«Базовый вариант»
Особый интерес представляет всесторонний анализ высокотемпературного теплового насоса, в котором температурный уровень производства тепла превышает тот максимальный предел, который может быть получен от ТЭЦ.
В качестве иллюстрации рассмотрим термоэкономический анализ теплонасосного теплоснабжения для производства тепла на температурном уровне Тгор=120°С для промышленного потребителя (&~ЗМВт). Выбор рабочего вещества на основании методики, приведенной в п.24.2, показал, что только одно рабочее вещество удовлетворяет всем требованиям - вода (R718). Для одноступенчатого режима работы теплового насоса температура низкопотенциального источника должна быть не ниже ТХОД=80°С, что однозначно определяет возможность использования солнечной энергии.
Схема теплового насоса приведена на рис.24.7. Для анализа принято, что конденсатор и испаритель - кожухотрубные тепло - обменные аппараты; компрессор - поршневой.
Температурная разница «нетто» (Тгор... Тср) является неизменной величиной и характеризуется входными параметрами.
Температурная разница «брутто» представляет функцию температурного напора в теплообменных аппаратах, т. е. характеризует капитальные и эксплуатационные затраты теплового насоса и, с точки зрения эксергетического анализа, определяет сумму деструкций эксергии в конденсаторе и испарителе.
Все варианты систем отопления, приведенные на рис.24.5, будут рассмотрены в сравнения с теплонасосной системой.
Из многочисленного опыта проектирования и эксплуатации систем теплоснабжения были выбраны средние показатели их эффективности:
КПД бойлера:
На жидком топливе 7=0,75; на газе 7^=0,70;
Из опыта проектирования тепловых насосов известно:
изоэнтропный КПД компрессора 77сл*=0,85;
температурный напор в конденсаторе и испарителе zir=10°. Упрощенные тепловые и теплотехнические расчеты различных
Систем отопления и теплового насоса дали результаты, приведенные в таблице 24.5, которые в дальнейшем будут использованы как «базовые».
Общая стоимость любой из рассматриваемых систем состоит из 3 составляющих
Z = + + "ZJтопливої (^4.5)
Где для любого элемента теплонасосной или других систем
Рис.24.8. Принципиальная схема компрессорного теплового насоса |
QK |
|||||
Конденсатор |
L і *теплоноситель |
||||
■------- — " |
О Л |
Г----- ч |
Г |
||
Y дроссель компрессор /Z. |
Л £ |
Ft |
|||
Р J і |
I |
||||
04 |
|||||
V |
Испаритель |
Хладоноситель |
|||
ZCI = akxkn(Ubf/Nk (24.6)
Таблица 24.5
|
Таблица 24.7
|
Х - характеристика к-го элемента (Таблица 24.5); а - цена единицы оборудования (Таблица 24.6); п, у - показатели функций (Таблица 24.7); N - срок эксплуатации (Таблица 24.7).
Экономическая модель системы представлена в таблице 24.6.
Полный анализ анализируемых систем отопления выполнен как обобщение расчетов по термодинамической и экономической моделям (Таблица 24.8).
Полученные результаты констатируют, что при предварительном проектировании экономическая эффективность теплового насоса незначительно превышает эффективность системы 2. Различие 3,6% в общей стоимости входит в диапазон так называемой 4% погрешности, допустимой стандартами на проведение технических расчетов. Таким образом делаем вывод, что единственной альтернативой тепловому насосу может рассматриваться бойлер на жидком топливе.
Для будущего потребителя использование бойлера на жидком топливе является известной и хорошо зарекомендовавшей себя практикой. Существенным недостатком такой системы выступает
Таблица 24.8
|
Отсутствие магистральной доставки топлива к потребителю, следовательно, возникает необходимость хранить жидкое топливо с проведением обязательных мероприятий по технике безопасности и, особенно, пожарной безопасности. Понятно, что эти затраты также должны быть включены в анализ. Очевидно, что суммарные затраты «система 2 + система хранения жидкого топлива» превысят величину 3,6%, следовательно, тепловой насос окажется эффективнее.
Проведем анализ систем отопления на основании эксергоэкономического фактора / (ур.(2.75)) - таблица 24.9. Видно, что система 1 имеет наименьшее значение /, аналогично как и другие низкие показатели эффективности. Системы 2 и 3 мало отличаются друг от друга, эффективность системы 4 можно оценить, примерно, в 3,5 раза выше эффективности систем 2 и 3. Система 5 - теплонасосная - однозначный лидер.
Проведем эксергоэкономический анализ теплового насоса. Ранее эксергоэкономический анализ проводился только для энергетических систем (электростанций и ТЭЦ), и все затраты как в единицах эксергии, так и в денежных единицах определялись, исходя из изменения состояния топлива при прохождении его по элементам. Холодильные машины и тепловые насосы коренным образом отличаются в этой связи от энергетических систем, так как рабочее вещество осуществляет замкнутый цикл, а эксергия поставляется в систему в виде электроэнергии на привод компрессора, тепловой эксергии в испаритель и удаляется в виде тепловой эксергии в процессе конденсации. Для анализа необходимо определить «начало» и «конец» эксергетического цикла в тепловом насосе.
Целью теплового насоса является получение тепла высокого потенциала, следовательно, цена на это тепло должна быть конкурентоспособной ценам на тот же полезный эффект, но произведенный в других системах. Таким образом поток рабочего вещества на выходе из конденсатора может иметь нулевую стоимость эксергии. Нулевая стоимость эксергии присвоена также эксергии солнечного излучения, входящему в солнечный коллектор.
(24.76) |
На основании эксергоэкономической зависимости для расчета изменения стоимости эксергии потока рабочего вещества при прохождении через к-ый элемент системы, при EPftot = const
Z Ч" (J р Е р
Для начала проведем эксергетический анализ теплонасосной системы. Результаты расчетов деструкций эксергии в элементах теплового насоса приведены в таблице 24.10, в элементах теплонасосной системы - в таблице 24.11.
Исходя из тарифов на энергоносители (экономическая модель), определим цену эксергии в каждом компоненте, по которой она передается или удаляется из системы - таблица 24.12.
Таблица 24.10
|
Таблица 24.12
|
Таблица 24.13
|
А ІС^О,1*таст*«= 169625 Евро/год 1(с-0,033 Ьеро/кВтчас) Рис.24.9. Потоковая эксергоэкономическая диаграмма теплонасосной системы (системы 5) по «базовому варианту» |
На основании данных таблиц 24.10-24.12 определяем стоимость деструкции эксергии в элементах теплового насоса - Таблица 24.13. Суммируя все полученные результаты, строим потоковую эксергоэкономическую диаграмму теплонасосной системы - рис. 24.9.