Моделирование гибридной системы теплоснабжения типовых сельских домов

Аннотация

Relevance: this article investigates the hybrid heating system (HHS) of a typical rural house, which consists of a combination of a traditional heating system with a boiler unit (BU), a hot water supply (HWS) with an electric water heater, and a system based on renewable energy sources (RES) such as a heat pump unit (HPU) and a solar collector (SC). In the proposed HHS, the main energy units based on RES are the vapor-compression heat pump unit (HPU) and the solar collector (SC). The main thermodynamic parameters of the HPU include heat output and the heating coefficient, while for the solar collector, the key indicators are heat output and collector efficiency. To determine these parameters for the object of study, an energy balance equation for the rural house with the HHS is proposed. Aim: is to model and study the hybrid heat supply system (HSS) of a typical rural house, which consists of a combination of a traditional heating system with a boiler unit (BU), hot water supply (HWS) with an electric water heater and a system based on renewable energy sources (HPU, SC). Methods: the work used methods of mathematical modeling, theoretical foundations of heat engineering, similarity theory, experimental study of heat exchange processes and generalization of experimental results. Results: the suggested mathematical model of the HHS for a typical rural house (1) allows for calculating the heat and electricity production and consumption, as well as the main thermodynamic characteristics for each hour of operation of the system’s key equipment. An analysis of the thermal balance of typical rural houses built in the Kashkadarya region revealed that for a typical rural house with a heating area of 144 m² and a heating volume of 432 m³, the average thermal load on the heating system is 13.8–14.0 kW, on the cooling system it is 10.1 kW, and on the hot water supply system it is 1.3 kW. The energy efficiency of using the HHS based on the HPU, according to our calculations, is 57–60%, meaning that the use of the HPU in heating systems for typical rural houses can reduce traditional fuel consumption by 1.57–1.60 times during the heating period. The use of the HPU in the heating period of a rural house with an area of 144 m² can save 1900 m³ of natural gas. With an average natural gas consumption in the heating period of 3300–4000 m³, the gas savings amount to 57–48%. The use of the SC results in savings of 33–27%, and the rational combination of “HPU + SC” provides savings of 75–90%.

Английская аннотация из статьи. Авторская аннотация воспроизводится на условиях лицензии CC BY-NC-ND 4.0. Аннотация дана на английском языке.

Ключевые слова

• гибридная система теплоснабжения
• тепловой насос «вода-вода»
• сельский дом
• солнечный коллектор
• экономия природного газа
• Кашкадарья

Простыми словами

Авторы из Каршинского инженерно-экономического института и Белорусского национального технического университета смоделировали гибридную систему теплоснабжения типового одноэтажного сельского дома в Кашкадарьинской области. Она объединяет котел, электроводонагреватель для горячего водоснабжения, парокомпрессионный тепловой насос и солнечные коллекторы; электроэнергию дают фотоэлектрическая батарея мощностью 5,0 кВт и площадью 25 м² и сеть. Почасовой энергетический баланс связывает нагрузки отопления и ГВС с теплотой от каждой установки с учетом температуры наружного воздуха и солнечной радиации в Каршинском районе за отопительный период.

Отапливаемая площадь дома — 144 м², объем — 432 м³, расчетная температура наружного воздуха −13 °C, нагрузка на отопление 14,0 кВт (97,2 Вт/м²); нагрузка ГВС 1,3 кВт, охлаждения — 10,1 кВт. Выбран тепловой насос «вода-вода» Mammoth J036WLE с теплопроизводительностью 13–14 кВт, потреблением электроэнергии на нагрев 3,67 кВт и коэффициентом преобразования 3,6–4,0; при 4,0 он дает 14,68 кВт.

При коэффициенте преобразования 4,0 по сравнению с котлом с КПД 85% тепловой насос экономит 0,74 кг условного топлива в час, а за отопительный период в 132 суток — 2 344,2 кг условного топлива (1 860–1 900 м³ природного газа). При сезонном расходе газа 3 300–4 000 м³ это экономия 57–48%; солнечные коллекторы площадью 28 м² экономят 33–27%, тепловой насос вместе с коллекторами — 75–90%. Энергетическую эффективность системы на базе теплового насоса авторы оценивают в 57–60%, что сокращает расход традиционного топлива в 1,57–1,60 раза. Стендовые испытания небольшого теплового насоса «вода-вода» в Карши дали коэффициенты преобразования 2,1–3,5 при температуре исходной воды 5–20 °C.

Как цитировать

G. N. Uzoqov, V. A. Sednin, B. M. Toshmamatov and B. I. Kamolov (2024). Modeling of a hybrid heat supply system for typical rural houses. Energiya va resurs tejash muammolari (Problems of Energy and Sources Saving), No. 4, 2024, pp. 132–140. https://doi.org/10.5281/zenodo.14580513