Selection of optimal parameters of the heating and cooling system of a residential building

Full Text

Теплоснабжение с использованием тепловых насосов как альтернатива прямому сжиганию органического топлива или электроотоплению, получает все большее распространение в мире, являясь основным средством экономии невозобновляемых источников энергии. Кондиционирование воздуха, создавая комфортные условия в странах с умеренным климатом, постепенно становится жизненно необходимой частью быта в жарких странах. В последние годы пристальное внимание обращено на комбинированные системы теплохолодоснабжения (СТХС), способные выполнять функции как холодильной машины (ХМ), так и теплового насоса (TH).

Важной особенностью применения СТХС в странах с жарким климатом является возможность использования в качестве источника низкопотенциальной теплоты (ИНТ) для ее работы в режиме TH окружающего воздуха, температура которого не опускается ниже О °С. Поэтому здесь можно использовать обратимые СТХС (лето - зима), включающие также и круглогодичное горячее водоснабжение (ГВС).

В настоящей работе рассматриваются вопросы, связанные с расчетом СТХС для типового жилого дома в столице Египта Каире. В качестве критерия энергетической эффективности таких многоцелевых систем принят эксергетический КПД. Экономическая эффективность системы оценивается по стоимости выработанной энергии с учетом термодинамической ценности потоков теплоты, имеющих различный температурный потенциал [3].
Сегодня в Каире комфортные условия, как правило, обеспечиваются только в элитных домах дорогостоящими и энергетически неэффективными средствами (автономные кондиционеры, электрообогрев, электробойлеры и др.). Использование рационально спроектированных относительно дешевых и экономичных СТХС позволит расширить сферу комфортного жизнеобеспечения населения.

Большую часть застройки Каира составляют пятиэтажные десятиквартирные жилые дома, на каждом этаже которых расположено по две квартиры, рассчитанные на семью в среднем из 5 человек. Такой типовой дом (см. фото) и рассматривается в качестве объекта применения комбинированной СТХС.

Типовой 5-этажный жилой дом в Каире

Ограждающие конструкции дома выполнены из бетонных плит с теплоизоляцией из минерального войлока. Полезная площадь дома и объем жилых помещений составляют соответственно 855 м² и 2479,5 м³. Площади поверхности окон на каждом этаже, ориентированных на север/юг/запад/восток, равны соответственно 18/18/3/3 м². Дом обеспечен холодной водой от городской сети, оборудован естественной вытяжной системой вентиляции из кухонь. Централизованная система горячего водоснабжения и отопления отсутствует. В индивидуальном порядке квартиры могут быть оборудованы электронагревателями воды и напольными кондиционерами, выбор которых определяется финансовыми возможностями хозяина квартиры, а не технико-экономической целесообразностью.

Комфортные условия проживания в рассматриваемом жилом доме, а именно: поддержание требуемого уровня температуры и относительной влажности воздуха в помещениях, а также круглогодичное горячее водоснабжение целесообразно обеспечивать с помощью СТХС парокомпрессионного типа.

Климатические условия на большей части территории Египта соответствуют зоне пустынь и полупустынь. Годовая динамика среднемесячных температур воздушного бассейна на широте Каира представлена в табл. 1.

Таблица 1. Динамика среднемесячных температур воздуха на широте Каира

На основании анализа систематизированных данных по дневной и ночной температурам воздуха в летний и зимний периоды обычного года приняты исходные условия расчета СТХС (табл. 2). Расчетные температуры воздуха в помещениях принимали, исходя из требований поддержания комфортных условий жизнедеятельности человека, которые регламентируются соответствующими санитарными нормами. Температуры теплоносителей при максимальных нагрузках охлаждения, отопления и ГВС, выбранные с учетом рационального использования теплообменников в помещениях дома, также приведены в табл. 2. По температурным условиям календарный год в Египте может быть разделен на два сезона: зимний (декабрь-март) и летний (апрель-ноябрь).

Таблица 2. Исходные данные для расчета СТХС

Теплотехнический расчет годового распределения нагрузок теплоснабжения, холодопотребления (рис. 1) и ГВС для выбранного дома при исходных температурах (см. табл. 2) был проведен с учетом строительных характеристик здания по программе BTU Analysis [5].

Рис. 1. Расчетная диаграмма годового теплохолодопотребления жилого дома

По результатам расчета выбраны нагрузки отопления, охлаждения и ГВС для летнего и зимнего периодов работы СТХС (см. табл. 2). При этом учтено, что СТХС должна обеспечить максимальную холодо- и теплопроизводительность.

Для обеспечения круглогодичного охлаждения, отопления и ГВС типового жилого дома предложена схема обратимой парокомпрессионной машины (МТХС) как основного элемента СТХС (рис. 2). Летний режим работы МТХС обозначен черными линиями, зимний — красными. Переключение режимов осуществляется с помощью вентилей 8.

Рис. 2. Принципиальная тепловая схема обратимой МТХС: 1 — теплообменник рабочее вещество — теплоноситель (сетевая вода), работающий как испаритель в летний период и как конденсатор в зимний; 2 — одноступенчатый компрессор; 3 — теплообменник рабочее вещество - вода для ГВС; 4 — теплообменник рабочее вещество - воздух, работающий как воздушный конденсатор в летний период и как испаритель в зимний; 5 — регенеративный теплообменник; 6 — ресивер; 7 — регулирующая арматура; 8 — запорная арматура; 9 — дополнительный теплообменник-подогреватель технической воды

Для предлагаемой схемы МТХС было проведено расчетное исследование энергетических характеристик и экономических показателей при работе на четырех рабочих веществах: моновешествах (R22 и R134a) и смесевых хладагентах (R404A и R407C). Рабочие вещества выбраны из числа хладагентов среднего давления с учетом их доступности и экологической безопасности [6].

Энергетическая оптимизация компрессорной системы (КС) - основного элемента МТХС - проведена путем сравнения эксергетических КПД циклов (табл. 3) без регенерации (1 ) и регенеративных циклов (2), а для смесевых зеотропных хладагентов R404A и R407C также регенеративных циклов без докипания (*) и с докипанием (**) [2] жидкого хладагента в регенеративном теплообменнике.

Таблица 3. Сравнение циклов при энергетической оптимизации КС

Значения эксергетического КПД КС по сезонам, а также его среднегодовое значение η_{сср.год} рассчитаны по методике, изложенной в [3]. Среднесуточная температура атмосферного воздуха (см. табл. 2) используется для расчета эксергетической температурной функции летнего и зимнего периодов.

В результате проведенного численного исследования установлено, что для данных условий работы при относительно низкой температуре конденсации хладагента наибольшая энергетическая эффективность цикла достигается при работе на R22 и R134a. Эти два хладагента приняты для экономической оптимизации КС и МТХС.

Экономическую оптимизацию КС проводили путем расчета вариантов безразмерных затрат [1]:

$Z_{ОКС}=(\frac{1}{{\eta }_{э}{\epsilon }_{е}}+j_{км}\frac{1}{\overline{Q}}\frac{P{\xi }_{км}}{t{\xi }_{э}})\overline{Е}$,   (1)

где η_э - КПД привода компрессора;

ε_е - эффективный холодильный коэффициент;

j_км=Y_км/V_т, (кг·ч)/м³,

Y_км — масса компрессора, кг,

V_т — теоретическая объемная производительность компрессора, м³/ч;

Q=Q₀/V_т, (кВт·ч)/м³,

Q₀ — холодопроизводительность, кВт;

Р — доля отчислений от балансовой стоимости оборудования на реновацию;

t - время работы системы, ч;

ξ_км ^_ Удельная стоимость компрессора, долл./кг;

ξ_э - стоимость электроэнергии, долл./(кВт•ч). В расчетах принято ξ_э =0,05 долл./(кВт ч);

E=Q₀/ΣE_л(з)

ΣE_л(з) — суммарная эксергия, кВт [3].

Для сравнения были выбраны бессальниковые компрессоры двух модельных рядов (двух различных фирм), технико-экономические характеристики которых даны в табл. 4. Производительность компрессора выбрана из условия обеспечения требуемой холодопроизводительности с использованием двух компрессоров с учетом сезонного изменения холодильных и отопительных нагрузок (см. рис. 1).

Таблица 4. Технико-экономические характеристики бессальниковых компрессоров

Экономическую оптимизацию холодильной машины (МТХС) проводили путем выбора модели основного теплообменника рабочее вещество — сетевая вода. Сравнивали кожухотрубный и пластинчатый теплообменные аппараты с технико-экономическими характеристиками, приведенными в табл. 5.Наименьшие безразмерные затраты обеспечивают компрессоры обоих типоразмеров модельного ряда 1, которые выбраны для комплектации МТХС (см. табл.6).

Таблица 5. Технико-экономические характеристики сравниваемых теплообменников

Таблица 6. Результаты экономической оптимизации

Безразмерные затраты для МТХС рассчитывали следующим образом:

$Z_{ОМТ ХС}=(\frac{1}{{\eta }_{э}{\epsilon }_{е}}+j_{км}\frac{1}{\overline{Q}}\frac{P{\xi }_{км}}{t{\xi }_{э}}+j_k\frac{(Q_k/Q_0)}{{\theta }_k{k}_k}\frac{P{\xi }_k}{t{\xi }_{э}}+j_{И}\frac{1}{{\theta }_{И}{к}_{И}}\frac{P{\xi }_{И}}{t{\xi }_{э}}+j_{В.Т}\frac{{\varpi }_{В.Т.}}{q_0}\frac{{\xi }_{В.Т.}}{t{\xi }_{э}})\overline{Е}$,   (2)

где: j= Y/F, кг/м²;

ω_в.т=F_в.т/G_I, (м²·с)/кг;

Y - масса, кг;

F — площадь теплообменной поверхности, м²;

G_I — массовый расход хладагента, кг/с;

Q_к — тепловая нагрузка конденсатора, кВт;

ξ — удельная стоимость, долл./кг

θ — температурный напор, °С;

k — коэффициент теплопередачи, кВт/(м²•К);

q₀ — удельная холодопроизводительность, кДж/кг.

Индексы: и — испаритель; к — конденсатор; в.т. — вспомогательный теплообменный аппарат.

По результатам экономической оптимизации МТХС (табл. 6) выбран испаритель-конденсатор кожухотрубного типа.

В результате проведенных оптимизационных расчетов выбрано основное и вспомогательное оборудование в соответствии со схемой (см. рис. 3). С помощью программы «HolCon» [3] рассчитаны внешние характеристики МТХС (тепло- и холодопроизводительность, сумма эксергий и эксергетический КПД) для летнего и зимнего режимов работы при изменении температур теплоносителей и температуры окружающей среды.

Эти характеристики позволяют определить параметры работы МТХС при температурных условиях, отличных от указанных в табл. 2.

Разработанная методика и программа «HolCon» [3] позволяют проводить оптимизацию и расчет характеристик СТХС (ХМ, TH) парокомпрессионного типа для работы в любых температурных условиях с различным составом оборудования.

About the authors

El Sadiq Hassan

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Typical 5-story apartment building in Cairo

Download (2MB)

Indexing metadata

3. Fig. 1. Calculation diagram of the annual heat and cooling consumption of a residential building

Download (896KB)

Indexing metadata

4. Fig. 2. Principle thermal scheme of the reversible MTHS: 1 - heat exchanger working substance - coolant (network water), working as an evaporator in summer and as a condenser in winter; 2 - one-stage compressor; 3 - heat exchanger working substance - water for DHW; 4 - heat exchanger, working substance - air, operating as air condenser in summer and as evaporator in winter; 5 - regenerative heat exchanger; 6 - receiver; 7 - regulating fittings; 8 - stop valves; 9 - additional heat exchanger-heater of service water

Download (854KB)

Indexing metadata