Разработка и исследование теплонасосной системы отопления сельского дома на основе использования низкопотенциальной теплоты открытого водотока

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и определены задачи исследования, дана оценка научной новизны и практической значимости полученных результатов, приведены основные
положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Современное состояние вопроса» на основе обзора
литературных источников рассмотрена возможность и перспективы 6
использования энергии возобновляемых ресурсов, в частности низкопотенциальной тепловой энергии, для целей теплоснабжения. Рассмотрены существующие схемы теплонасосных системы теплоснабжения и методы отбора НПТ от водной среды.
Проведённый обзор позволил определить задачи исследования.
Во второй главе «Теоретические исследования по усовершенствованию теплонасосных систем, использующих низкопотенциальную теплоту водотока» выявлены возможные способы повышения технико-экономических показателей рассматриваемых систем теплоснабжения, в соответствии с ними предложен ряд решений, разработаны математическая модель и методика расчёта, которая была реализована в виде расчётной программы и применена при проектирования экспериментальной установки.
За основу была взята известная схема ТНУ с замкнутым контуром отбора НПТ, по которому циркулирует низкозамерзающий теплоноситель (рисунок 1). Метод распределения выработанной теплоты в контексте работы не имеет значения, поэтому за базовый вариант взята схема с непосредственным нагревом воздуха в теплообменнике-конденсаторе ТН.
Рисунок 1 ‒ Схема ТНУ с контуром отбора НПТ от водотока
В результате проведённого анализа были определены основные недостатки существующих схем и выявлены возможности для оптимизации технико- экономических параметров теплонасосных систем теплоснабжения, использующих НПТ поверхностных водотоков. Обозначены следующие основные меры:
‒использование преимущества движущейся среды в водотоке путём размещения устройства отбора теплоты в виде трубной решётки в зоне активного течения с расположением труб поперечно течению;
‒оптимизация параметров низкотемпературного контура, прежде всего геометрических параметров теплообменного устройства, гидравлического сопротивления контура и расхода теплоносителя.
Следующим шагом стала разработка математической модели и методики расчёта, позволяющих предсказывать параметры работы предлагаемого погружного теплообменника в составе низкотемпературного контура ТНУ и оптимизировать его размеры.
Для достижения поставленной цели – разработки экономичной системы теплоснабжения – необходимо, с одной стороны, добиваться высокой эффективности работы ТНУ, а с другой ‒ снижать её стоимость, прежде всего за счёт снижения материалоёмкости контура отбора НПТ. В качестве альтернативы процессу оптимизации по этим двум конкурирующим критериям выбрана оптимизация по критерию срока окупаемости установки – величине, связывающей стоимость установки и эффективность её работы и наиболее показательно характеризующей технико-экономические параметры системы. В результате, целевой функцией оптимизации выбрана функция простого срока окупаемости Tок организации теплонасосной системы с отбором теплоты от водотока посредством разрабатываемого теплообменника по сравнению с системой прямого электрообогрева. Переменными оптимизации определены диаметр D и суммарная длина труб трубной решётки L – параметры, характеризующие площадь теплообменной поверхности, энергетические потери на циркуляцию и материалоёмкость. Математическая запись условий задачи оптимизации представлена в следующем виде:
Tок D,LI0 D,L ED,Lmin
DD,…,D  , (1)
 1 n 0  L  Lmax
где Tок ‒ срок окупаемости, год; D ‒ диаметр труб, м; L ‒ суммарная длина труб,м; I0 ‒ инвестиции в модернизацию системы теплоснабжения (организацию теплонасосной системы выработки теплоты вместо прямого электрического нагрева), руб.; E ‒ годовая выгода от применения ТНУ по сравнению с использованием прямого электрообогрева, руб./год.
Выгода от применения ТНУ определяется эффективностью её работы, которая характеризуется безразмерным мгновенным коэффициентом преобразования COP (от англ. coefficient of performance, также называемым коэффициентом полезного действия нагрева ТН) и его среднегодовым значением. Было принято допущение, что величина среднегодового коэффициента преобразования с достаточной для данной задачи оптимизации точностью соответствует мгновенному COP, вычисленному для наиболее вероятных в течении отопительного сезона условий функционирования установки. В результате целевая функция представляется в виде следующей зависимости:
T D,LIconstIальтCТОMТРD,L, (2)
ОК
 D,L
где Iconst ‒ независящая от размеров трубной решётки составляющая капитальных
затрат, руб.; Iальт ‒ затраты на организацию альтернативной, более дешёвой
системы прямого электрообогрева, руб.; MТР ‒ масса труб трубной решётки,
кг; CТО ‒ величина общего удорожания конструкции от каждого
дополнительного килограмма массы трубной решётки, руб./кг;
C ‒ стоимость электроэнергии, руб./кВт∙ч; Q ‒ годовая потребность Э/Э Т.год
объекта в тепловой энергии, кВт∙ч/год; ТНУ ‒ коэффициент преобразования COP установки, определяемый для наиболее вероятных в течении
отопительного сезона условий.
В работе учитывается влияние на COP ТНУ мощности, затрачиваемой на циркуляцию теплоносителя. Поскольку в ТНУ предлагаемой схемы для достижения максимальной эффективности предполагается настройка производительности циркуляционного насоса на поддержание оптимального с точки зрения общей эффективности расхода, то электрическая мощность, затрачиваемая на циркуляцию теплоносителя, считается однозначной функцией двух выбранных переменных оптимизации. Взаимосвязь коэффициента преобразования ТНУ с переменными оптимизации представляется в следующем виде:
C Q 1 1  
Э/Э Т.год 
ТНУ 
 D,L qТ Тисп D,L , (3)
компр исп
ТНУ
P Т D,LP D,LP компр исп ЦН доп
где qТ Тисп D,L ‒ теплопроизводительность установки как функция от Тисп , Вт; P Т D,L ‒ электрическая мощность, потребляемая компрессором ТН,
как функция от Т , Вт; P D,L‒ электрическая мощность, потребляемая исп ЦН
циркуляционным насосом как функция от D и L , Вт; Тисп D, L ‒ температура кипения фреона в испарителе ТН как функция от D и, К; P ‒ электрическая
мощность, потребляемая другими компонентами ТН, Вт.
Параметры теплообменника сложным образом влияют на величину COP
установки. Было сделано заключение, что не представляется выполнимым в
рамках данной работы аналитически выразить зависимость ТНУ (D,L) так, чтобы
она с достаточной точностью соответствовала реальной функции независимо от
применяемого в установке ТН. Соответственно, целевая функция T D,L также ОК
не будет выражена аналитически. Вместо этого в оптимизационном расчёте предполагается использование табличных данных по Q Т  и P Т ,
предоставляемых производителем предполагаемого ТН, и вычисление на их 9
доп
Т исп компр исп

основе COP установки для конкретных условий. Учитывая изначальную дискретность значений диаметров трубы и относительную простоту необходимых вычислений для современных персональных компьютеров в качестве метода оптимизации выбран метод перебора. Метод перебора заключается в нахождении значений целевой функции для каждой комбинаций переменных, принимающих дискретные значения из заданного диапазона, с последующим анализом полученного массива данных и нахождением точки минимума целевой функции.
Ключевой задачей стала разработка методики проведения теплового расчёта контура с нахождением равновесных температур теплоносителя (температур в контуре после выхода на установившийся режим работы) и последующим вычислением на их основе величины COP установки.
Для проведения оптимизации размеров разрабатываемого теплообменника выработана методика и разработана расчётная программа в среде MathCAD. Оптимизация по данной методике теплообменника для работы в составе конкретной ТНУ позволяет находить оптимальный баланс между размерами теплообменника и коэффициентом преобразования установки, который обеспечивает минимальный срок окупаемости установки.
Исходными данными для расчёта являются: характеристики предполагаемого ТН в виде зависимостей вырабатываемого теплового потока и затрачиваемой электрической мощности от температуры теплоносителя, характеристики предполагаемого циркуляционного насоса, данные по источнику НПТ, набор значений переменных оптимизации D и L , физические свойства материалов и другие параметры.
Основной расчёт сводится к нахождению температур теплоносителя на входе и выходе теплообменника в установившемся режиме работы, то есть таких температур, при которых тепловой поток, отбираемый теплоносителем от реки, равен тепловому потоку, отбираемому ТН от теплоносителя. Для этого потребовалось вывести дифференциальные уравнения, описывающие процесс постепенного нагрева теплоносителя по мере протекания по теплообменной трубе, а также составить разветвлённый итерационный алгоритм двойной вложенности для нахождения точки равновесия тепловых потоков.
С учётом принятого допущения, что охлаждение речной воды по мере протекания через теплообменник незначительно, для процесса нагрева теплоносителя было составлено следующее дифференциальное уравнение:
dTвнутр(x)dKTР Tвнутр(x), (4) dx GC
где Tвнутр(x) – температура теплоносителя в зависимости от пройденного по теплообменнику пути, К; x – пройденный теплоносителем путь по трубам,
10

м; d – расчётный диаметр трубы, в качестве которого выбран средний диаметр, м; K – коэффициент теплопередачи от воды к теплоносителю, Вт/(м2∙К); TР – температура речной воды, К; G – расход теплоносителя, кг/с;
C – удельная теплоёмкость теплоносителя, Дж/(кг∙К).
Дифференциальное уравнение (4) имеет аналитическое решение, что
упрощает вычисления:
T внутр
(x)T  Р
TР Tвх , (5) πdKx
exp GC  
где Tвх – температура теплоносителя на входе в теплообменник, К.
При отборе тепловым насосом НПТ от водотока с помощью погружных теплообменников возможны ситуации, когда температура на внешней стороне теплообменной поверхности окажется ниже температуры замерзания воды. Это приведёт к образованию на поверхности ледяной корки, изменяющей режим теплообмена. Для проектирования теплообменников с учётом возможности образования на поверхности труб слоя льда было выведено дифференциальное
уравнение:
dTвнутр(x)πdнар 2Л Tвнутр(x)Л Л Tвнутр(x)TР 273,15, (6)
dx GC
где dнар – наружный диаметр трубы, м;  Л Tвнутр (x) – установившаяся толщина
слоя льда на поверхности трубы, зависящая от температура теплоносителя в данной точке трубы, м; Л  Л Tвнутр (x) – коэффициент теплоотдачи от
воды к обледенелой поверхности трубы, Вт/(м2∙К), зависящий от толщины слоя льда в данной точке трубы.
Данное уравнение получено из условия, что температура наружной
поверхности слоя льда равна 0 °C (273,15 K), что означает постоянный градиент температуры между речной водой и поверхностью льда при переменном коэффициенте теплоотдачи, зависящем от внешнего диаметра обледенелой трубы. Данная дифференциальное уравнение вместе с ещё двумя простыми уравнениями образуют систему, позволяющую найти все неизвестные. Однако дифференциальное уравнение (6) не решается аналитически ни одним из известных методов, поэтому для вычисления температуры теплоносителя в этом случае используются численные методы решения дифференциальных уравнений, доступные в среде MathCAD, а именно решение методом Рунге- Кутта с переменным шагом интегрирования.
По результатам первоначальных расчётов было сделано несколько заключений. Было выявлено, что заметно интенсифицировать теплопередачу от воды к теплоносителю возможно лишь в случае использования для теплообменника металлических труб благодаря их высокой теплопроводности.
11

В качестве материала для труб разрабатываемого теплообменника экспериментальной ТНУ была выбрана оцинкованная сталь. Также было установлено, что высокая вязкость большинства применяемых низкозамерзающих теплоносителей, как правило гликолевых, не позволяет добиться высокой интенсивности теплообмена при температурах, характерных для низкотемпературного контура ТНУ. В результате сравнения характеристик множества составов по совокупности критериев на роль теплоносителя для контура отбора НПТ был выбран водный раствор хлорида кальция.
Разработанная расчётная программа была применена при проектировании экспериментальной ТНУ, использующей НПТ водотока. На основе найденных точечных значений функции ТНУ (D,L) вычислялись значения целевой функции оптимизации. Графическое изображение полученной поверхности функции срока окупаемости установки от длины и диаметра труб с указанием точки минимума показано на рисунке 2.
Рисунок 2 ‒ Поверхность функции срока окупаемости установки от длины и диаметра труб теплообменника с обозначением точки минимума
В соответствии с полученным результатом для изготовления теплообменника были выбраны стандартные трубы номинальным (внутренним) диаметром 15 мм, оптимальная суммарная длина труб составила 16,9 м.
Кроме того, с помощью расчётной программы было проанализировано влияние возможного обледенения труб теплообменника на эффективность работы установки.
С учётом полученных данных, а также принимая во внимание необходимость размещения теплообменника в зоне наибольшей скорости течения, были разработаны специальные конструкции теплообменника для отбора теплоты от водотока. Запатентованные варианты конструкций теплообменника на основе плоского змеевика и многорядной трубной решётки из металлических труб круглого сечения представлены на рисунке 3.
Рисунок 3 ‒ Примеры конструкции плавучего теплообменника с плоским змеевиком (а) и многорядной трубной решёткой (б)
1 – рама, 2 – змеевик (трубная решётка), 3 – поплавки, 4 – грузы-якоря, 5 – тросы
Для обеспечения возможности расположения теплообменника в зоне наибольшей скорости течения он снабжён поплавками, придающими ему плавучесть, а также тросами и грузами-якорями, благодаря чему теплообменник можно расположить и удерживать в зоне наилучшего теплообмена. Желательно размещать его ближе к поверхности, но в условиях замерзающего зимой водотока следует удерживать теплообменник ниже глубины промерзания (рисунок 4).
Рисунок 4 ‒ Пример расположения теплообменника в водотоке в условиях наличия донных иловых отложений и ледяного покрова.
В третьей главе «Разработка и изготовление экспериментальной теплонасосной установки и системы мониторинга» приводится описание ТНУ, изготовленной в соответствии с предлагаемой схемой, и системы мониторинга для проведения экспериментальных исследований на установке.
ТНУ типа вода-воздух была смонтирована на дачном участке в Московской области и обеспечивает отопление и кондиционирование дома общей площадью около 65 м2. В качестве источника НПТ выступает незамерзающий водоток (ручей-исток реки Бутыня), протекающий в 35 м от дома. Непосредственно ТН был изготовлен автором на основе компонентов серийно-выпускаемого
кондиционера (сплит-система воздух-воздух). ТН имеет регулируемую производительность, максимальная теплопроизводительность установки составляет 6 кВт, максимальная холодопроизводительность – 5 кВт, максимальная потребляемая электрическая мощность ‒ 2,25кВт. Схема установки приведена на рисунке 5.
Рисунок 5 ‒ Принципиальная схема экспериментальной установки
1 – внешний блок ТН; 2 – внутренний блок ТН; 3 – теплообменник вода-рассол;
4 – утеплённый подземный трубопровод; 5 – кессон; 6 – фреонопровод; 7 – компрессор ТН; 8 – теплообменник рассол-фреон
Изготовленный для установки плавучий теплообменник в целом соответствует конструкции, заявленной в патенте, за исключением некоторых отличий. В конструкции не используются грузы-якоря, поскольку водоток не имеет выраженного твёрдого дна, а также является незамерзающим, что исключает необходимость погружать весь теплообменник под воду во избежание вмерзания в лёд. Изменение глубины погружения и наклона змеевика обеспечивается регулировкой длины стоек, которыми змеевик прикреплён к несущей раме. Для удобства обслуживания организована возможность подъёма теплообменника из воды (рисунок 6 а). В рабочем положении (рисунок 6 б) змеевик погружается в воду на глубину по меньшей мере в несколько сантиметров, но посредством регулировки стоек возможно погружение на глубину более 0,5 м, что соответствует максимально возможному на данном участке русла погружению в донные отложения.
Для проведения экспериментальных исследований на ТНУ была разработана специальная система мониторинга параметров работы ТНУ с возможностью вычисления и отображения в режиме условно реального времени (с незначительной задержкой по сравнению с характерным временем реакции ТНУ) значений производительности и COP установки. Система мониторинга отслеживает одновременно множество рабочих параметров и на их основе
вычисляет эти результирующие показатели. Система построена на основе 8- канального АЦП, однако в связи с нестандартностью задачи выполнена по разработанной оригинальной схеме и предполагает особый алгоритм обработки данных посредством специально написанного программного модуля (плагина) для персонального компьютера. На рисунке7 приведены принципиальные схемы ТНУ и системы мониторинга с указанием мест расположения датчиков.
Рисунок 6 ‒ Теплообменник в подвешенном (а) и в рабочем (б) положениях
Рисунок 7 ‒ Принципиальная схема ТНУ с системой мониторинга
При организации системы мониторинга был разработан метод, позволяющий на один канал АЦП подавать сигнал с двух и более датчиков, что значительно расширяет возможности малоканального АЦП. Такая схема наиболее актуальна при наличии измерителей с частотным или импульсным выходным сигналом и отсутствии цифровых входов с аппаратными прерывания для их регистрации, что имело место быть в описываемой системе мониторинга. В случае нехватки каналов АЦП для измерения всех необходимых величин
15

становится целесообразным применить разработанную схему с поочерёдной подачей на один вход АЦП сигналов с нескольких неимпульсных датчиков с разделением их импульсами с микросхемы-счётчика, преобразующей сигнал с датчика с частотным выходом. Дальнейшая программная обработка оцифрованного сигнал позволяет выявлять составляющие от каждого подключённого датчика и преобразовывать в соответствующие показания.
Для программной обработки данных, поступающих с разработанной системы мониторинга, был написан программный модуль, представляющий собой подключаемую к основной программе динамическую библиотеку. Помимо преобразования цифрового сигнала с АЦП в показания отдельных датчиков и вывода этих значений на экран, разработанный программный модуль также выполняет следующие функции:вычисление на основе полученных значений основных параметров эффективности исследуемой установки; выявление установившихся режимов работы отдельно для ТН и для погружного теплообменника с вычислением средних значений основных параметров работы на протяжении установившегося режима; прореживание и запись в файл потока данных;запись в отдельные файлы параметров установившихся режимов ТН и погружного теплообменника.
Реализованные в программном модуле алгоритмы диагностики установившихся режимов отдельно для ТН и для речного теплообменника позволяют автоматически сохранять для последующего анализа только показатели, характеризующие работу этих устройств в установившемся режиме, исключая из рассмотрения переходные процессы.
В четвёртой главе «Экспериментальные исследования работы теплонасосной установки, использующей низкопотенциальную теплоту водотока» приведены результаты натурных исследований работы плавучего теплообменника в составе ТНУ.
Первыми были проведены измерения по определению коэффициента теплопередачи вода-теплоноситель на коротком прямом участке трубы змеевика в зависимости от расхода теплоносителя. Сверка расчётных и экспериментальных значений данного коэффициента представляет интерес, так как вычисление коэффициента теплопередачи является ключевым моментом в разработанной расчётной программе, от достоверности которого зависит точность оптимизационного расчёта. Для проведения измерений было запрограммировано медленное (с изменением на 1 % раз в 10 сек) снижение расхода теплоносителя от максимального до минимального и последующее повышение с такой же скоростью, во время чего происходила регистрация значений температур и расхода теплоносителя, на основании чего вычислялся коэффициент теплопередачи. Полученные точки для каждого значения расхода
представлены на рисунке 8. На графике также приведена расчётная зависимость коэффициента теплопередачи, полученная с помощью разработанной расчётной программы. Излом на расчётной зависимости связан с переходом от расчётов для ламинарной модели течения в трубе к расчётам по формулам для течения смешанного типа.
Рисунок 8 ‒ Зависимость коэффициента теплопередачи от расхода теплоносителя (точки – экспериментальные данные, линии – расчётные значения)
Полученные результаты подтвердили, что выбранная модель позволяет с достаточной точностью вычислять значение данного коэффициента, а, следовательно, и находить оптимальные параметры теплообменника.
Следующим этапом на экспериментальной ТНУ были проведены серии измерений, при которых для каждого рассматриваемого набора условий замерялись температуры теплоносителя на входе и выходе змеевика. На основании полученных значений температур, а также значений потребляемой электрической мощности и расхода теплоносителя, программным модулем вычислялись значения отбираемого и отдаваемого тепловых потоков и COP теплового насоса. Проверялась эффективность работы погружного теплообменника как при простом горизонтальном погружении змеевика в область активного течения, так и при других условиях: наклонное в направлении течения расположение змеевика, погружение змеевика в донные иловые отложения, задействование части (1/3) длины змеевика, принудительные колебания теплообменника.
При рассмотрении целого теплообменника, а не короткого модельного участка трубы, температурный напор для расчёта коэффициента теплопередачи вычислялся по формуле среднелогарифмического температурного напора (СТН). На основании данных об установившихся режимах из нескольких экспериментов было получено множество значений СТН для различных
значений отбираемого теплового потока при различных условиях эксплуатации плавучего теплообменника. В процессе проведения экспериментов невозможно было поддерживать какую-то определённую величину отбираемого теплового потока, его значения постоянно менялись. В связи с этим для нахождения средних значений коэффициента теплопередачи было решено сопоставлять результаты различных измерений на координатной плоскости в координатах СТН‒тепловой поток (T ‒Qотб ). Как следует из теории тепломассообмена, для одних и тех же условий СТН должен линейно зависеть от теплового потока, поэтому точки должны аппроксимироваться линейной функцией. Проводился регрессионный анализ с получением формул и графиков прямых, аппроксимирующих данные ряды точек. Полученные графики приведены на рисунке 9. Коэффициент в уравнениях этих прямых, равный тангенсу угла наклона с осью абсцисс, по сути является средним значением величины отношения СТН к отбираемому тепловому потоку и обратно пропорционален искомому коэффициенту теплопередачи.
Рисунок 9 ‒ Результаты экспериментов, представленные в виде зависимостей среднелогарифмического температурного напора от отбираемого теплового потока
Полученные коэффициенты из уравнений аппроксимирующих прямых были использованы для вычисления значений коэффициента теплопередачи для различных условий эксплуатации плавучего теплообменника. Найденные значения коэффициента теплопередачи приведены на столбчатой диаграмме на рисунке10. В результате было установлено, что теплообмен значительно ухудшается вне активной области течения. При расположении змеевика в донных иловых отложениях (1-й столбец) коэффициент теплопередачи оказывается почти в 22 раза ниже, чем при расчётном расположении в ядре
потока. Улучшение теплообмена для наклонного расположения оказалось на уровне 7..9 %. Учитывая несколько повышающуюся при этом вероятность задержки мусора теплообменником, можно сказать, что нет достаточных оснований во всех случаях стремиться к наклонному расположению змеевика.
Результаты натурных исследований подтверждают правильность выбранного решения с плавучим теплообменником и размещением змеевика в зоне активного течения, а полученные значения коэффициента теплопередачи оказались схожими с полученными в измерениях на коротком отрезке теплообменной трубы и с получаемыми в разработанной расчётной программе.
Рисунок 10 ‒ Сравнение значений удельного коэффициента теплопередачи для различных условий эксплуатации погружного теплообменника
В пятой главе «Экономическая эффективность применения разработанной теплонасосной системы отопления» приведена оценка экономической эффективности предлагаемой системы. Проведено сравнение разработанной теплонасосной системы отопления с тремя альтернативными вариантами:
‒ теплонасосная система с традиционным методом отбора НПТ от водотока, предполагающим укладку на дно большого объёма полиэтиленовых труб и заполнением контура гликолевым теплоносителем;
‒теплонасосная система с использованием НПТ грунта посредством вертикального грунтового коллектора (геозондов);
‒ система отопления на основе газового котла с установкой газгольдера.
В качестве объекта, требующим организации системы отопления, рассматривался модельный индивидуальный жилой дом общей площадью порядка 230 м2 и пиковой тепловой нагрузкой 20 кВт. Годовая потребность дома в тепловой энергии была оценена в 30940кВт∙ч (111,4ГДж, 26,52Гкал). Стоимость оборудования и монтажа определялась на основе расценок действующих фирм, занимающихся монтажом такого рода систем.
Все четыре системы рассматривались как альтернатива самому малозатратному по капиталовложениям варианту отопления – прямому электрообогреву. Выгодой от эксплуатации этих систем считается сокращение ежегодных расходов на работу системы отопления по сравнению с расходами на оплату затрачиваемой электроэнергии при прямом электрообогреве. Исходя из этого для всех четырёх вариантов были посчитаны дисконтированные сроки окупаемости вложений и внутренние нормы доходности. Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1 ‒ Показатели экономической эффективности системы
Норма дисконта – 10% Стоимость эл-энергии – 5 р/кВт∙ч Стоимость сжиж. газа – 16 р/л Площадь дома – 230 кв.м
Теплонасосная система предлагаемой схемы с плавучим теплообменником (50м до русла)
Теплонасосная система с традиционным методом отбора НПТ от водотока (50м до русла)
Теплонасосная система с использованием НПТ грунта (геозонды, 500м)
Система на основе газового котла и газгольдера
Стоимость оборудования и монтажа, тыс.р в т.ч.:
488 600 1030 450
тепловой насос 340 монтаж теплового насоса 50
прокладка трубопровода контур отбора теплоты теплоноситель
Годовые расходы на энергоресурсы, тыс.р/год Расходы на обслуж. в первые 10 лет, тыс.р/год Годовая экономия, тыс.р/год Дисконтированный срок окупаемости (DPP), лет Внутренняя норма доходности (IRR)
50 50
46 130 660
2 30
36,8 38,7 37,7 36,3
—5
117,9 5,6 23,5%
116,1 117 7,6 22,3
19,1% 10,3%
107,8 5,7 23,6%
Установлено, что разработанная система с экономической точки зрения предпочтительнее существующих теплонасосных систем и обладает примерно такими же показателями экономической эффективности, что и распространённая система теплоснабжения на основе газового котла и газгольдера. Однако, по сравнению с последней, предлагаемая система предпочтительнее с экологической точки зрения и с позиции удобства эксплуатации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенное диссертационное исследование показало целесообразность применения для теплоснабжения сельского дома теплонасосной системы с использованием низкопотенциальной теплоты водотока, сооружённой по предложенной схеме с использованием разработанного плавучего теплообменника. При этом оптимизация параметров теплообменника посредством разработанной расчётной программы позволяет организовывать
системы, характеризующиеся высокими технико-экономическими показателями.
По результатам выполненной работы были сделаны следующие выводы:
1. Разработана, изготовлена и исследована в работе теплонасосная система, обеспечивающая теплоснабжение жилого дома с использованием низкопотенциальной теплоты открытого водотока.
2. Предложена математическая модель и разработана методика расчёта и оптимизация низкотемпературного контура ТНУ со входящим в состав погружным теплообменником с учётом возможности обледенения теплообменной поверхности. Методика реализована в виде программы-расчёта в среде MathCAD, которая позволяет проектировать оптимальные с технико- экономической точки зрения погружные теплообменники для водотока и в целом низкотемпературные контуры ТНУ, содержащие такие теплообменники. В частности, методика позволяет рассчитывать оптимальный расход теплоносителя в контуре.
3. Разработана и запатентована конструкция плавучего теплообменника со змеевиком из металлических труб для отбора теплоты от водотока, которая вместе использованием теплоносителя предложенного состава позволяет в полной мере использовать преимущества движущейся водной среды, упростить и удешевить организацию контура отбора НПТ.
4. Изготовлена теплонасосная система отопления жилого дома с использованием низкопотенциальной теплоты открытого водотока. Рассчитанное для данной системы теплопроизводительностью 6 кВт оптимальное значение длины металлических труб теплообменника предложенной конструкции составило 16,9м, в то время как в случае организации отбора теплоты по традиционной схеме для достижения тех же показателей потребовалось бы порядка 370 м пластиковых труб.
5. Разработана система мониторинга параметров работы теплонасосной установки, которая позволяет в режиме реального времени отслеживать текущие значения коэффициента преобразования COP установки и прочих параметров работы. Предложенная схема подключения датчиков показала свою работоспособность и позволила сократить число требуемых каналов АЦП.
6. Исследована работы теплонасосной системы отопления дома с плавучим теплообменником для отбора низкопотенциальной теплоты от водотока. Измерения показали, что даже при небольшой скорости течения водотока порядка 0,15м/с различие в интенсивности теплообмена для вариантов размещения теплообменника на дне и в зоне активного течения может более чем 20-ти кратным. При оптимальных схемах размещения в таком водотоке и оптимальном расходе теплоносителя величина коэффициента теплопередачи
составляет 560..650 Вт/(м2∙К), что согласуется с расчётами.
Разработанная на основе результатов диссертационной работы ТНУ с
использованием теплоты водотока внедрена и используется для отопления дома правления СНТ «Московская правда» (подтверждено актом внедрения).