Введение
Теплонасосные системы теплоснабжения совместно с вертикальным грунтовым теплообменником используются для покрытия потребности в теплоте и холоде различных типов зданий. В целях расчёта эффективности этих систем, с учётом изменяющихся параметров внешней среды и влияния тепловой инерции грунта в грунтовом теплообменнике, применяются программы для энергетического моделирования, такие как eQUEST/DOE-2.2 [1], Energy Plus [2] и TRNSYS [3]. В них математическая модель системы состоит из «подмоделей» связанных между собой компонентов: теплового насоса, грунтового теплообменника, циркуляционных насосов и прочих элементов системы теплоснабжения, а расчёт параметров работы систем производится с шагом один час или меньше.
Несмотря на свою общепризнанность, названные выше программы не выполняют моделирование с тепловым насосом, в котором установлен спиральный компрессор (расчёт проводится только с поршневым), не учитывают постепенное замерзание и оттаивание грунта, которое в Российской Федерации имеет место в даже в зонах с умеренным климатом. Код программ написан на устаревших языках программирования высокого уровня Fortran и C/C++, что затрудняет его понимание и, как следствие, внесение в него изменений. Поэтому автором статьи была разработана программа на языке Scala (платформа JVM) [4–6] под конкретную задачу расчёта эффективности работы геотермальных систем теплоснабжения с вертикальным грунтовым теплообменником небольшого жилого здания. Программа лишена недостатков, упомянутых выше. В дальнейшем её можно расширить под другие задачи энергетического моделирования.
Описание задачи
Расчёт систем жилых зданий с единственным вертикальным грунтовым теплообменником актуален. Так, по данным государственных источников Швеции, рассмотренных в [7], из 356 463 пробурённых в стране скважин под грунтовые теплообменники только 9368 приходятся на крупные системы с 20 скважинами и более. Большинство же скважин имеют глубину 180–250 м и являются единственными в системе теплоснабжения.
Рассматриваемое здание
Профиль отопительных нагрузок рассматриваемого здания изображён на рис. 1. Общее отношение нагрузок на теплои холодоснабжение у здания составит следующую величину:
12,73 МВт·ч / 0,95 МВт·ч = 13,38 раз.
Теплоснабжение рассматриваемого жилого здания состоит из тепловой нагрузки, требуемой системой отопления для покрытия его теплопотерь, а также для нагрева воды на нужды системы горячего водоснабжения.
Нагрузки на отопление рассчитывались по RTS-методике [8], чтобы не применять отдельные методики для расчёта потребности здания в теплоте и холоде.
Нагрузки на систему ГВС имеют вид двух пиков утром и вечером (в рамках дневного тарифа на электричество) и рассчитаны по отечественным нормам [9] на трёх человек.
Схема теплоснабжения изображена на рис. 2. Мы рассмотрим сразу три варианта. В первом варианте (табл. 1, столбец «Электрокотёл») нагрузка на горячее водоснабжение полностью зависит от электричества. Во втором варианте (табл. 1, столбец «Бивалентный котёл») горячая вода приготавливается при помощи теплового насоса и дополнительно доводится до 60 °C ТЭНом.
В третьей схеме (табл. 1, столбец «Бивалентный котёл и солнечный коллектор») в грунтовый контур установлен солнечный коллектор, дополнительно догревающий теплоноситель летом.
Чтобы корректно сравнивать стоимость энергии, необходимой для теплонасосной системы, со стоимостью функционирования системы центрального теплоснабжения, необходимо учесть потребление электрической энергии циркуляционным насосом в контуре грунта, которого нет в схеме центрального теплоснабжения.
В качестве циркуляционного насоса был принят насос с переменной частотой вращения привода.
Расчёт и результаты
Численная симуляция производилась в течении семи «виртуальных» лет, и значения по потреблению электроэнергии тепловым насосом считались в последний год. Это необходимо потому, что с течением времени эффективность системы снижается. Она также зависит от длины скважины, поэтому для корректности результатов была проведена серия расчётов с постепенно уменьшающейся длиной, с шагом 5 Вт пиковой нагрузки на метр скважины.
Результаты симуляции представлены в табл. 1 и 2. Из табл. 1, видно, что суммарные затраты на электроснабжение уменьшаются, когда в подготовке горячей воды участвует тепловой насос. В то же время общее количество выработанной тепловым насосом теплоты увеличивается сильнее, чем необходимо для горячего теплоснабжения, так как тепловой насос вследствие постоянной частоты привода спирального компрессора не может выработать столько теплоты, сколько требуется в данный момент.
За счёт применения двухтарифного плана на электроэнергию и учёта обстоятельства, что пики теплопотерь здания приходятся на ночное время суток, теплонасосная система оказалась дешевле, чем центральная система теплоснабжения. В суммарных затратах на горячую воду и отопление экономия составляет 18 %. Газовый котёл экономнее теплонасосной системы на 60 %.
Однако потенциально тепловой насос может работать только ночью — для нагрева конструкций, которые будут отдавать теплоту весь последующий день. Если принять ситуацию (заведомо недостижимую), когда тепловой насос потребляет всю электроэнергию для отопления здания по ночному тарифу, то её стоимость за сезон будет равняться 5198 руб., что составляет 81,6 % от стоимости газа для котла. С учётом ГВС даже в таком случае газ окажется дешевле.
Принимается: цена на электрическую энергию — 1,15 руб/кВт·ч с 22:00 до 07:00 и 4,34 руб/кВт·ч с 07:00 до 22:00; цена на тепловую энергию от сети центрального теплоснабжения — 1477,05 руб/Гкал; цена тепловой энергии, получаемой от сжигаемого газового топлива, — 0,5 руб/ кВт·ч; цена за горячее водоснабжение — 180,55 руб/м³.
Кондиционирование
Рассмотрим случай, когда теплонасосная система работает как на теплоснабжение зимой, так и на холодоснабжение летом. Детали устройства систем отопления и кондиционирования опустим.
Чтобы понять, как увеличение тепловыделений в здании влияет на эффективность работы системы, к уже существующим теплопоступлениям от солнечной радиации поочерёдно добавим:
- фоновые тепловыделения 10 Вт/м², круглосуточно;
- тепловыделения от 18 взрослых мужчин с 8:00 до 17:00.
При добавлении новых теплопоступлений потребность здания в холоде будет увеличиваться, а потребность в теплоте уменьшаться. Отношение потребляемой холодильной нагрузки [МВт·ч] к отопительной [МВт·ч] в разных случаях будет:
- 12,73/0,95 = 13,38 раз;
- 7,98/1,2 = 6,20 раз;
- 5,57/2,1 = 2,68 раз.
Чтобы иметь эталон, относительно которого мы будем сравнивать эффективность теплонасосной системы, посчитаем также затраты на тепловую энергию решения, зимой работающего от сети центрального теплоснабжения, а летом от mini-VRF системы.
Результаты расчётов на девятый год работы системы изображены на рис. 3 и 4.
Стоимость энергии, потребляемой теплонасосной системой теплоснабжения, при отношении тепловых нагрузок к холодильным, равном 13,38, будет на 30 % меньше, чем для «эталонной» системы. При отношении тепловых нагрузок к холодильным, равном 2,68, выгода составит уже 58 %.
Выводы
Использование для теплоснабжения теплонасосных систем с вертикальным грунтовым теплообменником выгоднее, чем отопление здания при помощи электричества или от системы центрального теплоснабжения, но дороже газового котла. Наиболее выгодным случаем для применения теплонасосной системы является офисное или общественное здание с высокими теплопоступлениями.
Капитальные затраты на установку теплонасосных систем, а также систем центрального теплоснабжения и газового котла сильно варьируются от географического положения объекта и для небольших систем являются определяющими при выборе технологии.
