Тепловые насосы с парокомпрессионным термодинамическим циклом достигают эксергетической эффективности до 49,3 % в холодном климате

Китайские исследователи проанализировали систему теплового насоса с парокомпрессионным термодинамическим циклом, которая использует отработанное тепло от солнечных панелей для предварительного нагрева поступающего воздуха и повышения эффективности отопления в холодном климате. Эксергетическая эффективность системы составила от 41,2 % до 49,3 %, при этом были снижены эксергетические потери в испарителе и предотвращено образование инея.

Фотоэлектрические системы на крыше в Германии

Исследовательская группа из Китайского университета Сихан провела эксергетический анализ и исследование чувствительности системы отопления с фотоэлектрически-тепловым (PVT) воздушным тепловым насосом (ASHP) для холодного климата и обнаружила, что система может обеспечить высокую адаптивность к низким температурам.

«В этом исследовании проводится систематический эксергетический анализ предлагаемой системы парокомпрессионного отопления и вентиляции с рекуперацией тепла, — сообщили исследователи. — Основные цели включают количественную оценку распределения потерь эксергии между ключевыми компонентами при типичных условиях отопления; изучение влияния температуры окружающей среды, относительной влажности и температуры предварительного нагрева на эксергетическую эффективность системы; проведение анализа чувствительности для определения наиболее значимых параметров; а также предложение целевых стратегий оптимизации на основе результатов эксергетического анализа».

Исследователи смоделировали систему в TRNSYS 18.0 для шестиэтажного офисного здания общей площадью 2065 м² в Сиане, Китай. Моделирование охватывало местный отопительный сезон с 15 ноября по 15 марта, при этом здание работало в будние дни с 8:00 до 18:00.

Система состояла из двух низкотемпературных тепловых насосов с воздушным источником тепла мощностью 90 кВт, 270 м² фотоэлектрических коллекторов с электрической мощностью 57,5 кВт, 200-литрового теплового аккумулятора и циркуляционных насосов.

Контур циркуляции воды улавливал отработанное тепло от фотоэлектрических панелей, что способствовало повышению их электрической эффективности. Уловленное тепло либо накапливалось для отопления помещений, либо передавалось через теплообменник «воздух-вода» для предварительного нагрева воздуха, поступающего в испаритель теплового насоса. Более высокая температура входящего воздуха улучшила условия работы испарителя, снизив образование инея и потери при размораживании, а также повысив термодинамическую эффективность теплового насоса.

ASHP включался, когда температура в баке опускалась ниже 40 °C, и выключался, когда она достигала 50 °C. Теплообменник предварительного нагрева работал, когда температура в баке была как минимум на 20 °C выше температуры окружающей среды.

В ходе анализа учитывались температуры окружающей среды от -10 °C до 10 °C, относительная влажность от 40 % до 90 % и температура предварительного нагрева от 3 °C до 15 °C.

«В отопительный сезон в Сиане общая полезная энергия системы достигает 80,25 % за счет отопления с помощью теплового насоса, а также тепловой и электрической энергии, вырабатываемой фотоэлектрическими панелями, — говорится в исследовании. — С точки зрения потерь эксергии, компрессор и испаритель являются доминирующими компонентами, на которые приходится 38,6 % и 22,55 % от общих потерь эксергии соответственно. Они являются основными слабыми звеньями, требующими оптимизации системы.»

Результаты также показали, что стратегия предварительного нагрева отработанным теплом парокомпрессионного холодильного агрегата значительно снижает потери эксергии в испарителе. Максимальное снижение составило 44,3 % при температуре -10 °C, а при 10 °C — 38,0 %.

Эксергетическая эффективность системы варьировалась от 41,2 % до 49,3 % в диапазоне температур окружающей среды от -10 °C до 10 °C и повышалась при более высокой относительной влажности. Эксергетическая эффективность показывает, насколько эффективно система преобразует максимальную полезную работу, доступную от источника энергии, в полезный результат с учетом термодинамических потерь.

По словам исследователей, полученные результаты свидетельствуют о высокой адаптивности к низким температурам и подавлении образования инея в холодных и влажных условиях.

«Эксергетическая эффективность системы достигает пика в 48,1 % при температуре предварительного нагрева 9 °C, что указывает на оптимальный интервал предварительного нагрева, — заявили исследователи. — Анализ чувствительности показывает, что температура окружающей среды (0,82 %/°C) и температура предварительного нагрева (0,65 %/°C) являются наиболее чувствительными параметрами, которые определяют четкие приоритеты управления и цели оптимизации для практической эксплуатации.»

Исследователи представили свои выводы в статье «Анализ эксергии и исследование чувствительности системы отопления с тепловым насосом, использующим воздух в качестве источника, в условиях холодного климата», опубликованной в Case Studies in Thermal Engineering.

Аккумулятор FIAMM FG 20451 https://invertory.ru/product/fiamm-fg-20451/