснабжения теплонасосных установок, имеют низкое число часов использования (если только эти установки не могут быть полезно использованы в летнее время для кондиционирования воздуха, например, в районах с жарким климатом). Следует иметь в виду, что максимум отопительной нагрузки наступает в наиболее холодный период отопительного сезона и, как правило, совпадает с электрическим максимумом энергосистемы.
Рис. 2.10. Характерная зависимость отопительной нагрузки (а) и температуры теплоносителя в отопительных установках (б) от наружной температуры
На рис. 2.10 показана зависимость отопительной нагрузки (а) и температуры теплоносителя в отопительных установках (б) от наружной температуры для климатических условий Москвы.
При выполнении отопительных теплонасосных установок по одноступенчатой схеме все их элементы работают в нерасчетном режиме со значительной недогрузкой практически в течение всего отопительного сезона, за исключением короткого периода наиболее низких наружных температур. Это приводит к большим дополнительным энергетическим потерям.
Среднегодовой расход энергии в теплонасосных отопительных установках может быть снижен при выполнении их по двухступенчатой схеме.
На рис. 2.11 показана принципиальная схема теплонасосной установки, использующей для отопления тепло источника постоянного потенциала, например тепло речной воды или воздуха, охлаждающего электрогенераторы электростанций. Такие установки могут применяться, в частности, для отопления помещения гидроэлектростанций, а также жилых посёлков при них.
Вода из отопительной установки поступает в сетевой насос VIII, который подаёт её для подогрева в конденсаторы VII и VI, выполненные по двухступенчатой схеме и включенные последовательно по сетевой воде. Благодаря отделению в конденсаторах зоны охлаждения перегретого пара от зоны конденсации противоточного движения рабочего агента и нагреваемой воды удаётся повысить температуру нагретой воды на выходе из конденсатора и снизить потерю энергии от необратимого теплообмена. В конденсаторе нижней ступени VII вода нагревается с температуры τ2 до некоторой промежуточной температуры τп. Затем вода поступает в конденсатор второй ступени VI и нагревается в нём до температуры τ1. Из конденсатора верхней ступени VI вода подаётся в отопительную систему, отдаёт тепло обогреваемым помещениям и вновь возвращается в теплонасосную установку с температурой τ2.
Тепло от теплоотдатчика речной воды или воздуха передаётся в испарителе III кипящему рабочему агенту, пар которого при давлении ро поступает в компрессор II нижней ступени, где сжимается до давления р'к, после чего разделяется на два потока. Один поток поступает в конденсатор VII, где в процессе отдачи тепла нагреваемой воде конденсируется, другой – в компрессор I верхней ступени, где сжимается, до давления р''к, после чего поступает в конденсатор VI, где нагревает теплоноситель от промежуточной температуры τп. до температуры τ1. Затем конденсат рабочего агента через дроссельный вентиль V поступает в конденсатор VII. Суммарный поток конденсата из конденсатора VII через дроссельный вентиль IV подаётся в испаритель.
Режим работы рассматриваемой установки определяется режимом работы отопительной системы.
При повышенных температурах наружного воздуха в период отопительного сезона, например, когда отопительная нагрузка составляет 50% максимальной, работает только компрессор нижней ступени. Компрессор и конденсатор верхней ступени при этих режимах отключены.
При более низких температурах наружного воздуха включаются в работу компрессор и конденсатор второй ступени. При этих режимах вода в конденсаторе VII подогревается до практически постоянной температуры τп.
По мере снижения температуры наружного воздуха в этом диапазоне уменьшается тепловая нагрузка конденсатора VII, так как повышается температура τ2 обратной воды после отопительной системы; одновременно увеличивается тепловая нагрузка конденсатора VI, так как растёт температура воды τ1, подаваемой в отопительную систему.
При максимальной отопительной нагрузке тепловая нагрузка конденсатора VII практически равно нулю, а конденсатора VI- максимальной отопительной нагрузке.
Распределение отопительной тепловой нагрузки между конденсаторами VII и VI двухступенчатой теплонасосной установки показано на рис. 2.10.
Максимальная тепловая нагрузка конденсатора VII равна примерно половине максимальной отопительной нагрузки Q0=0,5. Максимальная тепловая нагрузка конденсатора VI равна всей максимальной отопительной нагрузке и имеет место при минимальной (расчётной) наружной температуре.