Analyzing the Application of Heat Pump Units in Heat Supply Systems
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2018-2-42-52Keywords:
low-grade heat source, coefficient of performance, heat pump unit, heat supply system, energy efficiencyAbstract
The article discusses matters concerned with the use of heat pump units (HPUs) in systems for reclaiming the secondary energy resources of industrial low-temperature thermal technological processes and in heat supply systems of buildings. Data on the sales of HPUs in different European countries are given, from which it can be seen that there is a significant lag in the use of HPUs for heat supply systems in the Russian Federation. Different HPUs are classified by cycles and by low-grade heat sources. The basic circuit diagram of an HPU applied in the system involving the use of waste water low-grade heat is presented. As an example, a heat pipe can be used instead of an electrically driven pump for transporting intermediate heat carrier from the source of low-grade heat (LGHS) to the HPU evaporator. The graph of heat fluxes (constructed in consistency with the heat carrier temperatures) in transferring heat from the LGHS to the consumer and the heat balance for an element of the system containing an HPU are given. Methods for determining the energy efficiency from applying an HPU are analyzed through the use of the heat transformation (conversion) coefficient and the exergetic efficiency, which takes into account not only the amount of produced heat, but also its quality in terms of temperature level. It is shown that, if additional energy is spent for transporting heat from the low-grade heat source to the HPU evaporator, these energy expenditures must be taken into account in determining the energy efficiency of the system containing an HPU. In case of using electric and other types of energy, it is advisable to use such indicators as the cost of energy carriers and the expenditures of equivalent fuel for producing these kinds of energy in determining the system’s energy efficiency. It is shown that in case of using fossil fuel to produce electricity and heat for the operation of the HPU’s electrically driven compressor, the heat conversion coefficient in the HPU should be well above 2.32. The results of implemented projects in which the performance of HPU-based heat supply systems was investigated are given. An analysis of the obtained results shows that a number of implemented projects feature low energy efficiency, a circumstance that does not allow the cost of their construction to be compensated. It is shown that the energy conversion coefficient depends on the required temperature for a consumer, on the cold source temperature, on the working fluid thermodynamic properties and the HPU thermodynamic cycle features, on the HPU design technical perfection, on the type of energy expenditures for driving the compressor, and on the method for transporting heat from the low-grade source. For securing high efficiency of HPU-based heat supply systems (HSS), it is necessary to have a low-grade heat source with the highest temperature and a heat consumer with the lowest temperature of the used heat carrier. The availability of convenient low-grade heat sources that would (i) have a sufficiently high temperature both in winter and in summer, (ii) not require high expenditures for transferring them and (iii) not cause corrosion of heat exchangers and pipes is one of the most important conditions for using an HPU for heat supply purposes. Matters concerned with the use of HPU-based HSS under specific conditions require a thorough preliminary feasibility study. The heat transformation (conversion) coefficient in an HPU is by no means a universal factor that can be used as the determining one in assessing the energy efficiency of using an HPU-based HSS. It must also be borne in mind that the cheapest available type of energy should be used for driving the HPU compressor and for transporting low-grade heat from the source to the HPU evaporator. In a number of cases, the most efficient way of driving the HPU compressor consists in using the energy of excess pressure available in energy carriers (gas, steam, water, etc.) or the mechanical energy of internal combustion engines, gas turbine plants and similar devices. When using electrically driven HPUs, it is recommended to adjust the ratio of tariffs for electricity and heat in order to reduce the ratio of electricity prices to the price of heat.
References
2. Гашо Е.Г. и др. Тепловые насосы в современной промышленности и коммунальной инфраструктуре. М.: Изд-во «Перо», 2017.
3. Распоряжение Правительства РФ № 1715-р. От 13.10.2009 г. «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года».
4. Постановление Правительства Российской Федерации № 600 от 17.06.2015 г. «Об утверждении перечня объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности».
5. Рудицер М.И., Шелгинский А.Я. Разработка систем теплохладоснабжения на основе комплексного использования теплонасосных установок и тепловых труб // Надежность и безопасность энергетики. 2013. № 2 (21). С. 34—36.
6. Бродянский В.М. и др. Эксергетический метод и его приложения. М.: Энергоатомиздат, 1986.
7. Мартыновский В.С. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов. М.: Энергия, 1979.
8. Васильев Г.П. Энергоэффективный экспериментальный жилой дом в микрорайоне Никулино-2 // АВОК: вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2002. № 4. С. 10—18.
9. Васильев Г.П., Крундышев Н.С. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области // АВОК: вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2002. № 5. С. 22—26.
10. Васильев Г.П., Абуев И.М., Горнов В.Ф. Автоматизированная теплонасосная установка, утилизирующая тепло сточных вод г. Зеленограда // АВОК: вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2004. № 5. С. 50—52.
11. Гершкович В.Ф. Исследование работы теплового насоса // Энергосбережение. 2007. № 5. С. 32—41.
12. Мягков С.А., Шелгинский А.Я. Расчет активной системы солнечного теплоснабжения с использованием солнечной теплонасосной установки // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. XVI Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. C. 481— 482.
13. Фролов В.П. и др. Анализ эффективности использования тепловых насосов в централизованных системах горячего водоснабжения // Энергосбережение. 2004. № 2. С. 50—53.
14. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли. М.: Граница, 2006.
15. Васильев Г.П. и др. Приточно-вытяжная вентиляционная установка с теплонасосной рекуперацией тепла вентиляционных выбросов // Энергобезопасность и энергосбережение. 2012. № 6. С. 14—21.
16. Кокорин О.Я., Товарс Н.В. Круглогодичное обеспечение жилых и общественных зданий теплом и холодом с помощью холодильных машин. Ч. 1 // Холодильная техника. 2010. № 6. С. 45—48.
17. Кокорин О.Я., Товарс Н.В. Круглогодичное обеспечение жилых и общественных зданий теплом и холодом с помощью холодильных машин Ч. 2 // Холодильная техника. 2010. № 7. С. 34—37.
18. Кокорин О.Я., Товарс Н.В. Экономические преимущества применения холодильных машин для выработки тепла и холода в жилых зданиях // Холодильная техника. 2010. № 8. С. 39—42.
19. Кокорин О.Я. Современные системы кондиционирования воздуха. М.: Изд-во физ.-мат. лит-ры, 2003.
20. Яковлев И.В., Гаряев А.Б., Парехина И.В., Самойленко В.Ю. Сопоставление теоретической и реальной эффективности теплонасосной установки в системе горячего водоснабжения // Промышленная энергетика. 2015. № 5. С. 45—50.
21. Peng Sun, Jing Yi Wu, Ru Zhu Wang, Yu Xiong Xu. Analysis of Indoor Environmental Conditions and Heat Pump Energy Supply Systems in Indoor Swimming Pools // Energy and Buildings. 2011. No. 43. Pp. 1071—1080.
22. Johansson L., Westerlund L. Energy Savings in Indoor Swimming Pools: Comparison Between Different Heat Recovery Systems // Appl. Energy. 2001. No. 70. Pp. 281—303.
23. Chung-Kuan Kung, Wen-Shing Lee. Optimization of Heat Pump System in Indoor Swimming Pool Using Particle Swarn Algorithm // Appl. Thermal Energy. 2008. No. 8. Pp. 1647—1653.
24. Chua K.J., Chou S.K., Yang W.M. Advances in Heat Pump Systems: a Review // Appl. Energy. 2010. No. 87. Pp. 3611—3624.
---
Для цитирования: Шелгинский А.Я., Яковлев И.В. Анализ применения теплонасосных установок в системах теплоснабжения // Вестник МЭИ. 2018. № 2. С. 42—52. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-2-42-52.
#
1. Haynrih G. i dr. Teplonasosnye Ustanovki dlya Otopleniya i Goryachego Vodosnabzheniya. M.: Stroyizdat, 1985. (in Russian).
2. Gasho E.G. i dr. Teplovye Nasosy v Sovremennoy Promyshlennosti i Kommunal'noy Infrastrukture. M.: Izd- vo «Pero», 2017. (in Russian).
3. Rasporyazhenie Pravitel'stva RF № 1715-r. ot 13.10.2009 g. «Energeticheskaya Strategiya Rossii na Period do 2030 Goda». (in Russian).
4. Postanovlenie Pravitel'stva Rossiyskoy Federatsii № 600 ot 17.06.2015 g. «Ob Utverzhdenii Perechnya Ob'ektov i Tekhnologiy, Kotorye Otnosyatsya k Ob'ektam i Tekhnologiyam Vysokoy Energeticheskoy Effektivnosti». (in Russian).
5. Ruditser M.I., Shelginskiy A.Ya. Razrabotka Sistem Teplohladosnabzheniya na Osnove Kompleksnogo Ispol'zovaniya Teplonasosnyh Ustanovok i Teplovyh Trub. Nadezhnost' I Bezopasnost' Energetiki. 2013;2 (21):34—36. (in Russian).
6. Brodyanskiy V.M. i dr. Eksergeticheskiy Metod i Ego Prilozheniya. M.: Energoatomizdat, 1986. (in Russian).
7. Martynovskiy V.S. Tsikly, Skhemy i Harakteristiki Termotransformatorov. M.: Energiya, 1979. (in Russian).
8. Vasil'ev G.P. Energoeffektivnyy Eksperimental'nyy Zhiloy Dom v Mikrorayone Nikulino-2. AVOK: Ventilyatsiya, Otoplenie, Konditsionirovanie Vozduha, Teplosnabzhenie i Stroitel'naya Teplofizika. 2002;4:10—18. (in Russian).
9. Vasil'ev G.P., Krundyshev N.S. Energoeffektivnaya Sel'skaya Shkola v Yaroslavskoy Oblasti. AVOK: Ven- tilyatsiya, Otoplenie, Konditsionirovanie Vozduha, Teplosnabzhenie i Stroitel'naya Teplofizika. 2002;5:22—26. (in Russian).
10. Vasil'ev G.P., Abuev I.M., Gornov V.F. Avtomati- zirovannaya Teplonasosnaya Ustanovka, Utiliziruyu- shchaya Teplo Stochnyh Vod g. Zelenograda. AVOK: Ventilyatsiya, Otoplenie, Konditsionirovanie Vozduha, Teplosnabzhenie i Stroitel'naya Teplofizika. 2004;5:50—52. (in Russian).
11. Gershkovich V.F. Issledovanie Raboty Teplovogo Nasosa. Energosberezhenie. 2007;5:32—41. (in Russian).
12. Myagkov S.A., Shelginskiy A.Ya. Raschet Aktivnoy Sistemy Solnechnogo Teplosnabzheniya s Ispol'zovaniem Solnechnoy Teplonasosnoy Ustanovki. Radioelektronika, Elektrotekhnika i Energetika: Tez. Dokl. XVI Mezhdunar. Nauch.-tekhn. Konf. Studentov i Aspirantov. T. 2. M.: Izdatel'skiy Dom MPEI, 2010: 481— 482. (in Russian).
13. Frolov V.P. i dr. Analiz Effektivnosti Ispol'zovaniya Teplovyh Nasosov v Tsentralizovannyh Sistemah Gorya- chego Vodosnabzheniya. Energosberezhenie. 2004;2:50—53. (in Russian).
14. Vasil'ev G.P. Teplohladosnabzhenie Zdaniy i sooruzheniy s Ispol'zovaniem Nizkopotentsial'noy Tep- lovoy Energii Poverhnostnyh Sloev Zemli. M.: Granitsa, 2006. (in Russian).
15. Vasil'ev G.P. i dr. Pritochno-vytyazhnaya Ventilyatsionnaya Ustanovka s Teplonasosnoy Rekuperatsiey Tepla Ventilyatsionnyh Vybrosov. Energobezopasnost' i Energosberezhenie. 2012;6:14—21. (in Russian).
16. Kokorin O.Ya., Tovars N.V. Kruglogodichnoe Obespechenie Zhilyh i Obshchestvennyh Zdaniy Teplom i Holodom s Pomoshch'yu Holodil'nyh Mashin. Ch. 1. Holodil'naya Tekhnika. 2010;6:45—48. (in Russian).
17. Kokorin O.Ya., Tovars N.V. Kruglogodichnoe Obespechenie Zhilyh i Obshchestvennyh Zdaniy Teplom i Holodom s Pomoshch'yu Holodil'nyh Mashin Ch. 2. Holodil'naya Tekhnika. 2010;7:34—37. (in Russian).
18. Kokorin O.Ya., Tovars N.V. Ekonomicheskie Preimushchestva Primeneniya Holodil'nyh Mashin Dlya Vyrabotki Tepla i Holoda v Zhilyh Zdaniyah. Holodil'naya Tekhnika. 2010;8:39—42. (in Russian).
19. Kokorin O.Ya. Sovremennye Sistemy Konditsionirovaniya Vozduha. M.: Izd-vo Fiz.-mat. Lit-ry, 2003. (in Russian).
20. Yakovlev I.V., Garyaev A.B., Parekhina I.V., Samoylenko V.Yu. Sopostavlenie Teoreticheskoy i Real'noy Effektivnosti Teplonasosnoy Ustanovki v Sisteme Goryachego Vodosnabzheniya. Promyshlennaya Energetika. 2015;5:45—50. (in Russian).
21. Peng Sun, Jing Yi Wu, Ru Zhu Wang, Yu Xiong Xu. Analysis of Indoor Environmental Conditions and Heat Pump Energy Supply Systems in Indoor Swimming Pools. Energy and Buildings. 2011;43:1071—1080.
22. Johansson L., Westerlund L. Energy Savings in Indoor Swimming Pools: Comparison Between Different Heat Recovery Systems. Appl. Energy. 2001;70:281—303.
23. Chung-Kuan Kung, Wen-Shing Lee. Optimi- zation of Heat Pump System in Indoor Swimming Pool Using Particle Swarn Algorithm. Appl. Thermal Energy. 2008;8:1647—1653.
24. Chua K.J., Chou S.K., Yang W.M. Advances in Heat Pump Systems: a Review. Appl. Energy. 2010;87:3611—3624.
---
For citation: Shelginsky A.Ya., Yakovlev I.V. Analyzing the Application of Heat Pump Units in Heat Supply Systems. MPEI Vestnik. 2018;2:42—52. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-2-42-52.
