Обоснование параметров и технических Обоснование параметров и технических решений системы автономного решений системы автономного

теплоснабжения индивидуального теплоснабжения индивидуального жилого дома на основе жилого дома на основе

комбинированного использования ВИЭкомбинированного использования ВИЭ

В.В. Чемеков, аспирантВсероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

Для южных регионов России одним из важнейших Для южных регионов России одним из важнейших направлений является развитие курортного комплекса, направлений является развитие курортного комплекса, поэтому здесь использование экологически чистых поэтому здесь использование экологически чистых возобновляемых источников энергии (ВИЭ) становится возобновляемых источников энергии (ВИЭ) становится особенно актуальнымособенно актуальным

Для энергообеспечения Черноморского побережья Для энергообеспечения Черноморского побережья Краснодарского края рассматривается возможность Краснодарского края рассматривается возможность эффективного использования в качестве оборудования эффективного использования в качестве оборудования возобновляемой энергетики:возобновляемой энергетики:

• Солнечных плоских и вакуумированных трубчатых коллекторов• Ветроэнергетических установок• Теплонасосных установок, использующих низкопотенциальную

тепловую энергию грунта, воды и воздуха

КонцепцияКонцепция

Климатические характеристики и Климатические характеристики и потенциал возобновляемых потенциал возобновляемых

энергоресурсовэнергоресурсов

Экспериментальные измерения, метеостанция Экспериментальные измерения, метеостанция DAVIS InstrumentsDAVIS Instruments ((январь - декабрь 2008 г.январь - декабрь 2008 г.))

температура наружного воздуха

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

скорость ветра, м/с

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

приход солнечной радиации, Вт·ч/м²

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

0

100

200

300

400

по

каза

тел

ь п

отр

ебл

ени

я к

он

ечн

ой

эн

ерги

и,

кВт·

ч/м

²·го

д

старые здания здания после 1980года

дом с низкимэнергопотреблением

пассивный дом

отопление горячая вода электроэнергия на бытовые нужды

Сравнение показателей Сравнение показателей потребления конечной энергиипотребления конечной энергии

ИсточникИсточник: WSchVO, SBN 1980, EnEV : WSchVO, SBN 1980, EnEV 20022002

индивидуальный жилой дом г.Туапсе

• Общая площадь 295 м295 м²²

• Расчетное теплопотребление на отопление 8,27 кВт8,27 кВт

• Горячее водоснабжение от электронагревателя мощностью 1,5 кВт1,5 кВт

• Система отопления радиаторная от твердотопливного котла

индивидуальный жилой дом г.Туапсе

• Общая площадь 295 м295 м²²

• Расчетное теплопотребление на отопление 8,27 кВт8,27 кВт

• Горячее водоснабжение от электронагревателя мощностью 1,5 кВт1,5 кВт

• Система отопления радиаторная от твердотопливного котла

Объект исследованияОбъект исследования

Модель VITOCAL 300 AW106 AW108 AW110

Теплопроизводительность, кВт(для рабочей точки A2/W35)

5,4 7,2 9,3

Холодопроизводительность, кВт 3,7 4,95 6,5

Электрическая мощность, кВт 1,7 2,25 2,8

Коэффициент преобразования 3,18 3,18 3,31

Минимальная температура воздуха, ˚С -15 -15 -15

Производительность по воздуху, м3/ч 3500 3500 3500

Максимальная температура теплоносителя, ˚С (А-15)(А-5)

4555

4555

4555

Минимальный расход теплоносителя, л/ч 550 700 950

Хладагент R407C

ОборудованиеОборудование

ИсточникИсточник: : VITOCAL 300 Luft/Wasser Wärmepumpe 5,4 bis 14,6 kW. Technische Änderungen vorbehalten. VITOCAL 300 Luft/Wasser Wärmepumpe 5,4 bis 14,6 kW. Technische Änderungen vorbehalten. 2/2002. 2/2002. Viessmann Werke GmbH&CoViessmann Werke GmbH&Co

Сводная диаграмма с рабочими характеристиками Сводная диаграмма с рабочими характеристиками тепловых насосов тепловых насосов AWAW106, 106, AWAW108, 108, AWAW110 при температуре 110 при температуре

теплоносителя +35˚С, +45˚С, +55˚С и нагрузочная теплоносителя +35˚С, +45˚С, +55˚С и нагрузочная характеристика теплопотребления дома (характеристика теплопотребления дома (QhQh))

99,5 % отопительной

нагрузки

96 % отопительной

нагрузки

89 % отопительной

нагрузки

Нагрузочная характеристика теплопотребления дома определена расчетным путем по принятым нормативным коэффициентам термического сопротивления ограждающих конструкций (СНиП 23-02-2003)Исходные данные - годичный график температур наружного воздуха в Туапсе за 2008 год

Нагрузочная характеристика теплопотребления дома определена расчетным путем по принятым нормативным коэффициентам термического сопротивления ограждающих конструкций (СНиП 23-02-2003)Исходные данные - годичный график температур наружного воздуха в Туапсе за 2008 год

Моделирование работы тепловых Моделирование работы тепловых насосовнасосов

AW110

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

тепл

опро

изво

дит

ельн

ость

, кВ

т·ч

Qwp.max Qh+dhw

AW108

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

тепл

опро

изво

дите

льно

сть,

кВ

т·ч

.

AW106

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

тепл

опро

изво

дит

ельн

ость

, кВ

т

.

доля дублирующего источника тепла 2 %

мощность 1 кВт

доля дублирующего источника тепла 12 %

мощность 3 кВт

доля дублирующего источника тепла 41 %

мощность 4,5 кВт

Моделирование работы тепловых Моделирование работы тепловых насосовнасосов

AW110

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

элек

троэ

нерг

ия, к

Вт

. Pwp Pтэн

AW108

0

1

2

3

4

5

6

7

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

элек

троэ

нерг

ия, к

Вт·

ч

.

AW106

0

1

2

3

4

5

6

7

Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь

элек

троэ

нерг

ия, к

Вт·

ч

.

Зависимость электропотребления Зависимость электропотребления от доли дублера в тепловой от доли дублера в тепловой

нагрузке нагрузке

0

20

40

60

80

100

120

3 4 5 6 7 8 9 10

мощность ТН, кВт

%

Qwp / Qh

доля электропотребления

дублера

доля дублера в тепловой нагрузке

Модель теплового насоса AW106 AW108 AW110

Продолжительность работы системы отопления, ч

4612

Средняя температура отопительного периода, ˚С

+8˚С

Теплопотребление дома, кВт·ч 18709

Тепловая энергия от теплового насоса, кВт·ч

16837 18096 18619

Тепловая энергия от дублера, кВт·ч 1872 612 89

Электропотребление теплового насоса, кВт·ч

4554 4974 4930

Средний за период коэффициент преобразования

3,70 3,64 3,78

Общее потребление электроэнергии, кВт·ч 6427 5587 5019

Коэффициент преобразования рассматриваемых тепловых насосов в течение отопительного периода изменяется от 2,512,51 до 5,245,24.Результаты численных экспериментов подтверждают энергетическую эффективность использования ТН типа «воздух-вода» в системах теплоснабжения индивидуальных жилых домов

Коэффициент преобразования рассматриваемых тепловых насосов в течение отопительного периода изменяется от 2,512,51 до 5,245,24.Результаты численных экспериментов подтверждают энергетическую эффективность использования ТН типа «воздух-вода» в системах теплоснабжения индивидуальных жилых домов

Расчетные параметры системы Расчетные параметры системы теплоснабжения за отопительный теплоснабжения за отопительный

периодпериод

Анализ расчетных данных позволяет сделать вывод о том, что мощность теплового насоса должна выбираться из расчета примерно 70…85 %70…85 % от максимального теплопотребления зданияПри этом доля теплонасосной установки в среднегодовой длительности работы отопления должна составлять 9292……98 %98 %

Анализ расчетных данных позволяет сделать вывод о том, что мощность теплового насоса должна выбираться из расчета примерно 70…85 %70…85 % от максимального теплопотребления зданияПри этом доля теплонасосной установки в среднегодовой длительности работы отопления должна составлять 9292……98 %98 %

Ежегодные затраты на теплоснабжение с помощью ТН на 30%30% меньше чем у существующей системы отопления с твердотопливным котлом, и на 70 %70 % меньше чем у электрического отопленияСрок окупаемости капитальных вложений для наиболее оптимальной системы теплоснабжения с тепловым насосом AWAW108108 составляет не более пяти лет

Ежегодные затраты на теплоснабжение с помощью ТН на 30%30% меньше чем у существующей системы отопления с твердотопливным котлом, и на 70 %70 % меньше чем у электрического отопленияСрок окупаемости капитальных вложений для наиболее оптимальной системы теплоснабжения с тепловым насосом AWAW108108 составляет не более пяти лет

Экономическая оценкаЭкономическая оценка

-300

-200

-100

0

100

200

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

лет эксплуатации

затр

аты

, ты

с.р

уб.

капитальные затратырасходы при отоплениии электричествомрасходы при отоплении тепловым насосомубыток/прибыль

Экспериментальные исследования проводились с целью проверки адекватности метода динамического моделирования с использованием разработанного измерительного комплексаПотребление электроэнергии 10 по 31 января 2011 года на отопление составило 241 кВт241 кВт··чч, на горячее водоснабжение 58 кВт58 кВт··чч .

Экспериментальные исследования проводились с целью проверки адекватности метода динамического моделирования с использованием разработанного измерительного комплексаПотребление электроэнергии 10 по 31 января 2011 года на отопление составило 241 кВт241 кВт··чч, на горячее водоснабжение 58 кВт58 кВт··чч .

Экспериментальная система Экспериментальная система теплоснабжениятеплоснабжения

Моделирование и экспериментМоделирование и эксперимент

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

13.1 14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1 30.1 31.1

элек

троэ

нерг

ия,

кВт·

ч

. ТН ТЭН

Параметры полученные в ходе

эксперимента

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

тепл

опов

ая э

нерг

ия, к

Вт·

ч

.

трансмиссионные бытовые на вентиляцию от солнца

Смоделированные параметры системы

теплоснабжения