Оптимизация режима работы простого двухступенчатого теплового насоса с сепаратором

АКТУАЛЬНОСТЬ исследования заключается в разработке новых методов организации отвода низкопотенциальной теплоты ЦОД, силовой электроники, прочих природных и техногенных источников и получении новых зависимостей для оценки максимального увеличения эффективного коэффициента трансформации теплоты (КТТ) простых двухступенчатых циклов тепловых насосов с сепаратором. ЦЕЛЬ работы заключается в оптимизации режима работы простого двухступенчатого теплового насоса с сепаратором. В рамках цели стоят задачи: предложение способа организации отвода теплоты источников низкопотенциальной теплоты, поиск оптимальных режимов работы простого двухступенчатого теплового насоса, разработка методов оценки увеличения их эффективности на основе физических принципов и основ термодинамики. МЕТОДЫ. Для расчетов термодинамического цикла теплового насоса использована библиотека CoolProp, учтено наличие эффективности компрессоров, для проведения оптимизации введен закон, связывающий долю мощности первой ступени с температурой в сепараторе. Для оценки максимальной эффективности теплового насоса сделано допущение, что фреон в компрессор попадает в виде насыщенного не перегретого пара, а в терморегулирующий вентиль поступает чистый конденсат. РЕЗУЛЬТАТЫ. Представлена общая схема и рассмотрен принцип действия двухступенчатого теплового насоса. На основе термодинамического расчета получены термодинамические и теплотехнические характеристики циклов. Двухступенчатые тепловые насосы имеют более высокий коэффициент трансформации теплоты, чем одноступенчатые. Определен коэффициент относительного увеличения эффективного КТТ для фреонов R410a, R141b, R600a, R134a. Показано, что существование максимума эффективного КТТ объясняется наличием двух эффектов. Выведены функции, основанные на физических закономерностях, определяющие экстремум увеличения КТТ и его положение. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Проведен подробный анализ причин возрастания КТТ относительно одноступенчатого цикла. Полученные зависимости полезны для оценки эффекта от применения двухступенчатого теплового насоса на практике. Разработанная схема теплового насоса может быть применена для отбора низкопотенциальной теплоты в ЦОД, от силовой электроники, грунта и других источников с большей эффективностью, чем одноступенчатый цикл.

1. Wang Z. et. al. Field test and numerical investigation on the heat transfer characteristics and optimal design of the heat exchangers of a deep borehole ground source heat pump system // Energy Conversion and Management, 2017. Vol. 153, P. 603-615. DOI: 10.1016/j.enconman.2017.10.038.

2. Luo J. et. al. Heating and cooling performance analysis of a ground source heat pump system in Southern Germany // Geothermics, 2015. Vol. 53. P. 57-66. DOI: 10.1016/j.geothermics.2014.04.004.

3. Пурдин М.С., Магомедова Р. "Тепловые притоки и потери в грунтовых теплообменниках и аккумуляторах теплоты" // Сб. тр. Межд. науч.-техн. конф. СПРЭТТ (XXII Бенардосовские чтения), Иваново, 2023 г. с. 234-236.

4. Sokolov I.S., Ryzhenkov A.V. et al. Experimental study of performance of building heating system based on HPS and equipped with thermal potential recovery system and heat load prediction //Energy and Buildings. 2024. V. 324. P. 114862. DOI: 10.1016/j.enbuild.2024.114862.

5. Ведрученко В.Р., Алимбаев А.А., Кадцын И.И. и др. Актуальность использования грунтовых теплотрансформаторов в Сибири // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2024. Т. 17, № 7. С. 863-877.

6. Пурдин М.С., Гаряев А.Б. Исследование тепловых характеристик твердого изолированного цилиндрического аккумулятора теплоты // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика, 2023. Т. 23. № 2. С. 73-82. DOI: 10.14529/power230207.

7. Пурдин М.С. Метод численного моделирования теплообмена в аккумуляторах теплоты с множеством фаз и свободным перемещением фазовых границ // ЭТИП: труды X Межд. школы-семинара молодых ученых и специалистов, Москва, 2020. С. 77-81.

8. Гаряев А.Б., Клименко А.В., Клименко В.В. и др. Методические вопросы и перспективные направления использования низкопотенциальных источников тепла // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2025. № 5. С. 19-46. DOI: 10.7868/S3034649525050024.

9. Wang P. et al. District heating utilizing waste heat of a data center: High-temperature heat pumps // Energy and Buildings. 2024. Vol. 315. P. 114327. DOI: 10.1016/j.enbuild.2024.114327.

10. Юровская В.Д., Латушкина С.В. Проект использования низкопотенциальных источников энергии на Братской ГЭС // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2022. Т. 24, № 5. С. 13-22. DOI: 10.30724/1998-9903-2022-24-5-13-22.

11. Калинина М.В., Плотникова Л.В. Система комплексной рекуперации низкопотенциальной вторичной энергии в теплотехнологической схеме целлюлозно-бумажного производства // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2025. Т. 27, № 5. С. 182-194. DOI: 10.30724/1998-9903-2025-27-5-182-194.

12. Сухих А.А., Антаненкова И.С. Методика сравнения термодинамической эффективности циклов холодильных и теплонасосных установок // Вестник Межд. академии холода, 2012. № 4. С. 21-25.

13. Сухих А.А., Антаненкова И.С. Термодинамическая эффективность теплонасосных установок // Вестник Межд. академии холода, 2013. № 1. С. 43-47.

14. Кондрашов А.В., Тринченко А.А. Система утилизации теплоты конденсации тепловых машин // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2023. Т. 25, № 6. С. 67-77. DOI: 10.30724/1998-9903-2023-25-6-67-77.

15. Конахина И. А. Применение тепловых насосов каскадного типа в утилизационных системах теплоснабжения нефтехимических производств // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2003. № 11-12. С. 9-23.

16. Паршуков В.И., Ефимов Н.Н., Безуглов Р.В. и др. Каскадная теплонасосная установка с промежуточной аккумуляцией теплоты // Патент на полезную модель № 183519. 25.09.2018. Бюл. № 27. Доступно по: https://www.fips.ru/iiss/document.xhtml?faces-redirect=true&id=74608bd1a9e9c568ae763240ba9b5323. Ссылка активна на 19 февраля 2026.

17. Антипов Ю.А., Шаталов И.К., Силин А.В. Многоступенчатая теплонасосная установка. Патент РФ на изобретение № 2705696. 11.11.2019. Бюл. № 32. Доступно по: https://www.fips.ru/iiss/document.xhtml?faces-redirect=true&id=6bcfa38fc175ebba300e442437b9b042. Ссылка активна на 19 февраля 2026.

18. Purdin M.S., Yuzyuk V.V. Investigation of the Efficiency of a Two-Stage Isobutane Heat Pump // Technical Physics. 2024. Vol. 69, No. 9. P. 2472-2481. DOI: 10.1134/S1063784224700786.

19. Mota-Babiloni A. et al. Ultralow-temperature refrigeration systems: Configurations and refrigerants to reduce the environmental impact //International Journal of Refrigeration . 2020. Vol. 111. P. 147-158. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2019.11.016.

20. Антипов Ю.А., Шаталова И.И., Шкарин К.В. и др. Особенности моделирования высокоэффективной многоступенчатой парокомпрессионной теплонасосной установки // Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. 2021. T. 22. №4. С. 339-347. DOI: 10.22363/2312-8143-2021-22-4-339-347.

21. Kosoi A.S., Antipov Y.A., Shkarin K.V. et al. A multistage heat pump unit model for reducing energy consumption of space heating at low ambient temperatures //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2021. V. 1100. №. 1. P. 012045. DOI: 10.1088/1757-899X/1100/1/012045.

22. Jiang S. et al. A general model for two-stage vapor compression heat pump systems //International Journal of Refrigeration. 2015. Vol. 51. P. 88-102. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2014.12.005.

23. Qiu K., Thomas M. Assessment of the performance of ultralow‐GWP refrigerants in a two‐stage heat pump system using simulation and MCMD // Environmental Progress & Sustainable Energy. 2025. P. e70132. DOI: 10.1002/ep.70132.

24. Cao X. et al. Performance analysis of an ejector-assisted two-stage evaporation single-stage vapor-compression cycle // Applied Thermal Engineering. 2022. Vol. 205. P. 118005. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2021.118005.

25. Yahya M., Rachman A., Hasibuan R. Performance analysis of solar-biomass hybrid heat pump batch-type horizontal fluidized bed dryer using multi-stage heat exchanger for paddy drying // Energy. 2022. Vol. 254. P. 124294. DOI: 10.1016/j.energy.2022.124294.