Имитационная модель работы теплонасосной установки в системе отопления в условиях Челябинской области

Одно из основных энергосберегающих мероприятий в системе отопления и горячего водоснабжения не только в мире, но и в России стало внедрение теплонасосных установок, использующих низкопотенциальную энергию грунтов, грунтовых вод и т.п. Использование практически неиссекаемой низкопотенциальной энергии в объектах теплоснабжения обеспечивает экономию топливно-энергетические ресурсы.

Челябинская область относится к Уральской зоне аномально низкого (<30 мВт/м2) теплового потока, т.е. не обладает запасами глубинных термальных вод в отличие от соседних регионов (Башкирия, Тюменская область) [1]. Территория горного Урала, являющаяся областью формирования поверхностного и подземного стоков, характеризуется развитием исключительно холодных подземных вод. Температура их до глубины 300–400 м обычно составляет 5–7ºС и даже на глубинах до 1000 м не поднимается выше 9ºС. В целом по Зауралью зона холодных вод распространена до глубины 450–500 м. Зона слаботермальных вод распространяется до глубин 1100–1200 м с температурами не выше 50ºC [2].

Для определения возможности использования низкопотенциальной тепловой энергии грунта и подземного стока, оценки выбора элементов теплонасосной установки в климатических и геологических условиях Челябинской области был осуществлен прямой натурный эксперимент на базе ООО КЭП «Лаборатория вариаторов», но прямой эксперимент не позволяет изменить многие параметры установки без дополнительных материальных и временных затрат. Поэтому на основе результатов прямого эксперимента и теоретических исследований была создана имитационная модель теплонасосной установки, позволяющая воспроизводить алгоритм («логику») функционирования исследуемой системы во времени при различных сочетаниях значений параметров системы и внешней среды.

Для создания имитационной модели была использована программа Simulink, являющаяся приложением к пакету MATLAB [3]. При моделировании с использованием Simulink реализуется принцип визуального программирования, в соответствии с которым пользователь на экране из библиотеки стандартных блоков создает модель устройства и осуществляет расчеты. При этом, в отличие от классических способов моделирования, пользователю не нужно досконально изучать язык программирования и численные методы математики, а достаточно общих знаний, требующихся при работе на компьютере и, естественно, знаний той предметной области, в которой он работает.

Соответственно, технология компьютерного моделирования предполагает выполнение следующих действий [4]:

• -    определение цели моделирования;

• -    разработка концептуальной модели;

• -    формализация модели;

• -    программная реализация модели ;

• -    реализация плана эксперимента;

• -    анализ и интерпретация результатов моделирования.

Цель имитационного моделирования теплонасосной установки – это создание модели работы теплового насоса совместно со всеми процессами, касающимися преобразования первичной низкопотенциальной энергии в энергию полезную потребителю.

Для этого была создана концептуальная модель теплового насоса, состоящая из блоков. Каждому блоку соответствует какой-либо из элементов теплонасосной установки (рис.1). Элементы описываются математическими формулами или зависимостями в соответствии с процессами, проходящими в том или ином блоке.

Блок №1 задает изменение температуры окружающей среды, внутреннюю температуру помещения, теплопроводность ограждающих конструкций с учетом их материалов.

Блок 1

Площади ограждающих конструкций

Материалы ограждающих конструкций

Температура окружающей среды (изменение)

В1 ---►

Выбор конденсатора

Выбор компрессора

Расчет и выбор основных элементов теплонаносной установки

Блок 3

Основные элементы теплонаносной установки

Мощность потребляемая ТНУ

Тепловая нагрузка на низкопотенциальный источник тепла

Выбор испарителя

Температуры внутри помещения

Блок 4

Взаимодействие теплового насоса и низкопотенциального источника тепла

Рис. 1. Блок схема имитационной модели теплового насоса для условий Челябинской области

Блок №2 производит расчет теплового баланса помещения и определяет необходимую мощность системы отопления.

Блок №3 производит расчет и выбор основных элементов теплонасосной установки.

Результатом блока №3 также является выбор наиболее важных параметров системы отопления: мощности, потребляемой тепловым насосом, и хладопроизводительности теплонасосной установки.

Блок № 4 позволяет смоделировать в динамике совместную работу теплового насоса и источника низкопотенциальной энергии в зависимости от значений температуры наружного воздуха.

Результатом блока №4 является выбор необходимых параметров установки для добычи низкопотенциальной энергии: длины скважины, площади погружного теплообменника. Работа блока № 4 стала возможной только после проведенных теоретических исследований и натурного эксперимента.

Следующим элементом модели теплового насоса являются взаимосвязи (В1, В2), они при помощи математических формул описывают влияние блоков друг на друга.

Чем больше блоков описывает модель и чем точнее подобранно математическое описание взаимосвязей блоков, тем меньше погрешность конечных результатов. Адекватность модели проверяется на любом этапе моделирования.

При моделировании пользователь может выбирать метод решения дифференциальных уравнений, а также способ изменения модельного времени (с фиксированным или переменным шагом). В ходе моделирования имеется возможность следить за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные устройства наблюдения, входящие в состав библиотеки Simulink. Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц (рис. 2).

Рис. 2. Результат имитационного моделирования теплонасосной установки

При выборе теплового насоса в системе отопления в первую очередь рассматривались установки Viessmann и Stiebel Eltro, на поставках которых специализируются большинство фирм России. Эти тепловые насосы используют схему с промежуточным теплоносителем совместно со скважиной, что приводит к дополнительным затратам энергии для перекачки промежуточного теплоносителя. Авторами предложена схема, использующая принцип прямого кипения, т.е. теплообменником-испарителем является непосредственно теплообменник-труба, погруженный в скважину [5].

Имитационное моделирование позволило в значительной мере сократить время, затрачиваемое на расчеты, и повысило точность инженерно-технических изысканий при проектировании систем отопления с использованием теплонасосных установок для условий Челябинской области.