На сегодняшний день наблюдается непрерывный рост цен на тарифы по оплате тепловой и электрической энергии, на услуги жилищно-коммунального сектора. Предъявляются жёсткие требования к экологической безопасности. В этих условиях модернизация системы теплоснабжения возможна в результате применения теплового насоса как источника тепловой энергии для нужд горячего водоснабжения и частично для отопления зданий. Работа теплового насоса типа «воздух–вода» в бивалентном режиме совместно с системой централизованного теплоснабжения позволяет снизить потребление энергетических ресурсов и финансовые затраты по их оплате. Как следствие, снижаются выбросы вредных веществ в атмосферу.

Ответ на вопрос о целесообразности применения теплового насоса требует учёта большого количества различных факторов, таких как расчётная и средняя за отопительный период температура наружного воздуха в рассматриваемом климатическом регионе, коэффициент трансформации энергии и теплопроизводительность выбранной модели теплового насоса, тарифы на электрическую и тепловую энергию и т.д. Как будет показано в данной работе, немаловажное значение имеет выбор номинальной теплопроизводительности теплового насоса, а в конечном итоге — соотношение между долей теплоты, поставляемой от теплового насоса, и долей теплоты, поступающей от дополнительного источника. В работе анализируется бивалентный режим работы теплового насоса совместно с централизованным источником теплоснабжения с учётом перечисленных факторов с целью его оптимизации, а именно: достижения минимума затрат энергоресурсов на нужды теплоснабжения.

Предлагаемая методика позволит на стадии проектирования системы теплоснабжения и подбора оборудования, включая тепловой насос, прогнозировать и оптимизировать затраты энергоресурсов и финансовых издержек на нужды отопления.

На первом этапе были обработаны статистические данные о погодных условиях за отопительный период. Они были получены из архива погоды [2] для рассмотренных регионов (города Москва, Ярославль, Киров, Владивосток, Волгоград, Геленджик) за отопительный период 2015–2016 годов.

Из архива погоды для рассматриваемого климатического района копировался массив данных tнj(j = 1, ... M), где M — число точек массива. Интервал измерения температуры наружного воздуха составляет Δt = 3 ч (восемь измерений в сутки). Массив данных tнj(j = 1, ... M) охватывал температурный диапазон от расчётной температуры наружного воздуха до температуры +8 °C: tнр tнj tн = +8 °C. Весь температурный диапазон разбивался на интервалы, каждый из которых составлял 3 °C, количество таких интервалов равно N. Проводилась выборка температур из массива данных tнj(j = 1, ... M) , попадающих в указанные интервалы. В результате имеем N массивов температур:

tнk(k = 1, ... N1),

tнk(k = 1, ... N2),

tнk(k = 1, ... N3),

Для указанных массивов вычислялась длительность по времени стояния средневзвешенных температур и средневзвешенная температура наружного воздуха:

Оптимальный бивалентный режим работы теплонасосных установок типа

Все дальнейшие расчёты проводились в относительных единицах, включая: Qo — отношение текущей отопительной нагрузки к расчётной;

Оптимальный бивалентный режим работы теплонасосных установок типа

отношение теплопроизводительности теплового насоса при текущей температуре наружного воздуха к номинальной; µ = µ/µном — отношение коэффициента трансформации энергии при текущей температуре наружного воздуха к номинальному. Был введён коэффициент обеспеченности отопительной нагрузки, означающий долю номинальной теплопроизводительности теплонасосной установки (ТНУ) от расчётной отопительной нагрузки:

Оптимальный бивалентный режим работы теплонасосных установок типа

Относительная теплопроизводительность ТНУ и коэффициент трансформации энергии как функции температуры наружного воздуха и температуры воды на выходе из теплового насоса задавались обобщённой зависимостью, аппроксимирующей данные, представленные различными производителями тепловых насосов, например, Altal Group, Bosch, Danheat, Fujitsu, Mitsubishi, NIBE, Stiebel Eltron, «Корса» и др. При аппроксимации применялся метод наименьших квадратов (МНК).

Продолжительность отопительного периода разбивалась на три интервала по характерным температурам наружного воздуха [1].

В первый период работы (I) (tнр < tнiср < tн2, где tн2 = –20 °C было принято как нижний предел работы теплового насоса) отопительная нагрузка обеспечивается потреблением теплоты только из тепловой сети. Во второй период (II) (tн2 <  tнiср < tн1, где tн1 — температура в точке бивалентности — точке пересечения графиков [1]) отопительная нагрузка обеспечивается воздушной ТНУ и частично тепловой сетью. В третьем периоде (III) (tн1 <  tнiср) отопительная нагрузка обеспечивается только ТНУ.

Для каждого из периодов проводился расчёт потребляемой электроэнергии [кВт·ч]:

Оптимальный бивалентный режим работы теплонасосных установок типа

где ni — длительность интервала со средней температурой tнiср, ч; N1 — количество температурных интервалов со средней температурой наружного воздуха tнiср, отвечающей условию tнp < tнiср < tн2; N— количество температурных интервалов со средней температурой наружного воздуха tнiср, отвечающей условию tнp2 < tнiср < tн1; N— количество температурных интервалов со средней температурой наружного воздуха tнiср, отвечающей условию tн1 < tнiср; N — суммарное количество температурных интервалов:

Оптимальный бивалентный режим работы теплонасосных установок типа

Далее для каждого из периодов проводился расчёт потребления тепловой энергии, кВт·ч:

Оптимальный бивалентный режим работы теплонасосных установок типа

где tн1ср — средневзвешенная температура в заданном интервале, °C; [] — длительность интервала со средневзвешенной температурой tн1ср, ч.

Относительное потребление топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) при совместной работе ТНУ и тепловой сети, отнесённое к базовому потреблению:

Оптимальный бивалентный режим работы теплонасосных установок типа

где bэ — удельный расход топлива на производство 1,0 МВт·ч электроэнергии (bэ= 0,345 т.у.т. на 1,0 МВт·ч); bQ — удельный расход условного топлива на производство 1 Гкал теплоты (bQ = 0,149 т.у.т. за 1 Гкал);

Оптимальный бивалентный режим работы теплонасосных установок типа

потребление тепловой энергии за отопительный период от централизованного теплоснабжения (базовое потребление); [] — продолжительность отопительного периода, ч.

Относительные затраты по оплате энергоносителей при совместной работе ТНУ и тепловой сети (отнесённые к базовым затратам при работе только от тепловой сети):

Оптимальный бивалентный режим работы теплонасосных установок типа

В расчётах температура воды на выходе принималась равной +55 °C. При расчётах затрат тарифы на тепловую и электрическую энергию были взяты с официальных сайтов региональных энергетических комиссий [3–10].

Оптимальный бивалентный режим работы теплонасосных установок типа

Результаты расчётов приведены на рис. 1 и 2. Минимум затрат топливноэнергетических ресурсов в условном топливе и затрат теплоносителей достигается при соотношении номинальной теплопроизводительности ТНУ и расчётной отопительной нагрузки, равном 0,6. Уменьшение коэффициента обеспеченности ниже указанного значения нецелесообразно, так как доля теплоты, получаемой из тепловой сети, в общем потреблении уменьшается из-за замены на более дорогую электрическую энергию.

Оптимальный бивалентный режим работы теплонасосных установок типа

Заключение

Снижение номинальной теплопроизводительности теплового насоса относительно расчётной отопительной нагрузки объекта приводит к уменьшению величин относительного потребления ТЭР и финансовых затрат. Оптимальное значение номинальной мощности ТНУ, позволяющее достичь минимума энергетических и финансовых затрат, составляет для принимаемых к рассмотрению климатических регионов величину, равную 0,6, от расчётной отопительной нагрузки объекта теплоснабжения. При этом доля тепловой энергии, поступающей от тепловой сети, при минимуме энергетических и финансовых затрат индивидуальна для каждого потребителя и зависит от климатических условий. Например, для районов со средней температурой наружного воздуха не превышающей –2 °C эта доля составляет примерно 0,25 от суммарного потребления энергетических ресурсов за отопительный период, и резко возрастает с понижением средней температуры ниже –2 °C.

Наименьший эффект от установки тепловых насосов достигается для регионов с тёплым климатом, так как увеличивается доля более дорогой электрической энергии в общем потреблении.