Влияние температуры и влажности атмосферного воздуха на эффективность тепловых насосов
Ключевые слова:
тепловой насос, коэффициент эффективности и производительность теплового насоса
Аннотация
Применение энергосберегающих технологий для теплоснабжения зданий актуально для России, поскольку в большинстве регионов страны продолжительные зимы приводят к существенным затратам на отопление. Интерес к использованию для этих целей воздушных тепловых насосов наблюдается во всем мире. Однако в большинстве регионов температура атмосферного воздуха в отопительный сезон находится в области отрицательных значений, что существенно снижает коэффициент эффективности воздушных тепловых насосов в сравнении с тепловыми насосами, работающими на других источниках низкопотенциальной тепловой энергии. Наиболее простая и экономически выгодная схема тепловых насосов, использующих низкопотенциальное тепло атмосферного воздуха, имеет ограничения в применении, связанные со значительными перепадами температур не только в течение отопительного периода, но и в течение суток.
Рассмотрены факторы, влияющие на эффективность воздушного теплового насоса: температура и относительная влажность атмосферного воздуха, инееобразование на стенках испарителя при работе в диапазоне отрицательных температур. Приведен расчет циклов оттайки испарителя с учетом термовлажностных характеристик атмосферного воздуха. Выбран способ оттайки с помощью нагревательных элементов, расположенных между теплообменных трубок. Исследования проходили в Челябинской области (отопительный сезон 2022 — 2023 гг.) За исследуемый период эффективность теплового насоса изменялась в диапазоне от 3,78 до 2,18. При оценке эффективности работы теплового насоса были учтены затраты энергии на режим оттайки, в результате коэффициент эффективности получился в пределах от 3,6 до 1,57, а сезонный коэффициент эффективности стал ниже на 9,26 %. Данный момент необходимо учитывать при выборе установленной мощности воздушного теплового насоса
Литература
1. Жарков Е.В., Гусева О.А. Анализ эффективности работы теплонасосной установки от вида теплообменника в условиях Южного Урала // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетика: материалы Междунар. науч.-практ. конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти проф. Данилова Н.И. (1945—2015). Екатеринбург: Уральский федеральный ун-т им. первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2018. С. 660—663.
2. Малышев А.А., Киреев В.С. Эксергетический анализ теплового насоса для условий Северо-Запада России // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование». 2017. № 4. С. 22—30. https://doi.org/10.17586/2310-1148-2017-10-4-22-30. EDN: YNZRUL.
3. Malyshev A.A., Malinina O.S., Arendateleva S.I., Zawadzki I.M. Exergetic Analysis of Heat Pump Units for Various Climate Conditions // IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2019. V. 656. P. 012036. https://doi.org/10.1088/1757-899X/656/1/012036. EDN: SIURQV.
4. Белова В.С. Возможность применения воздушных тепловых насосов в г. Владивостоке // Молодежь и научно-технический прогресс: Материалы Регион. науч.-практ. конф. Владивосток: Дальневосточный федеральный ун-т, 2020. С. 291—294. EDN: DRLDYN.
5. Кабанова И.А., Колденкова Т.А. Воздушные тепловые насосы в системе отопления при бивалентном режиме работы // Энергетика, информатика, инновации — 2019: Сб. тр. IX Междунар. науч.-техн. конф. Смоленск: Универсум, 2019. Т. 1. С. 105—109. EDN: LERBYT.
6. Ахмедьянова А.Р. Использование воздушных тепловых насосов в условиях республики Башкортостан // Актуальные проблемы энергообеспечения предприятий: Материалы III Всерос. науч.-практ. конф., посвященной 20-летию образования энергетического факультета Башкирского ГАУ, в рамках Российского энергетического форума и международной выставки «Энергетика Урала», Уфа: Башкирский гос. аграрный ун-т, 2018. С. 71—74. EDN: WOOWER.
7. Алоян Р.М. и др. Возможный диапазон работы воздушного теплового насоса в отопительный период // Известия высших учеб. заведений. Серия «Технология текстильной промышленности». 2017. № 4(370). С. 278—281. EDN: YLHYSE.
8. Волкова О.С., Пташкина-Гирина О.С., Евграфов П.А. Исследование эффективности работы воздушных тепловых насосов на базе компрессоров с впрыском пара в условиях Южного Урала // Экологическая безопасность и устойчивое развитие урбанизированных территорий: Сб. докл. III Междунар. науч.-практ. конф. Нижний Новгород: Нижегородский гос. архитектурно-строительный ун-т, 2023. С. 127—132. EDN: UKHXGO.
9. Шунгаров Э.Х., Протопопов К.В., Гаранов С.А. Характеристики спиральных компрессоров для применения в низкотемпературных воздушных тепловых насосах // Холодильная техника. 2019. № 11. С. 28—32. EDN: FMITEI.
10. Федосов С.В., Федосеев В.Н. Теплообмен и десублимация в испарительной линии воздушного теплового насоса // Приволжский научный журнал. 2022. № 2(62). С. 100—113. EDN: WZNOBZ.
11. Воронов В.А., Емелин В.А., Федосеев В.Н., Зайцева И.А. Климатические условия и факторы, влияющие на производительность воздушного теплового насоса // Теория и практика технических, организационно-технологических и экономических решений: Сб. науч. тр. Иваново: Ивановский гос. политехн. ун-т, 2015. С. 241—251. EDN: VLUOEJ.
12. Cheng C.H., Shiu C.C. Frost Formation and Frost Crystal Growth on a Cold Plate in Atmospheric Air Flow // Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2002. V. 45. Pp. 4289—4303.
13. Huang L. e. a. Experimental Study of Frost Growth on a Horizontal Cold Surface under Forced Convection // J. Mech. Sci. Technol. 2010. V. 24. Pp. 1523—1529. https://doi.org/10.1007/s12206-010-0410-8.
14. Zhongliang L., Yuwan D., Yanxia L. An Experimental Study of Frost Formation on Cryogenic Surfaces under Natural Convection Conditions // Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2016. V. 97. Pp. 569—577.
15. Маринюк Б.Т., Королев И.А. Особенности формирования и динамики роста инея на теплообменных поверхностях криогенного оборудования // Холодильная техника. 2017. № 11. С. 38—41. EDN: YQNPQD
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Zharkov E.V., Guseva O.A. Analiz Effektivnosti Raboty Teplonasosnoy Ustanovki ot Vida Teploobmennika v Usloviyakh Yuzhnogo Urala. Energo- i Resursosberezhenie. Energoobespechenie. Netraditsionnye i Vozobnovlyaemye Istochniki Energii. Atomnaya Energetika: Materialy Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konferentsii Studentov, Aspirantov i Molodykh Uchenykh, Posvyashchennoy Pamyati Prof. Danilova N.I. (1945—2015). Ekaterinburg: Ural'skiy Federal'nyy Un-t im. Pervogo Prezidenta Rossii B.N. El'tsina, 2018:660—663. (in Russian).
2. Malyshev A.A., Kireev V.S. Eksergeticheskiy Analiz Teplovogo Nasosa dlya Usloviy Severo-Zapada Rossii. Nauchnyy Zhurnal NIU ITMO. Seriya «Kholodil'naya Tekhnika i Konditsionirovanie». 2017;4:22—30. https://doi.org/10.17586/2310-1148-2017-10-4-22-30. EDN: YNZRUL. (in Russian).
3. Malyshev A.A., Malinina O.S., Arendateleva S.I., Zawadzki I.M. Exergetic Analysis of Heat Pump Units for Various Climate Conditions. IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2019;656:012036. https://doi.org/10.1088/1757-899X/656/1/012036. EDN: SIURQV.
4. Belova V.S. Vozmozhnost' Primeneniya Vozdushnykh Teplovykh Nasosov v g. Vladivostoke. Molodezh' I Nauchno-tekhnicheskiy Progress: Materialy Region. Nauch.-prakt. Konf. Vladivostok: Dal'nevostochnyy Federal'nyy Un-t, 2020:291—294. EDN: DRLDYN. (in Russian).
5. Kabanova I.A., Koldenkova T.A. Vozdushnye Teplovye Nasosy v Sisteme Otopleniya pri Bivalentnom Rezhime Raboty. Energetika, Informatika, Innovatsii — 2019: Sb. Tr. IX Mezhdunar. Nauch.-tekhn. Konf. Smolensk: Universum, 2019;1:105—109. EDN: LERBYT. (in Russian).
6. Akhmed'yanova A.R. Ispol'zovanie Vozdushnykh Teplovykh Nasosov v Usloviyakh Respubliki Bashkortostan. Aktual'nye Problemy Energoobespecheniya Predpriyatiy: Materialy III Vseros. Nauch.-prakt. Konf., Posvyashchennoy 20-letiyu Obrazovaniya Energeticheskogo Fakul'teta Bashkirskogo GAU, v Ramkakh Rossiyskogo Energeticheskogo Foruma i Mezhdunarodnoy Vystavki «Energetika Urala», Ufa: Bashkirskiy Gos. Agrarnyy Un-t, 2018:71—74. EDN: WOOWER. (in Russian).
7. Aloyan R.M. i dr. Vozmozhnyy Diapazon Raboty Vozdushnogo Teplovogo Nasosa v Otopitel'nyy Period. Izvestiya Vysshikh Ucheb. Zavedeniy. Seriya «Tekhnologiya Tekstil'noy Promyshlennosti». 2017;4(370):278—281. EDN: YLHYSE. (in Russian).
8. Volkova O.S., Ptashkina-Girina O.S., Evgrafov P.A. Issledovanie Effektivnosti Raboty Vozdushnykh Teplovykh Nasosov na Baze Kompressorov s Vpryskom Para v Usloviyakh Yuzhnogo Urala. Ekologicheskaya Bezopasnost' i Ustoychivoe Razvitie Urbanizirovannykh Territoriy: Sb. Dokl. III Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konf. Nizhniy Novgorod: Nizhegorodskiy Gos. Arkhitekturno-stroitel'nyy Un-t, 2023:127—132. EDN: UKHXGO. (in Russian).
9. Shungarov E.Kh., Protopopov K.V., Garanov S.A. Kharakteristiki Spiral'nykh Kompressorov dlya Primeneniya v Nizkotemperaturnykh Vozdushnykh Teplovykh Nasosakh. Kholodil'naya Tekhnika. 2019;11:28—32. EDN: FMITEI. (in Russian).
10. Fedosov S.V., Fedoseev V.N. Teploobmen i Desublimatsiya v Isparitel'noy Linii Vozdushnogo Teplovogo Nasosa. Privolzhskiy Nauchnyy Zhurnal. 2022;2(62):100—113. EDN: WZNOBZ. (in Russian).
11. Voronov V.A., Emelin V.A., Fedoseev V.N., Zaytseva I.A. Klimaticheskie Usloviya i Faktory, Vliyayushchie na Proizvoditel'nost' Vozdushnogo Teplovogo Nasosa. Teoriya i Praktika Tekhnicheskikh, Organizatsionno-tekhnologicheskikh i Ekonomicheskikh Resheniy: Sb. Nauch. Tr. Ivanovo: Ivanovskiy Gos. Politekhn. Un-t, 2015:241—251. EDN: VLUOEJ. (in Russian).
12. Cheng C.H., Shiu C.C. Frost Formation and Frost Crystal Growth on a Cold Plate in Atmospheric Air Flow. Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2002;45:4289—4303.
13. Huang L. e. a. Experimental Study of Frost Growth on a Horizontal Cold Surface under Forced Convection. J. Mech. Sci. Technol. 2010;24:1523—1529. https://doi.org/10.1007/s12206-010-0410-8.
14. Zhongliang L., Yuwan D., Yanxia L. An Experimental Study of Frost Formation on Cryogenic Surfaces under Natural Convection Conditions. Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2016;97:569—577.
15. Marinyuk B.T., Korolev I.A. Osobennosti Formirovaniya i Dinamiki Rosta Ineya na Teploobmennykh Poverkhnostyakh Kriogennogo Oborudovaniya. Kholodil'naya Tekhnika. 2017;11:38—41. EDN: YQNPQD. (in Russian)
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
2. Малышев А.А., Киреев В.С. Эксергетический анализ теплового насоса для условий Северо-Запада России // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование». 2017. № 4. С. 22—30. https://doi.org/10.17586/2310-1148-2017-10-4-22-30. EDN: YNZRUL.
3. Malyshev A.A., Malinina O.S., Arendateleva S.I., Zawadzki I.M. Exergetic Analysis of Heat Pump Units for Various Climate Conditions // IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2019. V. 656. P. 012036. https://doi.org/10.1088/1757-899X/656/1/012036. EDN: SIURQV.
4. Белова В.С. Возможность применения воздушных тепловых насосов в г. Владивостоке // Молодежь и научно-технический прогресс: Материалы Регион. науч.-практ. конф. Владивосток: Дальневосточный федеральный ун-т, 2020. С. 291—294. EDN: DRLDYN.
5. Кабанова И.А., Колденкова Т.А. Воздушные тепловые насосы в системе отопления при бивалентном режиме работы // Энергетика, информатика, инновации — 2019: Сб. тр. IX Междунар. науч.-техн. конф. Смоленск: Универсум, 2019. Т. 1. С. 105—109. EDN: LERBYT.
6. Ахмедьянова А.Р. Использование воздушных тепловых насосов в условиях республики Башкортостан // Актуальные проблемы энергообеспечения предприятий: Материалы III Всерос. науч.-практ. конф., посвященной 20-летию образования энергетического факультета Башкирского ГАУ, в рамках Российского энергетического форума и международной выставки «Энергетика Урала», Уфа: Башкирский гос. аграрный ун-т, 2018. С. 71—74. EDN: WOOWER.
7. Алоян Р.М. и др. Возможный диапазон работы воздушного теплового насоса в отопительный период // Известия высших учеб. заведений. Серия «Технология текстильной промышленности». 2017. № 4(370). С. 278—281. EDN: YLHYSE.
8. Волкова О.С., Пташкина-Гирина О.С., Евграфов П.А. Исследование эффективности работы воздушных тепловых насосов на базе компрессоров с впрыском пара в условиях Южного Урала // Экологическая безопасность и устойчивое развитие урбанизированных территорий: Сб. докл. III Междунар. науч.-практ. конф. Нижний Новгород: Нижегородский гос. архитектурно-строительный ун-т, 2023. С. 127—132. EDN: UKHXGO.
9. Шунгаров Э.Х., Протопопов К.В., Гаранов С.А. Характеристики спиральных компрессоров для применения в низкотемпературных воздушных тепловых насосах // Холодильная техника. 2019. № 11. С. 28—32. EDN: FMITEI.
10. Федосов С.В., Федосеев В.Н. Теплообмен и десублимация в испарительной линии воздушного теплового насоса // Приволжский научный журнал. 2022. № 2(62). С. 100—113. EDN: WZNOBZ.
11. Воронов В.А., Емелин В.А., Федосеев В.Н., Зайцева И.А. Климатические условия и факторы, влияющие на производительность воздушного теплового насоса // Теория и практика технических, организационно-технологических и экономических решений: Сб. науч. тр. Иваново: Ивановский гос. политехн. ун-т, 2015. С. 241—251. EDN: VLUOEJ.
12. Cheng C.H., Shiu C.C. Frost Formation and Frost Crystal Growth on a Cold Plate in Atmospheric Air Flow // Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2002. V. 45. Pp. 4289—4303.
13. Huang L. e. a. Experimental Study of Frost Growth on a Horizontal Cold Surface under Forced Convection // J. Mech. Sci. Technol. 2010. V. 24. Pp. 1523—1529. https://doi.org/10.1007/s12206-010-0410-8.
14. Zhongliang L., Yuwan D., Yanxia L. An Experimental Study of Frost Formation on Cryogenic Surfaces under Natural Convection Conditions // Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2016. V. 97. Pp. 569—577.
15. Маринюк Б.Т., Королев И.А. Особенности формирования и динамики роста инея на теплообменных поверхностях криогенного оборудования // Холодильная техника. 2017. № 11. С. 38—41. EDN: YQNPQD
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Zharkov E.V., Guseva O.A. Analiz Effektivnosti Raboty Teplonasosnoy Ustanovki ot Vida Teploobmennika v Usloviyakh Yuzhnogo Urala. Energo- i Resursosberezhenie. Energoobespechenie. Netraditsionnye i Vozobnovlyaemye Istochniki Energii. Atomnaya Energetika: Materialy Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konferentsii Studentov, Aspirantov i Molodykh Uchenykh, Posvyashchennoy Pamyati Prof. Danilova N.I. (1945—2015). Ekaterinburg: Ural'skiy Federal'nyy Un-t im. Pervogo Prezidenta Rossii B.N. El'tsina, 2018:660—663. (in Russian).
2. Malyshev A.A., Kireev V.S. Eksergeticheskiy Analiz Teplovogo Nasosa dlya Usloviy Severo-Zapada Rossii. Nauchnyy Zhurnal NIU ITMO. Seriya «Kholodil'naya Tekhnika i Konditsionirovanie». 2017;4:22—30. https://doi.org/10.17586/2310-1148-2017-10-4-22-30. EDN: YNZRUL. (in Russian).
3. Malyshev A.A., Malinina O.S., Arendateleva S.I., Zawadzki I.M. Exergetic Analysis of Heat Pump Units for Various Climate Conditions. IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2019;656:012036. https://doi.org/10.1088/1757-899X/656/1/012036. EDN: SIURQV.
4. Belova V.S. Vozmozhnost' Primeneniya Vozdushnykh Teplovykh Nasosov v g. Vladivostoke. Molodezh' I Nauchno-tekhnicheskiy Progress: Materialy Region. Nauch.-prakt. Konf. Vladivostok: Dal'nevostochnyy Federal'nyy Un-t, 2020:291—294. EDN: DRLDYN. (in Russian).
5. Kabanova I.A., Koldenkova T.A. Vozdushnye Teplovye Nasosy v Sisteme Otopleniya pri Bivalentnom Rezhime Raboty. Energetika, Informatika, Innovatsii — 2019: Sb. Tr. IX Mezhdunar. Nauch.-tekhn. Konf. Smolensk: Universum, 2019;1:105—109. EDN: LERBYT. (in Russian).
6. Akhmed'yanova A.R. Ispol'zovanie Vozdushnykh Teplovykh Nasosov v Usloviyakh Respubliki Bashkortostan. Aktual'nye Problemy Energoobespecheniya Predpriyatiy: Materialy III Vseros. Nauch.-prakt. Konf., Posvyashchennoy 20-letiyu Obrazovaniya Energeticheskogo Fakul'teta Bashkirskogo GAU, v Ramkakh Rossiyskogo Energeticheskogo Foruma i Mezhdunarodnoy Vystavki «Energetika Urala», Ufa: Bashkirskiy Gos. Agrarnyy Un-t, 2018:71—74. EDN: WOOWER. (in Russian).
7. Aloyan R.M. i dr. Vozmozhnyy Diapazon Raboty Vozdushnogo Teplovogo Nasosa v Otopitel'nyy Period. Izvestiya Vysshikh Ucheb. Zavedeniy. Seriya «Tekhnologiya Tekstil'noy Promyshlennosti». 2017;4(370):278—281. EDN: YLHYSE. (in Russian).
8. Volkova O.S., Ptashkina-Girina O.S., Evgrafov P.A. Issledovanie Effektivnosti Raboty Vozdushnykh Teplovykh Nasosov na Baze Kompressorov s Vpryskom Para v Usloviyakh Yuzhnogo Urala. Ekologicheskaya Bezopasnost' i Ustoychivoe Razvitie Urbanizirovannykh Territoriy: Sb. Dokl. III Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konf. Nizhniy Novgorod: Nizhegorodskiy Gos. Arkhitekturno-stroitel'nyy Un-t, 2023:127—132. EDN: UKHXGO. (in Russian).
9. Shungarov E.Kh., Protopopov K.V., Garanov S.A. Kharakteristiki Spiral'nykh Kompressorov dlya Primeneniya v Nizkotemperaturnykh Vozdushnykh Teplovykh Nasosakh. Kholodil'naya Tekhnika. 2019;11:28—32. EDN: FMITEI. (in Russian).
10. Fedosov S.V., Fedoseev V.N. Teploobmen i Desublimatsiya v Isparitel'noy Linii Vozdushnogo Teplovogo Nasosa. Privolzhskiy Nauchnyy Zhurnal. 2022;2(62):100—113. EDN: WZNOBZ. (in Russian).
11. Voronov V.A., Emelin V.A., Fedoseev V.N., Zaytseva I.A. Klimaticheskie Usloviya i Faktory, Vliyayushchie na Proizvoditel'nost' Vozdushnogo Teplovogo Nasosa. Teoriya i Praktika Tekhnicheskikh, Organizatsionno-tekhnologicheskikh i Ekonomicheskikh Resheniy: Sb. Nauch. Tr. Ivanovo: Ivanovskiy Gos. Politekhn. Un-t, 2015:241—251. EDN: VLUOEJ. (in Russian).
12. Cheng C.H., Shiu C.C. Frost Formation and Frost Crystal Growth on a Cold Plate in Atmospheric Air Flow. Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2002;45:4289—4303.
13. Huang L. e. a. Experimental Study of Frost Growth on a Horizontal Cold Surface under Forced Convection. J. Mech. Sci. Technol. 2010;24:1523—1529. https://doi.org/10.1007/s12206-010-0410-8.
14. Zhongliang L., Yuwan D., Yanxia L. An Experimental Study of Frost Formation on Cryogenic Surfaces under Natural Convection Conditions. Intern. J. Heat and Mass Transfer. 2016;97:569—577.
15. Marinyuk B.T., Korolev I.A. Osobennosti Formirovaniya i Dinamiki Rosta Ineya na Teploobmennykh Poverkhnostyakh Kriogennogo Oborudovaniya. Kholodil'naya Tekhnika. 2017;11:38—41. EDN: YQNPQD. (in Russian)
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
Опубликован
2024-02-20
Выпуск
Раздел
Энергетические системы и комплексы (технические науки) (2.4.5)
