energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2018-61-4-372-380energy-1250Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGСпособы улучшения обработки воды и повышения энергетических характеристик теплового насоса типа «вода – воздух»The Means to Improve Water Treatment and to Enhance Power Engineering Performance of the Water Source Heat PumpДжунусоваЛ. Р.JunussovaL. R.

Адрес для переписки Джунусова Ляззат Рысхановна – Алматинский университет энергетики и связи, ул. Байтурсынова, 126, 050013, г. Алматы, Республика Казахстан. Тел.: +375 727 292-03-03    l_dzhunusova@mail.ru

Address for correspondence: Junussova Lyazzat R. – Almaty University of Power Engineering and Telecommunications 126 Baitursynov str., 050013, Almaty, Republic of Kazakhstan. Tel.: +375 727 292-03-03    l_dzhunusova@mail.ru

l_dzhunusova@mail.ruАбильдиноваС. К.AbildinovaS. K.АлияроваМ. Б.AliyarovaM. B.ЧичеринС. В.ChicherinS. V.ДжунусовТ. Ж.JunussovT. Ja.Алматинский университет энергетики и связиКазахстанAlmaty University of Power Engineering and TelecommunicationsKazakhstanОмский государственный университет путей сообщенияРоссияOmsk State Transport UniversityRussian FederationАлматинский технологический университетКазахстанAlmaty Technological UniversityKazakhstan201820072018614372380Copyright © Джунусова Л.Р., Абильдинова С.К., Алиярова М.Б., Чичерин С.В., Джунусов Т.Ж., 20182018Джунусова Л.Р., Абильдинова С.К., Алиярова М.Б., Чичерин С.В., Джунусов Т.Ж.Junussova L.R., Abildinova S.K., Aliyarova M.B., Chicherin S.V., Junussov T.J.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/1250

Выполнено научно-теоретическое обоснование энергетических характеристик теплового насоса, напрямую зависящих от качества подготовленной воды, для надежной и бесперебойной работы испарителя теплового насоса и компрессора. На основе экспериментальных данных рассчитаны энергетические показатели теплового насоса. Рассмотрен способ комбинированной технологии работы теплового насоса типа «вода – воздух», эффективность которой основана на предварительном улучшении качества умягченной воды с помощью мембранной ультрафильтрационной установки. Такое решение позволило уменьшить нагрузку на фильтры и исключить использование химических реагентов, применяемых в классических схемах водоподогревательных установок. В целях усовершенствования работы компрессора теплового насоса предложен метод, основанный на изменении скорости вращения вала с помощью электронных микропроцессорных устройств. Для регулирования производительности компрессора использован частотный преобразователь, обладающий широким диапазоном изменения частоты переменного тока. Исследованы интервалы изменения частоты переменного тока, соответствующие энергоэффективным значениям коэффициента преобразования энергии теплового насоса. Полученные в ходе экспериментов и определенные расчетным путем значения коэффициента преобразования энергии теплового насоса согласуются между собой в пределах погрешностей эксперимента с регулированием производительности компрессора. Предложенная экспериментальная установка позволила определить зависимость основных характеристик блока теплонасосной установки от числа оборотов компрессора и найти эффективный диапазон его регулирования (50–180 %). Разработка усовершенствованных технологий для очистки природных вод в условиях повышенных антропогенных нагрузок на природные источники воды является приоритетной среди фундаментальных и прикладных исследований в области водоподготовки.

The subject matter of the paper is related to scientific-and-theoretical basis of power engineering characteristics of heat pump directly depending on the quality of treated water for reliable and uninterrupted operation of heat pump evaporator and compressor. On the basis of experimental data, energy parameters of the heat pump are calculated. The method of the combined technology of the heat pump “water – air” operation is considеred, the efficiency of which is based on the preliminary improvement of the quality of water softened with the use of a membrane ultrafiltration unit. This solution made it possible to reduce the load on the filters and to exclude the use of chemical reagents used in the classical schemes of water heating facilities. In order to improve the operation of the heat pump compressor, a method based on altering the speed of rotation of the shaft by means of electronic microprocessor devices has been proposed. To regulate the compressor performance, a frequency converter with a wide range of alternating current frequency is used. The intervals of alteration of frequency of the alternating current corresponding to energy-efficient values of coefficient of transformation of energy of the heat pump are investigated. The values of the energy conversion coefficient of the heat pump obtained in the course of experiments and determined by calculation are consistent within the experimental errors with the regulation of the compressor performance. The suggested experimental device made it possible to determine the dependence of the main characteristics of the unit of the heat pump unit on the number of revolutions of the compressor and to find out an effective range of its control (50–180 %). The development of advanced technologies for natural water treatment under conditions of increased anthropogenic loads on natural water sources is a priority one among the fundamental and applied research in the field of water treatment.

теплоснабжениенадежностьэффективностьтепловой насосопреснениеультрафильтрационная установкакомпрессорконденсаториспарительчастотный преобразовательфреонгрунтовая водамембранаdistrict heatingreliabilityefficiencyheat pumpdesalinationultrafiltration unitcompressorcondenserevaporatorfrequency converterfreonunderground watermembraneПравительство Российской ФедерацииReferencesKrishnamoorthy, S. Efficiency Optimization of a Variable-Capacity/Variable-Blower-Speed Residential Heat-Pump System with Ductwork / S. Krishnamoorthy, M. Modera, C. Harrington // Energy and Buildings. 2017. Vol. 150. Р. 294–306. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.05.066.Krishnamoorthy S., Modera M., Harrington C. (2017) Efficiency Optimization of a Variable-Capacity/Variable-Blower-Speed Residential Heat-Pump System with Ductwork. Energy and Buildings, 150, 294–306. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.05.066.Study on Optimization of Underground Water Source Heat Pump / Z. Kang [et al.] // Procedia Engineering. 2017. Vol. 205. Р. 1691–1697. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.353.Kang Z., Zhou X., Zhao Y., Wang R., Wang X. (2017) Study on Optimization of Underground Water Source Heat Pump. Procedia Engineering, 205, 1691–1697. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.353.Многотемпературный тепловой насос с каскадным включением компрессоров / М. Л. Шит [и др.] // Проблемы региональной энергетики. 2017. Т. 34, № 2. С. 90–97.Shit M. L., Starikov A. V., Zhuravlev A. A., Timchenko D. V. (2017) Multi-Temperature Heat Pump with Cascade Compressor Connection. Problemy Regional'noi Energetiki [Problems of the Regional Energetics], 34 (2), 90–97 (in Russian).Optimal Operation, Configuration and Sizing of Generation and Storage Technologies for Residential Heat Pump Systems in the Spotlight of Self-Consumption of Photovoltaic Electricity / T. Beck [et al.] // Applied Energy. 2017. Vol. 188. Р. 604–619. https://doi.org/0.1016/j. apenergy.2016.12.041.Beck T., Kondziella H., Huard G., Bruckner T. (2017) Optimal Operation, Configuration and Sizing of Generation and Storage Technologies for Residential Heat Pump Systems in the Spotlight of Self-Consumption of Photovoltaic Electricity. Applied Energy, 88, 604–619. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.12.041.Design of Serially Connected District Heating Heat Pumps Utilising a Geothermal Heat Source / J. K. Jensen [et al.] // Energy. 2017. Vol. 137. Р. 865–877. https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.03.164.Jensen J. K., Ommen T., Markussen W. B., Elmegaard B. (2017) Design of Serially Connected District Heating Heat Pumps Utilising a Geothermal Heat Source. Energy, 137, 865–877 https://doi.org/10.1016/j.energy.2017.03.164.Heat Roadmap Europe: Large-Scale Electric Heat Pumps in District Heating Systems / A. David [et al.] // Energies. 2017. Vol. 10, No 4. Р. 1–18. https://doi.org/10.3390/en10040578.David A., Mathiesen B. V., Averfalk H., Werner S., Lund H. (2017) Heat Roadmap Europe: Large-Scale Electric Heat Pumps in District Heating Systems. Energies, 10 (4), 1–18. https://doi.org/10.3390/en10040578.Large Heat Pumps in Swedish District Heating Systems / H. Averfalk [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 79. Р. 1275–1284. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.135.Averfalk H., Ingvarsson P., Persson U., Gong M., Werner S. (2017) Large Heat Pumps in Swedish District Heating Systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 79, 1275–1284. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.135.Simulation, Implementation and Monitoring of Heat Pump Load Shifting Using a Predictive Controller / J. Allison [et al.] // Energy Conversion and Management. 2017. Vol. 150. Р. 890–903. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.04.093.Allison J., Cowie A., Galloway S., Hand J., Kelly N. J., Stephen B. (2017) Simulation, Implementation and Monitoring of Heat Pump Load Shifting Using a Predictive Controller. Energy Conversion and Management, 150, 890–903. https://doi.org/10.1016/j.enconman. 2017.04.093.Чичерин, С. В. Методика планирования нагрузок системы централизованного теплоснабжения / С. В. Чичерин, С. В. Глухов // Градостроительство и архитектура. 2017. Т. 7, № 3. С. 129–136. https://doi.org/10.17673/Vestnik.2017.03.22.Chicherin S. V., Glukhov S. V. (2017) Centralized Heat Supply System and Techniques of Planning its Loads. Gradostroitel'stvo i Arkhitektura [Urban Construction and Architecture], 7, (3), 129–136 (in Russian). https://doi.org/10.17673/vestnik.2017.03.22.Тепловые насосы для ТЭЦ и теплофикационных ПГУ: «территория заблуждений» и направления развития / В. Е. Михайлов [и др.] // Энергетик. 2017. № 3. С. 7–12.Mikhailov V. E., Vertkin M. A., Kolpakov S. P., Kruglikov P. A., Sukhorukov Yu. G. (2017) Heat Pumps for CHP Plants: “the Areas of the Misconceptions” and Further Development. Energetik [Energetik], (3), 7–12 (in Russian).Чичерин, С. В. О вопросах реконструкции систем теплоснабжения в городах России и стран СНГ / С. В. Чичерин // БСТ: Бюллетень строительной техники. 2017. Т. 997, № 9. С. 34–35.Chicherin S. V. (2017) On the Problems of Reconstruction of Systems of Heat Supply in the Cities of Russia and CIS Countries. BST – Byulleten' Stroitel'noi Tekhniki [ BST – Bulletin of Construction Equipment], 997 (9), 34–35 (in Russian).Janghorban Esfahani, I. Evaluation and Optimization of a Multi-Effect EvaporationAbsorption Heat Pump Desalination Based Conventional and Advanced Exergy and Exergoeconomic Analyses / I. Janghorban Esfahani, S. Lee, C. Yoo // Desalination. 2015. Vol. 359. Р. 92–107. https://doi.org/10.1016/j.desal.2014.12.030.Janghorban Esfahani I., Lee S., Yoo C. (2015) Evaluation and Optimization of a Multi-Effect Evaporation-Absorption Heat Pump Desalination Based Conventional and Advanced Exergy and Exergoeconomic Analyses. Desalination, 359, 92–107. https://doi.org/10.1016/j.desal.2014.12.030.Comparative Assessment of Different Categories of Absorption Heat Transformers in Water Desalination Process / K. Parham [et al.] // Desalination. 2016. Vol. 396. Р. 17–29. https://doi.org/10.1016/j.desal.2016.05.031.Parham K., Khamooshi M., Daneshvar S., Assadi M., Yari M. (2016) Comparative Assessment of Different Categories of Absorption Heat Transformers in Water Desalination Process. Desalination, 396, 17–29. https://doi.org/10.1016/j.desal.2016.05.031.Stormwater Management by Microfiltration and Ultrafiltration Treatment / A. D. Ortega Sandoval [et al.] // Journal of Water Process Engineering. 2017. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2017.07.018.Ortega Sandoval A. D., Vandré Barbosa Brião, Vera Maria Cartana Fernandes, Augusto Hemkemeier, Maria Tereza Friedrich (2017) Stormwater Management by Microfiltration and Ultrafiltration Treatment. Journal of Water Process Engineering. https://doi.org/10.1016/j. jwpe.2017.07.018.Šarevski, M. N. Thermal Characteristics of High-Temperature R718 Heat Pumps with Turbo Compressor Thermal Vapor Recompression / M. N. Šarevski, V. N. Šarevski // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 117. Р. 355–365. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng. 2017.02.035.Šarevski M. N., Šarevski V. N. (2017) Thermal Characteristics of High-Temperature R718 Heat Pumps with Turbo Compressor Thermal Vapor Recompression. Applied Thermal Engineering, 117, 355–365. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.02.035.Шит, М. Л. Система автоматической стабилизации давления перед испарителями в многофункциональном тепловом насосе / М. Л. Шит, А. А. Журавлев // Проблемы региональной энергетики. 2017. Т. 33, № 1. С. 93–99.Shit M. L., Zhuravlev A. A. (2017) Automatic Pressure Stabilization in Front of the Evaporators in the Multifunctional Heat Pump. Problemy Regional'noi Energetiki [Problems of Regional Power Engineering], 33 (1), 93–99 (in Russian).Leonzio, G. Mathematical Model of Absorption and Hybrid Heat Pump / G. Leonzio // Chinese Journal of Chemical Engineering. 2017. Vol. 25, No 10. Р. 1492–1504. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2017.06.015.Leonzio G. (2017) Mathematical Model of Absorption and Hybrid Heat Pump. Chinese Journal of Chemical Engineering, 25 (10), 1492–1504. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2017.06.015.Experimental Study of Enhancing Heating Performance of the Air-Source Heat Pump by Using a Novel Heat Recovery Device Designed for Reusing the Energy of the Compressor Shell / B. Huang [et al.] // Energy Conversion and Management. 2017. Vol. 138. Р. 38–44. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.01.061.Huang Bi, Jian Q., Luo L., Zhao J. (2017) Experimental Study of Enhancing Heating Performance of the Air-Source Heat Pump by Using a Novel Heat Recovery Device Designed for Reusing the Energy of the Compressor Shell. Energy Conversion and Management, 138, 38–44. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.01.061.Ганеев, Р. Ш. Компьютерное исследование эксергетического коэффициента полезного действия контура теплового насоса с аппроксимацией термодинамических свойств фреона R407C / Р. Ш. Ганеев, Э. Н. Самигуллина, Р. Ф. Маннанова // Вестник Московского энергетического института. 2017. № 1. С. 6–12.Ganeev R. Sh., Samigullina E. N., Mannanova R. F. (2017) Computer Study of the Exergy Efficiency of the Heat Pump Circuit with Approximation of Thermodynamic Properties of Freon R407C. Vestnik Moskovskogo Energeticheskogo Instituta = MPEI Vestnik, (1), 6–12 (in Russian).A Comprehensive Approach to Find the Performance Map of a Heat Pump Using Experiment and Soft Computing Methods / M. H. Moradi [et al.] // Energy Conversion and Management. 2017. Vol. 153. Р. 224–242. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.09.070.Moradi M. H., Sohani A., Zabihigivi M., Wirbser H. (2017) A Comprehensive Approach to Find the Performance Map of a Heat Pump Using Experiment and Soft Computing Methods. Energy Conversion and Management, 153, 224–242. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.09.070.Techno-Economic Analysis of Air Source Heat Pump Applied for Space Heating in Northern China / Q. Zhang [et al.] // Applied Energy. 2017. Vol. 207. Р. 533–542. https://doi.org/10 1016/j.apenergy.2017.06.083.Zhang Q., Zhang L., Nie J., Li Y. (2017) Techno-Economic Analysis of Air Source Heat Pump Applied for Space Heating in Northern China. Applied Energy, 207, 533–542. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.06.083 apenergy.2017.06.083.A High-Efficient Centrifugal Heat Pump with Industrial Waste Heat Recovery for District Heating / B. Hu [et al.] // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 125. Р. 359–365. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.07.030.Hu B., Liu H., Wang R.Z., Li H., Zhang Z., Wang S. (2017) A High-Efficient Centrifugal Heat Pump with Industrial Waste Heat Recovery for District Heating. Applied Thermal Engineering, 125, 359–365. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.07.030.Amoabeng, K. O. A Study on the Performance Characteristics of a Testing Facility for a Water-to-Water Heat Pump / K. O. Amoabeng, K. H. Lee, J. M. Choi // International Journal of Refrigeration. 2018. Vol. 86. P. 113–126. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2017.11.013.Amoabeng K. O., Lee K. H., Choi J. M. A (2018) Study on the Performance Characteristics of a Testing Facility for a Water-to-Water Heat Pump. International Journal of Refrigeration, 86, 113–126. https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2017.11.013.Numerical Study on the Optimal Design of Injection-Hole Geometries of a Twin Rotary Compressor in a Liquid Injection Heat Pump / Y. Jeon [et al.] // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 113. Р. 1178–1188. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.11.115.Jeon Y., Sang Hun Lee, Kim W., Jung J., Kim Y. (2017) Numerical Study on the Optimal Design of Injection-Hole Geometries of a Twin Rotary Compressor in a Liquid Injection Heat Pump. Applied Thermal Engineering, 113, 1178–1188. https://doi.org/10.1016/j. applthermaleng. 2016.11.115.Математическая модель теплового расчета конденсаторов тепловых насосов, использующих в качестве рабочих агентов неазеотропные смеси предельных углеводородов / А. П. Усачев [и др.] // Научно-технические проблемы совершенствования и развития систем газоэнергоснабжения. 2017. Т. 1, № 1. С. 123–128.Usachev A. P., Rulev A .V., Usacheva E. Yu., Somov N. O. (2017) Mathematical Model of Heat Calculation of Heat Pump Condensers Using Non-Azeotropic Mixtures of Saturated Hydrocarbons as Working Agents. Nauchno-Tekhnicheskie Problemy Sovershenstvovaniya i Razvitiya Sistem Gazoenergosnabzheniya [Scientific and Technical Problems of Improvement and Development of Gas and Energy Supply Systems], 1 (1), 123–128 (in Russian).Коваленко, Н. В. Тепловые насосы для отопления железнодорожных объектов / Н. В. Коваленко, Е. Н. Пирогов, В. А. Семеновых // Путь и путевое хозяйство. 2017. № 6. С. 32–35.Kovalenko N., Pirogov E., Semenovih V. (2017) Heat Pumps for Heating Rail Services. Put' i Putevoe Khozyaistvo = Railway Track and Facilities, 6, 32–35 (in Russian).Чичерин, С. В. Наружная коррозия как основная причина повреждаемости тепловых сетей и способы защиты от нее / С. В. Чичерин // Вестник Московского энергетического института. 2017. № 4. С. 50–54. https://doi.org/10.24160/1993-6982-2017-4-50-54.Chicherin S. V. (2017) External Corrosion as the Main Factor Causing Damage to Heat Supply Networks and Methods to Protect Against it. Vestnik MEI, (4), 50–54 (in Russian). https://doi.org/10.24160/1993-6982-2017-4-50-54.Low-Cost Control System Built upon Consumer-Based Electronics for Supervisory Control of a Gas-Operated Heat Pump. Part 2 / R. Wetherington [et al.] // ASHRAE Transactions. 2017. Vol. 123. Р. 72–79.Wetherington R., Abu-Heiba A., Mahderekal I., Vineyard E. (2017) Low-Cost Control System Built upon Consumer-Based Electronics for Supervisory Control of a Gas-Operated Heat Pump. Part 2. ASHRAE Transactions, 123, 72–79.Monitoring of Gas Driven Absorption Heat Pumps and Comparing Energy Efficiency on Primary Energy / M. Fumagalli [et al.] // Renewable Energy. 2017. Vol. 110. Р. 115–125. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.12.058.Fumagalli M., Sivieri A., Aprile M., Motta M., Zanchi M. (2017) Monitoring of Gas Driven Absorption Heat Pumps and Comparing Energy Efficiency on Primary Energy. Renewable Energy, 110, 115–125. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.12.058.Чичерин, С. В. Анализ проектных решений, связанных с расположением измерительных пунктов системы оперативного дистанционного контроля / С. В. Чичерин // Автоматизация и IT в энергетике. 2017. № 12. С. 12–15.Chicherin S. V. (2017) The Analysis of Design Solutions Associated with the Location of Measuring Points of the Operational Remote Control System. Avtomatizatsiya i IT v Energetike [Automation and IT in Power Engineering], (12), 12–15 (in Russian).Saprykina, N. Yu. Investigation of the Formation of the Temperature Field of Soil during the Operation Geothermal Heat Pumps under the Influence of Groundwaters / N. Yu. Saprykina, P. V. Yakovlev // Russian Journal of Building Construction and Architecture. 2017. Vol. 36, No 4. Р. 58–69.Saprykina N. Yu., Yakovlev P. V. (2017) Investigation of the Formation of the Temperature Field of Soil during the Operation Geothermal Heat Pumps under the Influence of Groundwaters. Russian Journal of Building Construction and Architecture, 36 (4), 58–69.Джунусова, Л.Р. Улучшение качества обессоленной воды на комбинированной ВПУ котельных / Л. Р. Джунусова // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2016. №. 23. С. 167–176. https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.23.02.Junussova L. R. (2016) Improving the Quality of Desalinated Water with Combined Water Treatment Plant Boiler. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 23, 167–176 (in Russian). https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.23.021.

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