Нискотемпературни топлофикационни абонатни възли с малка термопомпа за производство на битова гореща вода

В този доклад представяме и анализираме възможността за използване на топлофикационни абонатни възли с микро термопомпа за подготовка на битова гореща вода в нискотемпературни (40°C) топлофикационни мрежи.

Предлагаме на вниманието ви абонатен топлофикационен възел с миниатюрна бустер термопомпа с висока ефективност (коефициент на преобразуване 5,3) за повишаване на температурата на топлофикационната вода за подгряване на БГВ. В доклада се представят основната идея на предлаганата система и различни алтернативни концепции за миниатюрни бустерни термопомпи. Прави се изчисление и сравнение на енергийната ефективност и термодинамичните характеристики на тези концепции. Резултати показват, че предлаганата система е с най-висока ефективност. Освен това, правим сравнение на термодинамичните и икономическите показатели на предлаганата концепция използваща термопомпа с различни решения използващи електрически водоподгревател. Системата с миниатюрна бустер термопомпа е с най-висока среднопретеглена инвестиция (390 евро/година) и най-ниски експлоатационни разходи (320 евро/год.). Концепциите базирани на електрически подгреватели консумират от 5 до 14 пъти повече електроенергия, което води до сравнително високи годишни експлоатационни разходи (530-970 евро/година), докато инвестиционните вложения са по-ниски (326-76 евро/година). Предлаганата система с термопомпа за БГВ осигурява на частните потребители добра възвръщаемост на инвестициите още от днес. Освен това, приложението на миниатюрни бустер термопомпи в нискоенергийни сгради отговаря на изискванията за енергийно потребление, залегнали в действащите датски разпоредби за сградите. При използването на варианти с електрически подгреватели този лимит се надвишава.

ВЪВЕДЕНИЕ

Топлоенергията в Дания се произвежда главно от котли или централи за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия. Средногодишните подавани и връщани температури в топлофикационните разпределителни мрежи са съответно 80°C и 40°C. Очевидно е желателно в топлофикационните системи температурите да са по-ниски, за да се намалят енергийните загуби в топлофикационните мрежи. Намаляване на подаваната температура става възможно чрез обръщане на по-голямо внимание на повишаването на енергийната ефективност в енерго-снабдителните системи и в сградите. В Дания изискванията за енергийна ефективност на  новите сгради предвиждат постепенно понижаване на границите за разход на енергия за отопление и производство на гореща вода. Същевременно при обновяване на съществуващи сгради се изисква предвиждане на определени минимални мерки за икономия на енергия, като изолация на покривите и стените, смяна на дограмата с по-ефективна и т.н. Следователно, с намаляването на необходимостта от топлинна енергия, нискотемпературното отопление става възможно в нарастващия дял на сградния фонд.

Съгласно предложението на датското правителство за енергетиката на бъдещето, топлоснабдителните, електро-снабдителните и транспортните системи трябва да разчитат единствено на възобновяеми енергийни източници (ВЕИ) към 2050 година. Важен момент в този процес се явява 2035 година, когато снабдяването с топлинна енергия и електричество ще трябва да се основава изцяло на възобновяеми източници. Без съмнение, енергийната ефективност играе важна роля за постигане на тези цели, като намалява изразходването на енергийните ресурси и инвестициите за допълнителни мощности. В топлофикационния сектор биомасата ще играе важна роля за 100% възобновяема енергийна система. Все пак, както в национален, така и в глобален мащаб ресурсите от биомаса са недостатъчни. Ето защо ще трябва да се използват и други енергийни ресурси и технологии в допълнение към съоръженията работещи с биомаса. За топлофикационния сектор алтернативни източници са ресурсите от слънчева, геотермална, вятърна и отпадна топлинна енергия. Ефективното използване на енергийните ресурси зависи от необходимата температура на топлофикационната вода и се повишава с намаляването на температурите в топло-фикационната система.

В този контекст изгодите от нискотемпературните топло-фикационни системи са многобройни. На първо място могат да се намалят топлинните загуби от топлофикационната мрежа. Например, чрез понижаване на подаваната температура от 80 на 40-45°C, топлинните загуби в една топлофикационна система могат да се намалят с около 37% или дори повече. Второ, нискотемпературното топлоподаване в локални мрежи открива възможности за присъединяване на нови потребители към съществуващите топлофикационни системи без непременно да се налагат инвестиции за допълнителни мощности (зависи от конкретната топлофикационна система и технологията на генериране). Нещо повече, нискотемпературните толофикационни системи дават възможност на ефикасно използване на нискотемпературни възобновяеми енергийни ресурси, като слънчевата и геотермалната енергия и промишлената отпадна топлина.

Приложимостта на нискотемпературна топлофикационна абонатна станция с подавана температура малко над 50°C вече бе доказана и демонстрирана в Дания. С нея е възможно да се подготвя битова гореща вода с температура 45°C без какъвто и де и допълнителен енергиен източник. При още по-голяма понижаване на подаваната температура например, ще е възможно да се използва температурата на връщаната топлофикационна вода (40°C) при традиционните мрежи (и да се присъединяват повече потребители без значително увеличаване на мощността). Все пак, макар температура от 40-45°С на подаваната топлофикационна вода по принцип да е достатъчна за отопление, тя не може да се използва за подгряване на битова гореща вода.

В този доклад се обсъждат възможностите за производство на битова гореща вода, когато подаваната температура в топлофикационната система бъде понижена до 40°C. Прави се анализ на различни концепции с термопомпа и електрически подгревател за използване на допълнителен енергиен източник – електричество за подгряване на БГВ. Концепциите се сравняват въз основа на термо-динамичните и икономическите изчисления, описани в статията. Предламе да се използва малка термопомпа за повишаване на подаваната температура до 53°C. Както вече бе споменато, тази температура е достатъчна за производство на БГВ.

РАЗХОД НА ЕНЕРГИЯ ЗА ОТОПЛЕНИЕ И ЗА ПРОИЗВОДСТВО НА БИТОВА ГОРЕЩА ВОДА

Приемаме, че нискотемпературната топлофикационна система захранва нискоенергийна самостоятелна еднофамилна къща. Къщата е построена в съответствие с изискванията на наскоро въведената датска строителна наредба (BR10) за нискоенергийни сгради от клас 2015. Общото годишно потребление на енергия за отопление, битова гореща вода, работа на вентилатори и помпи не трябва да надвишава максималния годишен разход на енергия заложен в BR10 – енергийната рамка (Eрамка, kWh/m²), изчислена по следната формула (1):

Където A е брутната отоплявана площ (m²).

Прилагат се различни тегловни коефициенти за разхода на топлинна енергия и електричество – съответно 0,8 и 2,5 – при сравняване на изчисления разход на енергия в сграда, проектирана съгласно енергийната рамка.

Таблица 1. Разход на енергия в нискоенергийна къща

Необходима енергия за отопление, kWh на година2570
Потребление на БГВ (250 l/m² годишно при 55°C (BR10)), kWh на година2083
Електричество за помпи и вентилатори, kWh на година525
Общ разход на енергия, kWh на година5178
Общо допустим разход на енергия съгласно енергийната рамка, kWh на година5771

 

Еднофамилната къща, обект на анализа, има отопляема площ от 159 m², което означава че енергийната рамка е 36,3 kWh/m².

Изчислената потребност от енергия е представена в Таблица 1. Разходът на енергия за загряване на битова гореща вода има значителен дял (40%) в общото потребление на енергия в нискоенергийната къща съгласно Таблица 1. Еднофамилната къща се отоплява с подово отопление. Следователно, с ниската си енергийна потребност и подова отоплителна система, къщата е съвсем пригодна за нискотемпературно (40°C) топлоподаване.

В различните литературни източници се приемат различни норми за потребление на гореща вода. За сравнението на енергийния разход в сградата, когато се прилагат различни алтернативи за производство на битова гореща вода спазвайки енергийната рамка, е използвано изчисление на потреблението на битова гореща вода в съответствие с наредбата BR10 (Таблица 1). За изчисляване на енергийните и икономическите разходи е прието по-консервативно и по-високо потребление на БГВ от 3200 kWh на година (за 4 обитатели по 800 kWh на човек годишно), което е с 54% по-високо от предвиденото в BR10.

СИСТЕМА ЗА БИТОВА ГОРЕЩА ВОДА И НИСКОТЕМПЕРАТУРНО ТОПЛОПОДАВАНЕ

При обсъждането на системи за производство на битова гореща вода трябва да се вземат предвид три основни момента/изисквания:
– Температурата на БГВ трябва да е 40-45°C, според мястото на потребление (кухня или баня);
– Опасността от развитие на бактериии Legionella (особено ако има резервоар за гореща вода), която може да бъде избегната чрез увеличаване на температурата на БГВ до около 55°C или ако водата не се съхранява в резервоар;
– Датският стандарт за водата DS 439, който включва профил на течащата гореща вода, трябва да бъде спазен при оразмеряване на системата за БГВ, което означава, че върховият товар от 32,3 kW трябва да бъде спазен и резервоарът за съхранение на горещата вода трябва да бъде достатъчно голям за покриване на най-критичния профил на потребление на БГВ през ранните часове на деня.

В миналото нискотемпературна топлофикационна мрежа и потребителски абонатни станции бяха разработени и демонстрирани, когато подаваната от топлофикационната система температура бе намалена на около 50°C. Датският пълномащабен демонстрационен проект за нискотемпературно топлоподаване къв нескоенергийни сгради доказа, че концепцията работи – могат да се задоволяват потребностите за пространствено отопление и битова гореща вода.

В тази статия ние правим още една крачка в тази посока и намаляваме подаваната температура до 40°C. Ясно е, че тази температура е твърде ниска за подгряване на течащата вода до 45°C, поради което е необходима допълнителна енергия за подгряването на битова гореща вода. Такава енергия може да се осигури с електричество чрез термопомпа или електрически подгревател. При оценка на енергийни системи използващи няколко различни горива и продукти обикновено се използва термодинамичното количество Ексергия. Нивото на ексергия на един поток изразява наличността на преобразуваема енергия за извършване на някаква техническа работа, докато температурата, налягането и химическият състав на потока постигне състояние на равновесие с обкръжаващата среда. Способността на електричеството да извършва такава работа е много висока, обикновено считана за 100%. Ако обкръжаващата среда е студената течаща вода, ексергията на топлофикационната вода при 40°C е много ниска (10%) в сравнение с електричеството. Ексергията изразява потребната първична енергия, която теоретично е необходима за постигане на изискванията за БГВ и затова трябва да бъде сведена до минимум. Така общо необходимата енергия за осигуряване на БГВ може да се определи количествено като сумарния разход на ексергия от електричество и топлоподаване. От тази гледна точка ще бъде от полза замяната на една единица електричество с до десет единици от топлоподаването. Допълнителното понижаване на температурата подавана от топлофикация от термодинамична гледна точка е благоприятно, ако делът на електричеството в общия разход на енергия за БГВ е малък. В сравнение с електрическия подгревател, където една единица (kW) подадено електричество произвежда една единица топлина (kW), термопомпите могат да намалят този разход с няколко единици. За оптимизиране на производството на БГВ ние проектирахме малък термопомпен възел за подгряване на течаща гореща вода в нискотемпературната топлофикационна система – микробустерен термопомпен възел. Несъмнено такъв възел за БГВ трябва да отговаря също и на другите 2 изисквания, отнасящи се до бактерията легионела и достатъчния капацитет. Това също бе взето предвид при проектирането на различните концепции за БГВ системата.

АБОНАТЕН ВЪЗЕЛ ЗА БГВ С МИКРОБУСТЕРНА ТЕРМОПОМПА

Допълнителната енергия, необходима за БГВ може да се подава или откъм вторичната страна, директно на течащата вода, или на топлофикационната вода от първичната страна, която след това се използва за подгряване на течащата вода. Различни конфигурации на системата по отношение на топлинен източник за термопомпата (подаваната или връщаната топло-фикационна вода), предварително погряване на течащата или връщаната вода, конфигурацията на термопомпата и резервоара за съхранение са възможни и за двата варианта. Ние сме избрали трите най-обещаващи концепции за по-нататъшен анализ (вижте фигура 1).

При вариант А топлофикационната вода постъпваща в системата за гореща вода се разделя на два потока. Температурата на първия поток се повишава от 40°C на 53°C докато преминава през кондензатора на термо-помпата. Вторият поток преминава през изпарителя и служи за топлинен източник за термопомпата (след което се охлажда до около 25°C). Подгрятата топлофикационна вода се съхранява в температурно разслоен акумулиращ резервоар и загрява водата на проточен принцип чрез микропластинчат топлообменник при отваряне на кран. Тук се използва топлофикационния резервоар, за да се намали дебита от топлофикация, капацитета на термопомпата и инвестиционните разходи.

Вариант B е подобен на A – единствената разлика е, че връщаната вода от топлообменника за гореща вода (и евентуално за отопление) се използва като топлинен източник в термопомпата. При този вариант дебитът от топлофикация е по-малък в сравнение с A.

Фигура 1. Анализирани концепции с бустерна микро термопомпа за БГВ

При вариант C течащата студента вода се подгрява до 55°C в термопомпата. БГВ се съхранява при температура по-висока от тази на топлофикационната вода, за да се избегне развитие на бактерията легионела. За да е по-ниска необходимата мощност на термопомпата, студената вода се подгрява предварително в топло-обменник като за целта се използва топлофикационната вода. Топлинният източник на термопомпата, както при вариант А, е подаваната топлофикационна вода.

За всеки вариант с микро бустер термпомпа е въведен числен модел в програмата за решаване на инженерни уравнения (EES) използвайки приетите параметри посочени в Таблица 2. По-рано бяха публикувани повече подробности за числените модели. В този доклад някои от възприетите параметри за термопомпата бяха променени с цел по-добро представяне на фактическите работни условия в разглежданата система. Термо-помпата се включва от момента на отваряне на кран за топла вода и се изключва, когато приключи пълненето на стратифицирания резервоар. Може да се приеме, че работата на термопомпата е равномерна, тъй като колебанията вследствие на профила на потребление на гореща вода се неутрализират в стратифицирания резервоар. Вместимостта на резервоара за съхранение на всички разглеждани решения се изчислява индивидуално, за да се осигури сходен режим и продължителност на работа за всички термопомпи.

Таблица 2. Параметри, приети и използвани за моделиране на система за БГВ с микро бустер термопомпа

ПроменливиПрието
Хладилен агентR600a
Изентропична ефективност на компресора0,5
Разлика в пинч-температурата на топлообм. в кондензатора и изпарителя, K2,5
Пинч-температура в топлообменника за  вода за потребление (QMAX=32 kW), K8
Връщана температура от изпарителя (варианти A и C), °C2 и 5

 

Главните резултати от изчисленията са обощени в Таблица 3. Дебитът на топлофикационна вода, разходът на електроенергия и ексергетичната ефективност са с осреднени стойности, което е възможно поради равномерната работа за термопомпените възли.

Таблица 3. Резултати от изчисленията на трите системи за БГВ с микро бустер термопомпи

Варианти на микро
бустер термопомпа
ABC
Дебит ТИ, l/h855075
Мощност, W142214155
Коефициент на преобразуване (COP)5,33,55,0
Ексергетична ефективност0,430,410,42
Необх.обем за съхранение, l128128100

От таблицата може да се види, че вариант А изисква най-малка мощност и най-голям дебит на топлоносителя. Когато дебитът се намали и връщаната вода се използва в изпарителя при вариант В, за повишаване на температурата на топлофикационната вода е необходима по-голяма мощност. Причината е ниската температура на връщаната вода (около 18°C), която постъпва в изпарителя. В следствие на това теропомпата във вариант В има нисък коефициент на преобразуване (СОР). При вариант С за подгрябането на БГВ трябва да се използва повече енергия. Тук битовата гореща вода се загрява до 55°C, т.е. с 2°C по-висока отколкото в случая с първичната топлофикационна вода. Освен това, макар студената течаща вода предварително да се подгрява до 37,5°C преди да постъпи в термопомпата, температурата ѝ все още е по-ниска от температурата на топлофикационната вода постъпваща в термопомпата при варианти А и В.

Различията в дебита на топлофикационната вода в анализираните три системи за гореща вода няма да оказват влияние за размера на тръбите на сградните разклонения, тъй като те така или иначе са с увеличен размер поради ниския разход на енергия на къщата и факта, че е приет най-малкия размер топлофикационни тръби предлагани на пазара.

Съотношението между необходимата топлинна енергия (дебит) от топлофикационната мрежа и допълнителното електричество, което се изисква е от първостепенно значение, тъй като и двете са необходими за производство на гореща вода с микро бустер термопомпата.

В много случаи топлинната и електрическа енергия се произвеждат в централи за когенерация и по този начин това взаимно влияние придобива важност. Тъй като ексергетичната ефективност е мярка както за вложената енергия, така и за продуктите (продуктът в този случай е постоянното количество битова гореща вода), целта е да се сведе до минимум количеството топлинна и електрическа енергия, което е необходимо като енергиен източник за термопомпата. Тъй като подаваната топлофикационна вода има по-ниско съдържание на ексергия, отколкото електричеството, термопомпената конфигурация с най-нисък разход на електричество и най-висок разход на топлинна енергия ще има най-висока ексергетична ефективност. При най-висока ексергетична ефективност, за осъществяване на процеса се използва най-малко количество ексергия (или енергия, която се преобразува в работа) и по този начин се постига най-висока енергийна ефективност. Отбелязано бе, че поради разликите в конфигурациите на термопомпите, значителните разлики в коефициента на преобразуване не са отразяват в еднаква степен на ексергетичната ефективност. Затова е важно да се вземат предвид и двете величини, за да се направи правилна преценка.

При варианти А и В топлофикационната и битовата гореща вода се съхраняват в резероара (Фигура 1), с което се елиминира опасността от развитие на бактурията Легионела в БГВ. Количеството гореща вода след топлообменника във вторичната му страна, в тръбопровода за БГВ, може да се ограничи до 3 литра. Това е максимално допустимото количество гореща вода в БГВ системата, за да се избекне бактериално заразяване, ако не се прилага допълнително третиране на водата, съгласно немската наредба (DVGW, W551) за системи за гореща вода. При вариант С възможността за развитие на бактерии се увеличава, тъй като БГВ престоява в резервоара. За да се намали тази опасност е необходима енергия за периодично увеличаване на температурата в резервоара до 60°C.

При сравняване на необходимия размер на резервоара за съхранение (Таблица 3), предимство има вариант С поради по-малката необходимост от съхранение на гореща вода. Обикновено по-малките резервоари за съхранение са за предпочитане по прагматични причини, като например наличното пространство инсталиране на абонатната станция в домакинствата. По-малкият резервоар означава също и по-ниски топлинни загуби. От друга страна, БГВ се съхранява при по-висока температура (вариант С) отколкото топлофикационната вода при варианти А и В, което може да води до по-големи топлинни загуби. Топлинните загуби не са взети предвид в изчисленията, тъй като се приема, че са със сходни величини с оглед на цялата инсталация.

Когато сравняваме концепции А и В, изглежда, че термопомпата при вариант А ще има по-устойчиви условия на работа, тъй като подаваната топлофика-ционна вода преминава през кондензатора и през изпарителя, докато при вариант В температурата на връщаната вода преминаваща през изпарителя може да варира в зависимост например от температурата на студената вода.

Въз основа на най-ниския разход на електроенергия, както и преценявайки другите предимства и недостатъци, вариант А бе избран за по-нататъшно разработване.

АБОНАТЕН ВЪЗЕЛ ЗА БГВ С ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ПОДГРЕВАТЕЛ И СРАВНЕНИЕ С МИКРО БУСТЕР ТЕРМОПОМПА

Макар да се очаква, че микро бустер термопомпата ще консумира значително по-малко допълнителна електроенергия отколкото електрическите бойлери, може да се приеме, че решението с тях ще изисква по-ниски инвестиционни разходи и по-опростена конструкция (Фигура 2). За да се сравнят разходите и предимствата на концепциите за БГВ с микро-бустер термопомпа и с електрически подгревател при нискотемпературни топлофикационни системи, бяха направени изчисления за три алтернативни варианта с електрическо подгряване. След това избраният вариант А с микро-бустер бе сравнен с тези три варианта.

При първия въриант с електрическо подгряване (D) термопомпата е заменена с проточен електрически подгревател, който покачва температурата на топлофикационната вода от 40°C на 53°C. Конструкцията е по-опростена в сравнение с вариант А и за производството на гореща вода се използва само един поток от ТИ. При вариант Е топлофикационната вода преминава през серпантина, която е монтирана в резервоар за гореща вода. Студената течаща вода в резервоара предварително се подгрява до 35°C от серпантината и след това се донагрява до необходимите 55°C от електрически нагревател, също инсталиран в резервоара. И накрая, при вариант F се използва само електричество за подгряване на битова гореща вода в резервоар с инсталиран електрически нагревател.

Алтернативните варианти с микро-бустер термопомпа и с електрически подгреватели се сравняват на база разход на енергия (напр. електричество), ексергетична ефективност, емисиите на СО2, както и средногодишни инвестиции и годишните експлоатационни разходи. Термодинамичният анализ бе направен използвайки същите инструменти и предположения, описани в предходния раздел. Годишните разходи бяха изчислени на база потребление на гореща вода равняващо се на 3200 kWh.

Изчисленията на разходи са направени за частни абонати, с презумпцията за нискотемпературно топлоподаване към еднофамилни къщи. Освен това, социо-икономическите разходи за производство на гореща са сравнени на базата на очакваните стойности на енергията в бъдеще, за да бъде включено в анализа и предвижданото развитие на датската енергийна система. Инвестиционните стойности на различните алтернативи включват само разходи свързани с инсталацията за гореща вода на абонатна станция в нискоенергийна еднофамилна къща с нискотемпературно топлоподаване. Приема се, че отоплителната част на абонатната станция е една и съща за анализираната къща, независимо от инсталацията за гореща вода. Приема се, че всички възли за гореща вода имат 15 години икономически живот. При изчисленията за частните потребители се прави 6% сконто, а в социо-икономическите изчисления 3%.

Цените на топлинната и електрическата енергия за частни потребители се базират на последните данни от датския орган за енергийно регулиране (вижте Таблица 4). Цените за топлоснабдяване на домакинство включват само променливите разходи за топлинна енергия, тъй като къщата е присъединена към топлофикационна мрежа и определените годишни такси трябва да се плащат така или иначе.

Цените за топлоснабдяване в Дания варират в зависимост от топлофикационното дружества и са между 3 и 21 цента/kWh. За изчисленията бяха използвани минималната цена и средна цена. Цените на електро-енергията се ценовото ниво за абонати с годишно потребление 4000 kWh и включват таксите за енерго-разпределение и за емисии на СО2. Разходите за частни инвестиции и цените на енергията включват също и ДДС, което в Дания достига 25%. Социо-икономическите стойности на топлоенергията и електричеството (Таблица 4), както и ставките за емисии на СО2 (kg/GJ) от производството на топлинна и електрическа енергия са на база преценките на Датската агенция по енергетика.

Фигура 2. Анализирани концепции за БГВ с електрическо подгряване

Емисиите на СО2 се базират на производството на топлинна и електрическа енергия през 2011 год., докато социо-икономическите цени на енергията отразяват прогнозните стойности за топлинна и електрическа енергия през 2030 год.

Таблица 4. Цени на топлоенергията и електричеството

цента/kWhСреднаМин.
Цена топлоенергия, частни абонати8,43,0
Цена топлоенергия,социо-икономическа, 20303,5
Цена на тока, частни абонати30,3
Цена на тока, социо-икономическа, 203011,2

 

Главните резултати от изчисленията за необходимите топлинни и електрически мощности и ефективност на системата са обобщени в Таблица 5.

Таблица 5. Резултати от изчисленията на системи за БГВ на база микро-бустер термопомпа и електрически подгревател

Варианти с микро-бустер термопомпа и ел.подгревател
ADEF
Дебит ТИ, l/h8550650
Мощност, W1427498962017
Коефициент на преобразуване (COP)5,31,01,01,0
Ексергетична ефективност0,430,140,120,06
Обем на резервоара, l128128100100

Най-висока ексергетична ефективност на системата се постига при вариант А, където се използва термопомпа за повишаване на температурата на топло-фикационната вода. Същевременно при този вариант подаваната от топлофикационната мрежа енергия има най-висок дял в общата енергия за производство на гореща вода (93%), вижте Фигура 3. При другите варианти (D, E и F) има значително по-голям разход на електроенергия, което е нежелателно. Когато разходът на електроенергия е по-висок, ексергетичната ефективност е по-ниска. Този пример ясно илюстрира предимството на варианта с микро-бустер термопомпа – повишаването на разхода на енергия е умерено. Ако голяма част от електричеството се произвежда от вятърни централи и други непрекъсваеми технологии за възобновяема енергия, по-високият разход на електроенергия може да бъде приемлив, също и поради възможността да се осигури балансиране на електроснабдителната мрежа (тъй като топлофика-ционната вода след повишаването на температура ѝ или битовата гореща вода се съхраняват в резервоар, което допринася за гъвкаво потребление на електроенергията). Все пак, по-високият разход на електроенергия може да наложи подсилване на електроразпределителните мрежи, ако значителна част от потребителите например изберат вариант F.

Фигура 3. Разход на енергия в система за БГВ и ексергетична ефективност

От фигура 4, на база сегашното съотношение на източниците използвани за производство на топлинна и електрическа енергия може да се види, че вариантът с микробустер термопомпа причинява най-ниски годишни емисии на СО2. Разбира се емисиите от производството на топлинна енергия могат да бъдат значително по-малки, когато температурата на топлоносителя е по-ниска и се използват възобновяеми енергийни източници, като слънчева и геотермална енергия или биомаса. При електроенергията това зависи също и това дали използваните за производството му изкопаеми горива ще бъдат заменени с възобновяеми енергийни източници (напр. вятър или биомаса).

Фигура 4. Емисии на CO2, причинявани от различните алтернативи за производство на битова гореща вода.

Фигура 5. Годишни разходи за частните потребители при средна цена на топлинната енергия и 6 % лихва

Фигури 5 и фигура 6 показват годишните разходи при различните варианти за производство на гореща вода съответно при средни и минимални променливи цени на топлоенергията.

Фигура 6 Годишни разходи за частните потребители при минимална цена на топлоенергията и 6% лихва.

Инвестиционните вложения имат най-голям дял (55%) в годишните разходи, когато се избере алтернативният вариант с микробустер термопомпа. От друга страна, годишните експлоатационни разходи са високи, когато се монтират електрически водоподгреватели – между 62% и 93% от общите годишни разноски. От цифрите може да се види, че най-рентабилни са вариантите А и Е. При осреднена цена на топлоенергията (Фигура 5) вариант Е има най-ниски средногодишни разходи, които са съвсем малко по-ниски от тези при вариант А. При ниската цена на топлоенергията (Фигура 6) се намаляват

експлоатационните разходи за всички инсталации за гореща вода (с изключение на вариант F), но това е най-значително, когато се използва вариантът с микробустер термопомпа. Следователно, в такъв случай най-рентабилната алтернатива е вариант А.

Ако потреблението на гореща вода и по-ниско (напр. 1240 kWh/година) отколкото това използвано при изчисленията (3200 kWh/година), експлоатационните разходи намаляват и алтернативите с електрическо подгряване стават по-рентабилни от системата с термопомпа. Така, че инвестицията за микробустер термопомпа е от по-голяма полза при високо потребление на БГВ.

Фигура 7. Годишни социо-икономически разходи (цени към 2030 г.), 3% лихва

Общо взето, може да се направи заключение, че от особена важност е да се намалят инвестиционните разходи за микробустер термопомпата. Очевидно, използването на термопомпа в нискотемпературна топлофикационна абонатна станция още днес може да бъде рентабилно за частните абонати при потребление на гореща вода от около 3200 kWh/година. Когато погледнем резултатите от социо-икономическите изчисления с прогнозни цени на енергията за 2030 год. (Фигура 7) става ясно, че стойността на микробустер термопомпата трябва да се намали с приблизително една трета, за да може тази концепция да стане по-рентабилна от вариант Е в социо-икономически аспект. Възелът за гореща вода с микробустер термопомпа все още се намира на етап прототип, така че може да се очаква някакво намаление на стойността му.

Фигура 8 сравнява общия разход на енергия в нискоенергийна еднофамилна къща при различните системи за гореща вода. Тук потреблението на гореща вода е изчислено съгласно правилника заложен в наскоро приетата датска строителна наредба (Таблица 1) и е по-ниско от потреблението, използвано при изчисляване на разходите.

Фигура 8. Съпоставка на общия разход на енергия в сграда с енергийната рамка по BR 10

Единствено вариант А отговаря на енергийната рамка за сгради от нискоенергиен клас 2015. Причината е високият разход на електроенергия на алтернативите с електрическо подгряване, което в това изчисление е с тегловен коефициент 3 в сравнение с разхода на топлинна енергия. Затова днешната енергийно политика насърчава потреблението от топлофикационната мрежа и допринася за икономия на енергия в сградните инсталации. Следователно инсталацията за гореща вода базираща се на микробустер термопомпа е най-подходящата концепция при нискотемпературно (~40°C) топлоснабдяване съгласно датската строителна наредба.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статията се представят и сравняват различни концепции за производство на битова гореща вода при намаляване на подаваната температура в топлофикационната система до 40°C. Понижаването на топлофикационната температура предполага използване на допълнителен енергиен източник (електричество) за подготовката на БГВ. Сравняват се две основни концепции за използване на допълнителна енергия – способи базиращи се на термопомпа и на електрически подгревател.

Въз основа на направените изчисления може да се стигне до няколко основни заключения. С оглед на разходите не е съвсем ясно дали използването на термопомпа в системата за БГВ (вариант А) е най-изгодната концепция при сегашното ниво на технологията и цените на енергията за частни потребители или на база бъдещи обществено-икономически разходи. Конкурент на този вариант е технологията с комбинираното производство на БГВ в резервоар, използващо подаваната температура от мрежата и електрически подгревател (вариант Е). От друга страна, алтернативата с термопомпа намалява разхода на електроенергия с повече от 6 пъти,

което е сериозно предимство с оглед на очакваното по-бързо пакчване на цените на електричеството, в сравнение с цените на енергията от топлоснабди-телната мрежа. Изгодите от по-малкия разход на електроенергия се илюстрират от изчислените ексергетични ефективности на двете алтернативи (0,43 и 0,12 съответно за вариант А и Е), които отразяват разхода на първична енергия. Съгласно неотдавна влязлата в сила датска строителна наредба, системата за БГВ с микро термопомпа е най-добрата алтернатива, поради най-нискот консумация на електрическа енергия.

БЪДЕЩА РАБОТА

Като част от датския проект за разработване и демонстрация на енергийни технологии (EUDP 11-I, J. № 64011-0076), първият прототип на система за БВГ с микро-бустер термопомпа бе изработен по модела на вариант А. Лабораторните изпитания показаха, че е възможно да се постигне висок коефициент на преобразуване (СОР) на термопомпата и да се произвежда битова гореща вода с необходимата температура. Пет топлофикационни абонатни станции с микро-бустер термопомпа ще бъдат инсталирани в еднофамилни къщи присъединени към топлоснабдителна мрежа с подавана температура 40°С, за демонстриране на технологията през отоплителен сезон 2012/2013 година.

Докладът е разработен съвместно от Центъра  за топлофикационни приложения на Данфосс АД, Нордборг, Дания и Факултета по машиностроене в Техническия университет на Дания


 

Вижте също...