Теплоенергетична ефективність використання теплонасосних установок

Теплоенергетична ефективність

використання теплонасосних установок 
 
 

Теплонасосна установка (ТНУ) представляє пристрій, у якому температура наявного теплоносія підвищується до потрібного рівня за рахунок витрат електричної чи іншої енергії. ТНУ працює за зворотним термодинамічним циклом Карно і відрізняється від холодильної машини тільки тим, що діє при більш високих верхньому і нижньому рівнях температур. У практиці використовують компресійні, абсорбційні і напівпровідникові ТНУ. 

Теплоенергетична ефективність використання ТНУ, як і будь-якої іншої теплової машини, визначається величиною коефіцієнта корисної дії. У технічній літературі поняття ккд ТНУ трактується по різному як у частині визначення, так і в кількісному відношенні. 

П 

“б”

 роаналізуємо питання визначення ккд на прикладі компресійної ТНУ (рис. 1), що працює в режимі опалення а та охолодження б приміщення.  
 

Робоче тіло в пароподібному стані стискується компресором і при цьому воно нагрівається. У конденсаторі тепла стиснута пара скраплюється і при цьому від нього відводиться тепло Qг при температурі Тг. Після дроселя отримана рідина розширюється, її тиск знижується. При цьому частина рідини випаровується і температура рідини падає до Тх. У випарнику, віднімаючи тепло Qнс від холодного тіла при Тх рідина повністю випаровується і холодна пара знову засмоктується компресором. Якщо таку установку використовувати при температурах вищих, ніж у навколишньому середовищі Тнс, то вона буде працювати як тепловий насос, забираючи тепло з навколишнього середовища Qнс і віддаючи тепло Qг при більш високій температурі в опалюване приміщення. 
 
 
 
 
 

а 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

б 
 
 
 
 

 Рис. 1. Принципова схема ТНУ, що працює в режимі опалення а та

охолодження б приміщення: 1 – приміщення, що нагрівається; 2 – конденсатор;

3 – компресор; 4 – випарник; 5 – дросель; 6 – охолоджуване приміщення 
 
 

Якщо ж використовувати установку при низьких температурах, то вона буде працювати як холодильник, відбираючи тепло Qх з охолоджуваного приміщення і віддавати тепло Qнс у навколишнє середовище. 

Припустимо, що ТНУ в режимі опалення підтримує в приміщенні температуру Тпм = 291 оК (18 оС) при зовнішній температурі Тнс = 278 оК (+5 оС). При цьому температура теплоносія підтримується на рівні Тг = = 323 оК (+50 оС). Припустимо, виходячи з реальних характеристик діючих ТНУ, що на кожні Q1 = 1000 Вт теплоти, переданої ТНУ в приміщення, витрачається Е2 = 700 Вт електричної енергії, а інші Q3 = 300 Вт відбираються з навколишнього середовища. 

Ккд установки, виходячи з теплового балансу, при цьому буде дорівнювати у = Q1/Q2 = 1000/700 = 1,42 (142%). Формально розрахунок виконаний правильно, але результат розрахунку суперечить законам термодинаміки тому, що при аналізі теплоенергетичної ефективності ТНУ необхідно враховувати як кількісні (балансові), так і якісні показники трансформації теплової енергії. 

Визначимо працездатність (ексергію) Е1 теплоти Q1, переданої ТНУ в приміщення. Коефіцієнт працездатності теплоти, переданої в приміщення дорівнює Кп = 1 – Тнс/Тг = 1 – 278/323 = 0,14. Ексергія теплоти Q1 = 1000 Вт складе Е1 = Q1Кп = 10000,14 = 140 Вт. При цьому Ккд установки буде дорівнювати у = Е1/Е2 = 140/700 = 0,2 (20%). Це свідчить про те, що в ідеальних умовах, тобто при роботі ТНУ за циклом Карно, коли внутрішні втрати енергії в установці відсутні, вистачило б усього 140 Вт електроенергії. У реальному випадку довелося витрачати Е2 = 700 Вт електроенергії, тому що 700 – 140 = 560 Вт знецінилися в самій установці. Ці 560 Вт і є той резерв, за рахунок якого в принципі можна її удосконалювати, прагнучи до максимально досяжного Ккд – 100%, коли установка могла б добути з навколишнього середовища вже не Q3 = 300 Вт, а Q1 – Q3 = 1000 – 140 = 860 Вт. 

У наведеному прикладі ми прийняли коефіцієнт перетворення Кпер ТНУ рівним Кпер = 1000/700 = 1,428. Сучасні конструкції ТНУ працюють при цілорічній експлуатації з Кпер = 2–3. 

Розглянемо ефективність ТНУ, що працює з Кпер = 2,5. На кожні

Q1 = 1000 Вт теплоти, переданої в приміщення витрачається при цьому Е2 = 400 Вт електроенергії, а інші Q3 = 600 Вт відбираються з навколишнього середовища. Вихідні дані по температурах приймаємо такими, як і в першому випадку. 

Коефіцієнт працездатності теплоти, переданої в приміщення складає Кп = 1 – Тнс/Тг = 1 – 278/323 = 0,14. 

Ексергія теплоти, переданої в приміщення дорівнює Е1 = Q1Кп =

= 10000,14 = 140 Вт. 

Ккд ТНУ буде дорівнювати у = Е1/Е2 = 140/400 = 0,35 (35%). При цьому в установці знецінюється не 560 Вт енергії, як у першому випадку, а всього Е2 – Е1 = 400 – 140 = 260 Вт, тобто майже в два рази менше. 

Слід зазначити, що ТНУ мають також значні резерви підвищення ефективності за рахунок зменшення різниці температур джерела і приймача теплоти. Таке зменшення досягається при використанні джерел теплоти таких, як зворотна вода систем опалення, вентиляції, вторинні теплові енергоресурси та ін. При цьому значення Кпер підвищується. 

Порівняємо теплоенергетичну ефективність систем теплопостачання з ТНУ із системами теплопостачання від КЕС, котельні і ТЕЦ. 

Найбільший ефект досягається при заміні прямого електричного опалення на електричне опалення з використанням ТНУ. Навіть при Ккд системи теплопостачання з ТНУ 20% теплонасосне опалення приміщень економічніше прямого електричного (споживаючого 1000 Вт електроенергії) приблизно на 43%. У системах теплопостачання з Ккд 35% на опалення приміщень витрачається в 2,5 раза менше електроенергії в порівнянні з прямим електричним опаленням приміщень. 

Питома витрата палива на вироблення теплоти в котельні складає в середньому 150 г/(кВт·год), а електроенергії на КЭС – 330 г/(кВт·год), тобто в 2,2 раза більше. Якщо врахувати, що електроенергії при опаленні від ТНУ потрібно в 2–3 рази менше, ніж при безпосередньому електричному опаленні, то системи з ТНУ дають можливість досягти 20–30% економії палива в порівнянні з використанням котелень. Розрахунки свідчать, що ТНУ потужністю 240 МВт (теплових), що використовує тепло стічних вод для опалення, кондиціонування повітря і гарячого водопостачання дає змогу заощадити 300 тис т у.п на рік у порівнянні з котельною такої потужності. 

Єдиною системою, з яким ТНУ не може конкурувати по ефективності є ТЕЦ, зате в комбінації ТЕЦ – ТНУ досягається максимальний ефект у частині використання палива. Якщо здійснити теплохолодопостачання об’єкта за схемою: ТНУ споживає електроенергію від ТЕЦ, а також зворотну воду від системи опалення, що працює від ТЕЦ, то при цьому паливо в комбінованій системі використовується з максимальним термодинамічним ефектом. Якщо вважати, що ТЕЦ і ТНУ працюють відповідно за прямим і зворотним циклами Карно, то для одержання одиниці теплоти необхідно палива приблизно в 5 разів менше, ніж при прямому його використанні в опалювальній котельні. У реальних умовах цей показник буде меншим, але все-таки його значення буде вищим, ніж у будь-який іншій системі, яка використовує паливо.