<<< На главную <<<

Выбор теплового наоса для административных зданий с низким энергопотреблением в условиях холодного климата

Введение.

Для достижения амбициозных целей в области энергоэффективности зданий, а также реконструкции и строительства зданий с нулевым потреблением энергии рекомендуется применять различные комбинации энергоэффективных технологий. Строительство энергосберегающих домов (экодомов) является приоритетным направлением в Норвегии. В зданиях с низким энергопотреблением требуется высококачественная теплоизоляция, энергоэффективное оборудование и высокий уровень рекуперации тепла. Кроме того, существуют требования, что в системе энергоснабжения нового здания должны применяться возобновляемые источники энергии. Немало важным, также, является анализ энергоэффективности зданий, в которых используются возобновляемые источники энергии. Для достижения полного потенциала энергоэффективных технологий необходимо изучить экономическую и техническую целесообразность энергетической системы в целом.

Тепловые насосы типа «вода-вода» являются многообещающей технологией, как для жилых зданий, так и для административных сооружений. Геотермальные тепловые насосы также рассматриваются как весьма эффективная энергосберегающая технология. Эффективность такого оборудования доказана детальными исследованиями и тестированиями. Начиная с 1976 года, были проведены исследования в области работы комбинированных систем, применение тепловых насосов и солнечных коллекторов. Например, Trillat-Berdal etal. представили экспериментальное исследование применения комбинации грунтовых тепловых насосов с термальными солнечными коллекторами в жилом секторе. Оптимально спроектированная и смонтированная комбинация этих устройств может обеспечивать 36% годового объема энергии на отопление и 75% от годового объема на горячее водоснабжение. Из-за отсутствия детального описания исследований нового оборудования, специалисты и жильцы скептически относятся к новым идеям. Поэтому, важно изучать и документировать достижения использования новых технологий.

Найти решение задачи оптимального энергоснабжения административных зданий с низким энергопотреблением в условиях холодного климата было целью этого исследования. Комбинированная система теплового насоса с солнечным коллектором рассматривалась как подходящее решение проблемы энергоснабжения. Анализировалось использование следующих вариантов: тепловой насос типа «воздух-вода», геотермальный тепловой насос типа «вода-вода». Комбинированная система теплового насоса типа «воздух - вода» с солнечным коллектором и комбинированная система геотермального теплового насоса типа «вода – вода» с солнечным коллектором. Рабочей жидкостью в этих тепловых насосах был хладагент R-410A. Так как использование тепловых насосов для полного соответствия потребностей в отоплении и их использование в условиях неравномерной нагрузки нецелесообразно, поэтому во время пиковых нагрузок используют электрические котлы. Проанализированные здания были оснащены системой переменного расхода воздуха (ПРВ) и водяной системой отопления. Для уменьшения расходов на установку системы электроснабжения, здания были оборудованы блоком ПРВ и потолочным отоплением. Поскольку Energy Plus способна моделировать реальные условия работы тепловых насосов и системы электроснабжения в зданиях, она была выбрана для проведения исследования. Одновременно анализировались улучшения тепловых насосов и системы контроля вентиляции.

Практический пример

С помощью Energy Plus был проведен анализ нового административного здания с низким энергопотреблением на юге Норвегии. Строение площадью 3 000 м2 расположено на побережье в коммуне Мандал на юге Норвегии, и недавно введено в эксплуатацию. Параметры для Мандала следующие: при температуре в помещении 20°C, средняя годовая наружная температура 6,9 °C, расчетная наружная температура составляет - 19°C. Общее годовое солнечное излучение на м2 площади следующее: на восточной стороне – 418 кВт*ч/м2, на западной стороне – 460 кВт*ч/м2, на северной – 262 кВт*ч/м2, на южной – 644 кВт*ч/м2. Здание рассчитано на 100 офисных работников.
В соответствии с идеей этого проекта в здании предполагалась высококачественная теплоизоляция со значением коэффициента теплопроводности 0,71 Вт/м2*К и 0,1 Вт/м2*К для окон и стен соответственно. Выбранное значение инфильтрации, равное 0,5 ч-1, соответствует Норвежским стандартам для энергосберегающих домов. Для уменьшения расходов на установку системы энергоснабжения, здание было оснащено блоком ПРВ и потолочным отоплением.
Таким образом, система вентиляции и водяное отопление были смонтированы как одно устройство в потолке каждого офиса. Такая конструкция была разработана подрядной компанией. Температура подаваемой в систему отопления воды равна 40°C, возвращаемой – 35°C. Система энергоснабжения с тепловым насосом и электрическим бойлером показана на рисунке 2. Схема на рисунке соответствует изображению на дисплее системы управления электроснабжением здания. Так как здание эксплуатируется недавно, в схеме могут быть изменения в будущем, то есть эта схема не является окончательной.

В этом исследовании предположили, что установка кондиционирования воздуха состоит из следующих элементов: впускной и выпускной демпфер, подающий и вытяжной вентилятор, фильтры, высокомощный вращающийся теплообменник и нагревательная спираль. Охлаждающие спирали не использовались для уменьшения электропотребления и упрощения вентиляционной установки. Идея заключалась в том, чтобы охлаждение в ночное время обеспечивалось воздушной вентиляцией. Предполагалось, что расход воздуха в рабочее время будет 6 м3/ч*м2 и 1 м3/ч*м2 в нерабочее время, в соответствии с Норвежским стандартам для энергосберегающих зданий.

Работа тепловых насосов в административных зданиях с низким энергопотреблением

В поиске подходящего решения проблемы энергоснабжения в исследованных административных зданиях с низким энергопотреблением были проанализированы параметры рабочего процесса и использование энергии. Показано влияние работы системы управления теплового насоса на кривую нагрузка-длительность.

На основе данных системы климат-контроля о потребности в отоплении и заводских технических данных тепловых насосов были выбраны следующие значения производительности тепловых насосов:

- для теплового насоса «воздух-вода»: номинальное значение мощности отопления 57,4 кВт и коэффициент преобразования (КП) 3,9.
- для теплового насоса типа «вода-вода»: номинальная мощность 50,8 кВт и КП 5,6.

Работа в ночном режиме является простой энергосберегающей мерой. Однако работа теплового насоса в условиях динамически изменяющейся нагрузки неэффективна. Поэтому анализировались стратегии управления с использованием ночного режима и без него. Стратегия управления без использования ночного режима предполагает, что температура в помещении постоянна. Результаты этого анализа для теплового насоса типа «воздух-вода» представлены на рисунке 3.




Стратегия управления с использованием ночного режима требует высокой пиковой производительности оборудования утром, когда необходимо повысить температуру в помещении (см. рис.3).




Как указано во Введении, в этом случае пиковый эффетк обеспечивается электрическим котлом. Постоянная температура в помещении позволяет избежать как пикового увеличения потребления электроэнергии, так и пиковой нагрузки на тепловой насос. Влияние использования ночного режима на общее потребление электроэнергии для системы климат-контроля можно увидеть на графике (Рис. 4). Результаты стратегии управления без использавания ночного режима можно увидеть на рисунке 5.

Кривые нагрузка-длительность, показанные на рисунках 4 и 5, справедливы для теплового насоса типа «воздух-вода». На рисунке 4, можно заметить, что энергия, произведенная электрическим котлом, значительно больше общей энергии, использованной системой климат-контроль. Кроме того, время работы теплового насоса с полной нагрузкой оказалось достаточно низким – только 1203 часа.



Для такого же теплового насоса при постоянной температуре в помещении время работы составляет 1775 часа, а потребление энергии ниже (см. рисунок 5). Таким образом, стратегия управления без использования ночного режима более предпочтительна. Эта стратегия позволяет полнее использовать технологии теплового насоса и предотвращает излишнее применение электрического котла. Этот результат касается и других типов зданий с тепловыми насосами. Суммарные результаты по времени работы и количеству потребленной электроэнергии системой климат-контроля для тепловых насосов типа «воздух-вода» и «вода-вода» показаны в таблице 1. Поэтому, было принято решение дальнейшие исследования проводить при постоянной температуре воздуха. В исследуемых тепловых насосах коэффициент преобразования колебался в пределах от 2,2 до 5 в течение года.

Обсуждение.

Технико-экономический анализ решений проблем в энергоснабжении выполнен с помощью расчета чистой приведенной стоимости (NPV). Предполагалось, что срок службы тепловых насосов типа "воздух-вода" составляет 20 лет, а тепловых насосов типа "вода-вода" - 40 лет (монтируется в скважинах). Предполагалось, что реальная коммерческая выгода будет 6%. При выполнении расчета чистой-приведенной стоимости для сравнения было выбрано строение, полностью отапливаемое электричеством. Капиталовложение для тепловых насосов типа "Воздух-вода" составили 246 000 норвежских крон (NOK), а для теплового насоса типа "Вода-вода" 425 000 NOK, включая бурение скважины, наличие теплообменника и установку солнечного коллектора (3050 NOK/м2). Тариф за электроэнергию - 1 NOK/кВтч. Курс валют 1 евро=7,36 NOK. При оценке анализируемых решений учитывается 50% среднее повышение тарифа на электроэнергию. Результаты технико-экономического анализа показаны на рис.6. Технико-экономический анализ показывает, что наилучшим решением проблемы энергоснабжения является применение теплового насоса типа "Воздух-вода" без использования солнечного коллектора (см. рис.6). При 50% повышении тарифа на электроэнергию, тепловой насос типа "Воздух-вода" с солнечным коллектором станет более привлекательным решением. Нынешнее 15% повышение тарифа на электроэнергию выше предполагаемого ранее. Подобная тенденция наблюдается и для других типов зданий в таких же экономических условиях, так как соотношение между экономией электроэнергии и общим ее потреблением остается прежним.

Заключение

В статье были проанализированы разные способы решения проблемы энергоснабжения административных зданий с низким энергопотреблением в условиях холодного климата. Исследования показали, что в летний период в зданиях необходимо увеличивать воздушный поток в системе вентиляции. Стратегия управления без использования ночного режима лучше подходит для теплового насоса. Эта стратегия позволяет избежать излишнего использования электрического котла. Так как не вся солнечная энергия проникает в грунт, неиспользованными ежегодно остаются 20 мегаватт-час потенциально доступной солнечной энергии. Технико-экономический анализ показывает, что в нынешней экономической ситуации наилучшим решением проблемы энергообеспечения является применение теплового насоса типа "воздух-вода" без использования солнечного коллектора. При 50% повышении тарифов на электроэнергию тепловой насос типа "воздух-вода" с солнечным коллектором станет более привлекательным решением. В подобных экономических условиях выбранные экономические решения верны и для других типов зданий.

Таблица 1 Время использования и суммарное потребление электроэнергии тепловым насосом
Тепловой насосСистема управления Время пользованияЭлектроэнергия, потребленная тепловым насосомДополнительное потребление электроэнергииСуммарное потребление электроэнергии
Воздух-водаНочной режим 120315,921,937,8
Воздух-водаБез ночного режима 177524,29,133,2
Вода-водаНочной режим 12761525,140,1
Вода-водаБез ночного режима 192722,81335,8
Яндекс.Метрика