Тепловые насосы с воздушным источником тепла и тепловым аккумулятором сокращают первоначальные затраты на 29,7%
Аккумуляторы FIAMM FG/FGH
Китайские исследователи предложили использовать тепловые насосы с воздушным источником тепла и тепловым аккумулятором, чтобы перенести потребление электроэнергии на периоды вне пиковой нагрузки и снизить стоимость системы. Такая система сокращает первоначальные инвестиции на 29,7%, годовое потребление электроэнергии — на 21,9 МВт·ч, а выбросы углекислого газа — на 8,8% по сравнению с традиционными аналогами.
Схема системы
Исследовательская группа из Хэбэйского технологического университета в Китае предложила использовать тепловой насос с воздушным источником (ASHP) в сочетании с накопителем тепловой энергии для зданий, чтобы сократить первоначальные и эксплуатационные расходы, повысить энергоэффективность и снизить выбросы углекислого газа.
Предлагаемая система накапливает тепловую энергию в периоды действия непиковых тарифов на электроэнергию и использует ее, когда спрос и цены выше, тем самым смещая пиковые нагрузки и снижая эксплуатационные расходы. По словам исследователей, такая интегрированная конфигурация также снижает требуемую мощность теплового насоса, уменьшая первоначальные инвестиции при сохранении высокой эффективности отопления и охлаждения.
«В этом исследовании предлагается инновационная система аккумулирования энергии с тепловым насосом на основе воздуха (ASHPCES) на базе реверсивных тепловых насосов типа «воздух-воздух», которые могут переключаться между режимами отопления и охлаждения для обеспечения терморегуляции внутри зданий, — заявили исследователи. — Система, оснащенная стратифицированным теплоаккумулятором, который может работать как в режиме аккумулирования тепла, так и в режиме аккумулирования холода, накапливает энергию в ночное время, когда она дешевле, и обеспечивает отопление или охлаждение зданий в рабочее время, когда она дороже».
Система состоит из реверсивных тепловых насосов «воздух-вода», стратифицированного резервуара для хранения воды, циркуляционных насосов, регулирующих клапанов и фанкойлов. Исследователи подобрали конфигурацию в соответствии с максимальной совокупной суточной потребностью в отоплении или охлаждении, которая может быть удовлетворена в течение восьмичасового периода непикового тарифа.
Они разработали систему для шестиэтажного офисного здания высотой 21,6 м в Тяньцзине с кондиционируемой площадью 10 030 м².
В системе ASHPCES используются шесть специализированных агрегатов ASHP, каждый из которых имеет номинальную тепловую мощность 146 кВт и холодопроизводительность 130 кВт. В режиме обогрева каждому агрегату требуется 37 кВт электроэнергии, а в режиме охлаждения — 41 кВт. Тепловые насосы используют хладагент R410A и работают при температуре окружающей среды от -25 °C до 45 °C, подавая воду с температурой 45 °C для отопления и 5 °C для охлаждения.
Тепловые насосы подключены к стратифицированному резервуару для хранения воды объемом 1010 м³, который состоит из четырех вертикальных тепловых слоев и изолирован слоем пенопласта толщиной 100 мм. Исследователи смоделировали систему для офисных зданий в регионе с холодным климатом на севере Китая и сравнили ее эффективность с обычной системой ASHP без аккумулирования тепла.
Исходная система состояла из тепловых насосов, циркуляционных насосов и фанкойлов, которые работали непрерывно с 08:00 до 18:00, обеспечивая отопление и охлаждение в режиме реального времени. В отличие от предложенной конфигурации, она была рассчитана на максимальную мгновенную нагрузку здания, для чего требовалось 11 тепловых насосов.
Моделирование показало, что предложенная система работала на полную мощность с 23:00 до 07:00 в периоды низких тарифов, накапливая горячую воду зимой и охлажденную воду летом в зависимости от прогнозируемого спроса на следующий день. В часы, когда в здании находятся люди, с 08:00 до 18:00, здание снабжалось в основном из накопительного бака, а тепловые насосы включались только в периоды промежуточных тарифов, если требовалась дополнительная энергия. Система была спроектирована с учетом пиковых почасовых нагрузок в 831,44 кВт для отопления и 1307,46 кВт для охлаждения.
«По сравнению с традиционной системой ASHP, система ASHPCES в сочетании с ценообразованием по принципу «пиковое-промежуточное» может значительно снизить годовые эксплуатационные расходы на электроэнергию и повысить экономическую эффективность», — отмечают исследователи. «Годовые эксплуатационные расходы снижаются на 51,4 %, динамический срок окупаемости составляет примерно 3,57 года, а стоимость жизненного цикла снижается на 38,37 %».
По сравнению с традиционной системой, конфигурация с накопителем снизила годовое потребление электроэнергии на 21,9 МВт·ч и выбросы углекислого газа на 8,8 %, что эквивалентно примерно 17,6 метрическим тоннам CO₂ в год. Годовое потребление электроэнергии снизилось до 248,1 МВт·ч с примерно 270 МВт·ч в базовой системе.
Использование теплоаккумулятора также позволило сократить количество тепловых насосов с 11 до 6, уменьшив первоначальные инвестиции на 29,7 % — с 3,43 млн юаней (510 208 долларов США) до 2,41 млн юаней. Кроме того, это позволило сократить годовое время работы теплового насоса на 43,6 %.
«Эта конструкция не только в полной мере использует тарифы в зависимости от времени суток для снижения эксплуатационных расходов, но и уменьшает мощность теплового насоса, не ориентируясь на пиковую нагрузку, тем самым сокращая первоначальные инвестиции», — заключили исследователи.
Исследование представлено в статье «Технико-экономические показатели воздушного теплового насоса и накопителя тепловой энергии с учетом тарифов на электроэнергию в зависимости от времени суток», опубликованной в журнале Cleaner Energy Systems.