Теплопостачання на базі теплонасосних систем: техніко-економічна оптимізація у разі забору тепла з водотоків

Abstract

The paper examines the techno-economic aspects of implementing heat pump units (HPUs) in heating systems based on the utilization of low-grade heat (LGH) from natural water sources, particularly river watercourses. Heat pump systems can efficiently use natural resources to meet energy demands, which is a crucial factor in reducing energy consumption and minimizing environmental impact. The advantages of employing a closed-loop heat extraction system with a circulating antifreeze heat transfer fluid are substantiated, ensuring reliable system operation during winter and reducing the risk of ice formation in heat exchangers. Several design configurations of heat exchangers for extracting heat from aquatic environments are presented. These configurations enhance heat transfer efficiency and reduce hydraulic losses in the system. The study also analyzes the drawbacks of conventional bottom collectors made from polyethylene pipes, including their high material consumption, complex installation, and susceptibility to clogging, which ultimately reduces overall system efficiency. As an alternative, the use of tubular grates oriented perpendicular to the flow direction is proposed. This approach improves heat exchange, reduces hydraulic resistance, and enhances heat extraction efficiency by increasing the contact surface area between the heat transfer fluid and the water environment. Such a solution significantly reduces the system’s operational costs and ensures a more stable and reliable heating process. The research addresses key parameters such as hydraulic resistance, material costs, optimal heat transfer fluid selection, and other operational characteristics that impact the overall economic efficiency of the system. A techno-economic optimization problem for the heat exchanger design is formulated, considering two variables — pipe diameter and total pipe length. The optimization criterion is the minimization of the system’s payback period compared to a baseline option of direct electric heating. Mathematical model is developed to determine economically feasible design parameters for the heat exchanger, accounting for HPU performance, capital investment, and potential energy savings. Conclusions are drawn regarding the potential for widespread adoption of river-sourced heat pump systems in sustainable heating practices, highlighting their capacity to reduce energy costs and environmental impact.

Розглянуто техніко-економічні аспекти застосування теплонасосних установок (ТНУ) у системах теплопостачання, що ґрунтуються на використанні низькопотенційної теплоти (НПТ) з природних водних джерел, зокрема річкових водотоків. Теплонасосні системи здатні ефективно використовувати природні ресурси для забезпечення енергетичних потреб, що є важливим аспектом у контексті зниження енергетичних витрат та впливу на довкілля. Обґрунтовано переваги використання замкнутої схеми теплозабору з циркуляцією теплоносія з низькою температурою замерзання, що забезпечує надійність роботи системи у зимовий період та знижує ризик утворення льоду в теплообмінниках. Представлено конструктивні варіанти теплообмінників для вилучення теплоти з водного середовища, які дозволяють підвищити ефективність теплопередачі та зменшити гідравлічні втрати в системі. Проаналізовано недоліки традиційних донних колекторів з поліетиленових труб, зокрема їхню високу матеріаломісткість, складність монтажу, а також схильність до засмічення, що знижує ефективність системи в цілому. Як альтернативу запропоновано використання трубчастих ґраток, орієнтованих перпендикулярно до напрямку течії, що дозволяє поліпшити теплообмін, зменшити гідравлічні втрати і підвищити ефективність вилучення теплоти, завдяки збільшенню контактної площі між теплоносієм і водним середовищем. Цей підхід дозволяє значно знизити загальні витрати на експлуатацію системи та забезпечити сталий та надійний процес теплопостачання. Досліджено питання гідравлічного опору, вартості матеріалів, вибору оптимального теплоносія та інших важливих експлуатаційних характеристик, які суттєво впливають на загальну економічну ефективність системи. Сформульовано задачу техніко-економічної оптимізації конструкції теплообмінника з урахуванням двох змінних — діаметра труб та їхньої загальної довжини. Як критерій оптимізації вибрано мінімальний термін окупності системи порівняно з базовим варіантом прямого електрообігріву. Запропоновано методику, яка дозволяє визначити економічно доцільні конструктивні параметри теплообмінника, з урахуванням ефективності роботи ТНУ, капітальних витрат на впровадження системи та потенційні енергетичні заощадження. Підсумовано щодо перспектив широкого впровадження теплонасосних систем з водотоків у практику сталого теплопостачання, що дозволяє значно знизити енергетичні витрати та зменшити вплив на довкілля.