vestvfuВестник Северо-Восточного федерального университета имени М. К. АммосоваVestnik of North-Eastern Federal University2222-54042587-5620Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова10.25587/SVFU.2023.66.41.003vestvfu-345Research ArticleФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИPHYSICAL SCIENCESРасчет цикла теплового насоса при различных источниках низкопотенциального тепла в условиях Арктики Республики Саха (Якутия)Calculation of the heat pump cycle with various sources of low-grade heat in the conditions of the Arctic of the Republic of Sakha (yakutia)РеевВ. Г.ReevV. G.

РЕЕВ Василий Георгиевич – аспирант; ведущий инженер

г. Якутск

REEV Vasiliy Georgievich – post-graduate student; leading engineer of the electric power department 

Yakutsk

rvg_1998@mail.ruГунасекараУ. Д. С.GunasekaraU. J. S.

УТУМ Джамаял Сулакна Гунасекара – магистрант 2 курса

г. Санкт-Петербург

UTHUM Jamal Sulakna Gunasekara – 2nd year Master's student

St. Petersburg

uthumgunasekara@yandex.ruСеверо-восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова; Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. ЛарионоваРоссияM.K. Ammosov North-Eastern Federal University; V.P. Larionov Institute of the Physical-Technical Problems of the NorthRussian FederationСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityRussian Federation20231007202320225–34Copyright © Реев В.Г., Гунасекара У.С., 20232023Реев В.Г., Гунасекара У.С.Reev V.G., Gunasekara U.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestvfu.elpub.ru/jour/article/view/345

На сегодняшний день в мире растет тенденция на внедрение тепловых насосов в системы теплоснабжения. Тепловой насос за счет способности использования в качестве источника низкопотенциальное тепло имеет высокие параметры энергоэффективности. В связи с этим расчет цикла теплового насоса при различных источниках низкопотенциального тепла является важной задачей при оценке целесообразности внедрения теплового насоса в изолированные системы энергоснабжения в арктических территориях Республики Саха (Якутия). В работе рассмотрены три источника: грунт, водоем и воздух с температурами -5 ºC, 2 ºC, 5 ºC соответственно. Предложено использование схемы теплового насоса с промежуточным теплообменником для дополнительного роста эффективности. В качестве рабочего тела выбран фреон марки R134a, входящий в группу озонобезопасных. Проведены расчеты термодинамических параметров цикла работы теплового насоса с промежуточным теплообменником. Из полученных данных расчета построены графики цикла фреона в p,h-диаграмме. Построен график зависимости коэффициента трансформации электроэнергии (COP) от температуры низкопотенциального источника тепла. Выявлено, что при различных источниках низкопотенциальной теплоты значение коэффициента трансформации электроэнергии (COP) остается больше 1, что соответствует эффективному режиму работы. Так же максимальное значение коэффициента трансформации электроэнергии (COP), равное 2,5, достигается при использовании в качестве источника низкопотенциальное тепло воздуха с температурой +5 ºC. Исходя из расчетов наблюдается зависимость коэффициента трансформации электроэнергии (COP) от температуры низкопотенциального тепла. Связано это с затратами на работу сжатия в компрессоре, а именно на затраты энергии на электропривод. Показана техническая целесообразность внедрения теплового насоса в изолированные системы энергоснабжения арктических районов Якутии.

To date, there is a growing trend in the world to introduce heat pumps into heat supply systems. Due to the ability to use low-potential heat as a source, the heat pump has high energy efficiency parameters. In this regard, the calculation of the heat pump cycle with various sources of low-potential heat is an important task in assessing the feasibility of introducing a heat pump into isolated power supply systems in the Arctic territories of the Republic of Sakha (Yakutia). The paper considers three sources: soil; pond and air with temperatures of -5 °C, 2 °C, 5 °C, respectively. The use of a heat pump circuit with an intermediate heat exchanger is proposed for an additional increase in efficiency. Freon of the R134a brand, which is part of the ozone-safe group, was selected as the working medium. Calculations of thermodynamic parameters of the cycle of operation of a heat pump with an intermediate heat exchanger are carried out. From the obtained calculation data, graphs of the freon cycle in the p,h –diagram are constructed. A graph of the dependence of the electric power transformation coefficient (COP) on the temperature of a low-potential heat source is constructed. It is revealed that for various sources of low-potential heat, the value of the electric power transformation coefficient (COP) remains greater than 1, which corresponds to the effective mode of operation. Also, the maximum value of the electric power transformation coefficient (COP) equal to 2.5 is achieved when using low-potential air heat with a temperature of +5 ° C as a source. Based on the calculations, the dependence of the electric power transformation coefficient (COP) on the temperature of low-potential heat is observed. This is due to the costs of compression operation in the compressor, namely the energy costs of the electric drive. The technical feasibility of introducing a heat pump into isolated power supply systems of the Arctic regions of Yakutia is shown.

тепловой насосфреонсистема отопленияиспарительконденсаторэнергоснабжениепромежуточный теплообменникконденсациякомпрессортрансформация электроэнергииизолированные энергосистемыэнергосбережениеheat pumpfreonheating systemevaporatorcondenserpower supplyintermediate heat exchangercondensationcompressorpower conversionisolated power systemsenergy savingReferencesАльзаккар, А. М. Н. Разработка и исследование гибридной электростанции КЭ-650 для отдаленных потребителей электроэнергии в условиях Севера и Арктики / А. М. Н. Альзаккар, Н. П. Местников, Ф. Х. Алхадж // Проблемы и перспективы развития электроэнергетики и электротехники: Материалы III Всероссийской научно-практической конференции. – Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2021. – С. 365-370.Alzakkar, A. M. N. (2021). Development and research of a hybrid power plant KE-650 for remote consumers of electricity in the conditions of the North and the Arctic. In: A. M. N. Alzakkar, N. P. Mestnikov, F. Kh. Alkhaj (eds.) Problems and prospects for the development of the electric power industry and electrical engineering: Proceedings of the III All-Russian Scientific and Practical Conference. Kazan: Kazan State Energy University, pp. 365-370. (In Russ.)Глотов, А. В. Проблемы и перспективы развития изолированных энергосистем дальнего востока: на примере энергосистемы Республики Саха (Якутия) / А.В. Глотов, А.А. Меркульева // Вестник МФЮА. – 2017. - № 1. – С. 55-64.Glotov, A. V. (2017). Problems and prospects for the development of isolated energy systems of the Far East: on the example of the energy system of the Republic of Sakha (Yakutia). MFYuA. Bulletin. No. 1, pp. 55-64. (In Russ.)Реев, В. Г. Энергоснабжение Арктических районов Республики Саха (Якутия) / В. Г. Реев, П. Ф. Васильев // Энергетические системы: Материалы VI Международной научно-технической конференции. – Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2022. – С. 40-44.Reev, V. G. (2022). Energy supply of the Arctic regions of the Republic of Sakha (Yakutia). In: V. G. Reev, P. F. Vasiliev (eds.) Energy systems: Proceedings of the VI International scientific and technical conference. Belgorod: Belgorod State Technological University, pp. 40-44. (In Russ.)Местников, Н. П. Разработка способа повышения энергоэффективности фотоэлектрической солнечной установки в условиях Севера / Н. П. Местников, А. М. Н. Альзаккар // XVI Всероссийская открытая молодежная научно-практическая конференция «Диспетчеризация и управление в электроэнергетике». – Казань : "Бриг", 2022. – С. 67-69.Mestnikov, N. P. (2022). Development of a method for improving the energy efficiency of a photovoltaic solar installation in the conditions of the North. In: N. P. Mestnikov, A. M. Alzakkar (eds). XVI All-Russian Open Youth Scientific and Practical Conference "Scheduling and Management in the Electric Power Industry". Kazan : Brig, 2022, pp. 67-69. (In Russ.)Трубаев, П. А. Тепловые насосы : учебное пособие для студентов высших учебных заведе- ний, обучающихся по специальности 140105 «Энергетика теплотехнологий» направления подготовки 140100 «Теплоэнергетика» / П. А. Трубаев, Б. М. Гришко. – Белгород: БГТУ им. В. Г. Шу- хова, 2010. – 142 с.Trubaev, P. A. (2010). Heat pumps: textbook for students of higher educational institutions studying on specialty 140105 "Energy of heat technologies" field of study 140100 "Heat power engineering". Belgorod: BSTU im. V. G. Shukhova, pp. 142 p. (In Russ.)Гритчин, Р. Д. Воздушный тепловой насос как эффективный источник тепла для жилого дома / Р. Д. Гритчин, Д. И. Иванков // Молодой ученый. — 2016. — № 8 (112). — С. 199-202.Gritchin, R. D., Ivankov D.I. (2016). Air heat pump as an effective source of heat for a residential building. Young scientist. No. 8 (112). pp. 199-202.CoolPack: [сайт]. – Вирум, 2023. – URL: https://www.ipu.dk/products/coolpack/ (дата обращения 02.02.2023).CoolPack, (2023) [online]. Virum, Available from: https://www.ipu.dk/products/coolpack/ (Accessed 02.02.2023). (In Russ.)Манзарханова, Л. М. Исследование систем отопления и горячего водоснабжения с целью выявления оптимальных значений температур в тепловой сети / Л.М. Манзарханова // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2015. – № 6 (101). – С. 93–98.Manzarkhanova, L. M. (2015). Study of heating and hot water supply systems in order to identify the optimal values of temperatures in the heating network. Bulletin of the Irkutsk State Technical University. No. 6 (101). pp. 93–98. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.