СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОИ ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ

РАСЧБТ СОЛНЕЧНЫХ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК НА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ

В последние годы расчеты солнечных теплонасосных установок (СТНУ) привлекают все большее внимание отечественных и зарубеж­ных исследователей. Однако опубликованные результаты базируются либо на излишне упрощенном теоретическом описании коэффициента преобразования теплового насоса, либо выполняются только в расчет­ном режиме. В связи с этим для оценки ряда эксплуатационных пара­метров СТНУ, необходимых для их проектирования, в КиевЗНИИЭП
использована описанная выше методика подобных исследований, выполненных ранее для двухконтурных гелиосистем горячего водо­снабжения с принудительной циркуляцией теплоносителя. Детальная математическая модель теплового насоса достаточно сложна, поэтому для расчетов использована модель, базирующаяся на представлении объемной холо до производительности ду и холодильного коэффициента е в зависимости от температур испарения ги и конденсации гк [5]. В [6] приведены соответствующие графики для компрессоров типа П1Ю, работающих на хладагентах R 12, R 142 и R 1231 при рабочем объеме компрессора V = 0,083 м3. По этим графикам, используя методы плани­рования эксперимента, построены эмпирические зависимости второго порядка для работы на хладагенте R 12, которые после оценки значи­мости коэффициентов регрессии принимают следующий вид:

Г = 4,290 + 0,845Г - 0,828Г„ - 0.270Г Г ;

И „ к и к (6.64)

Q = <j. V= 187,5 + 9,66Г2 + 69,38ТИ - 26,45ГК - 8,66ГИГК,

Где У — коэффициент преобразования; Q — теппопроизводительность теплового насоса, Вт-ч.

Выражения (6.64) позволяют составить систему уравнений, описы­вающих работу схемы, приведенной на рис. 6.12, а, и решить ее как функцию внешних условий. При этом предполагается отбор горячей воды в режиме с постоянной температурой тгв, регулируемой расходом.

Этими уравнениями являются:

(6.65)

(6.66)

TB-TBx~AtB' (6-67)

Qnon = Qr У/( У -1); (6.68)

"в = ОпоЛв-Гх. в). (6-69)

Где WT — расход теплоносителя (водяной эквивалент); Q? — количество теплоты, получа­емой из коллекторов; Гн — температура испарения хладагента, которая ниже Гвх на A fH = 5 °С; Опоп — теппопроизводительность СТНУ; У — коэффициент преобразования; WB — количество воды (водяной эквивалент), подогреваемой в СТНУ до температуры Тгв.

Рис. 6.12. Принципиальная схема (в) и графики (б) зависимости коэффициента преобразования у» и выработки теплоты Отд для СТНУ от площади коллекторов А и теагпературы конденсации Тк

1 — коллекторы; 2 — насос; 3 — испаритель; 4 — Конденсаторы; 5 — регулятор температуры; 6 — бак - аккумулятор

Решая совместно эти уравнения, можно найти аналитическое выра­жение для ги при тк = const, по которому определяется гвх и далее гвых,

ГИ = { - 49,S6)±[(Wt - 49,56)2 - 0,386(iVtrBbIX-lVt4 Т„-6423)1'2} /0,19. (6.70)

При использовании этих выражений как основы алгоритма была составлена программа для нахождения среднегодовых эксплуатацион­ных показателей С ТН У горячего водоснабжения, которые (для клима­тических условий Ялты) приведены на рис. 6.12, б.

Их результаты показывают, что среднегодовой коэффициент преоб­разования F имеет обратную зависимость от величин гк и лежит в пределах 3 ... 4.5, что является достаточно высоким значением, и даже с точки зрения использования топлива вполне оправдывает примене­ние электроэнергии для теплоснабжения. Среднемесячные значения для всех вариантов отличаются от среднегодовых не более чем на 10... Lh%.

КПД солнечного теплоприемного контура мало связан с величиной гк. и гораздо меньше, чем для обычных двухконтурных систем, зависит

От удельной площади коллекторов, изменяясь в интервале 0,52 ... 0,48, что на 15 ... 25 % выше КПД двухконтурных УСГВ без ТНУ (см. табл. 6.4). ч

Теппопроизводительность СТНУ в рассматриваемом интервале значений А возрастает с ростом гк, а ее усредненные удельные значе­ния находятся в интервале 3,05 ... 4,15 ГДжДм2»год) [6,5 ... ... 12 МДж/(м2-дн.)]. Эти же показатели, вычисленные для климатичес­ких условий городов Одесса и Киев, дали близкие результаты.

Это позволяет перейти к технико-экономической оценке и выявле­нию областей оптимального применения СТНУ, для чего необходимо определить стоимость вырабатываемой теплоты из выражения

Ст = [(Ен + и)(к^ + р) + сэ]/дП0Л,

Где Ен — нормативный коэффициент окупаемости капитальных вложений в год (принят 0,1); И — норма эксплуатационных издержек как доля капитальных вложений; Kf — удельная стоимость солнечного теплоприемного контура, р/м2; F — площадь солнечных коллекторов, м2; Р — стоимость теплового насоса; руб.;Сэ — стоимость расходуемой для ТНУ электроэнергии, руб.; Qnon — вырабатываемая теплота.

Эффективность устройства СТНУ следует проверить по трем возмож­ным базовым вариантам теплоснабжения: от котельной, от УСГВ без ТНУ и от ТНУ без УСГВ..

Использование графиков на рис. 6.13 позволяет определить условия, при которых теплоснабжение от СТНУ эффективней, чем от котельной.

Из приведенных зависимостей следует, что устройство СТНУ при К, = 50 руб/м2 эффективней прямого электроснабжения при Сэ = = 5,6 руб/ГДж [2 коп. ДкВт - ч)], а при Kj. = 75 руб/м2 эффективней, когда Сэ = 9 руб/ГДж [3 к0п/(кВт - ч)].

Если базовый вариант - ТНУ, устройство УСГВ даст повышение

622-12
температуры испарения и улучшение за счет этого термодинамических показателей цикла. Расчеты показывают, что в этом случае зависимос­ти имеют тот же характер, а Ст несколько ниже (в среднем на 1 руб/ГДж).

Для сравнения СТНУ с УСГВ той же производительности определено пороговое значение некоторого комплекса параметров, начиная с которого СТНУ становится экономически целесообразным:

/= (Ен + HHV1 + Р)/ОпадГСэ Ь 0,215. (6.72)

При рассматриваемом значении входящих величин это означает, что Сэ > 3 руб/ГДж.

Таким образом, показано, что использование СТНУ может быть эффективно в любом из трех возможных случаев: при замене традици­онного источника теплоснабжения; устройстве солнечного теплоприем - ного контура в теплонасосной системе теплоснабжения, установке теплового насоса в системе теплоснабжения.

Если стоимость электроэнергии Сэ > 2,5 коп/(кВт - ч) все три вариан­та эффективны при Кг = 75 руб/м2; если Сэ < 1,5 копДкВт - ч), то эффект

Получают при Кг = 50 руб/м2.