CC BY
161
УДК662.99
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО НАСОСА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ В ПОМЕЩЕНИИ ОТОПИТЕЛЬНОЙ
КОТЕЛЬНОЙ
С.К.Лунева
Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая,21
Рассмотрены вопросы энергоэффективности и энергосбережения в топливно-энергетическом комплексе. С целью повышения энергоэффективности предложен способ применения теплового насоса для утилизации избыточной теплоты в помещении отопительной котельной.
Ключевые слова: энергоэффективность; энергосбережение; теплоснабжение; тепловой насос.
EFFICIENCY OF HEAT PUMP HEAT RECOVERY ROOM HEATING PLANTS
S.K. Luneva
St. Petersburg State University of Economics (SPbGEU),191023, St. Petersburg, street Sadovaya, 21 The problems of energy efficiency and conservation in the energy sector. To improve the efficiency of the heat pump is provided the use for the utilization of heat in the heating boiler. Keywords: energy efficiency; energy conservation; heating; heat pumps
Степень развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК) в большой степени определяет будущее экономики Российской Федерации. Рост экономики предполагает увеличение объема производимых товаров и услуг, которое потребует опережающего развития всех сфер ТЭК. Объективная ограниченность запасов невозобновляемых ископаемых топливных ресурсов, как основного сырья ТЭК, вызвало необходимость использования мероприятий по энергоресурсосбережению и энергоэффективности. Очевидно, что проблемы энергосбережения и энергоэффективности являются не просто составной частью, а является ключевым элементом реформы, проводимой в экономике современной России. В соответствии с Федеральным законом от 23.11.2009 N 261-ФЗ (ред. от 02.07.2013) «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» под повышением энергетической эффективности понимают не только создание технических, технологических, правовых, экономических и организационных основ и мер стимулирования энергосбережения и повышения эффективности народного хозяйства, но и их взаимное согласование, направленное на уменьшение объема используемых энергетических ресурсов [1,с.3].
Поэтому в условиях нарастающих ресурсных ограничений актуальными становятся
задачи оптимизации производства и использования всех видов энергетических ресурсов.
Тепловые насосы (ТН) или теплонасос-ные установки (ТНУ) как технология, позволяющая частично или полностью вытеснить органическое топливо и обеспечить теплоснабжение с минимальными затратами первичной энергии, является одним из перспективных направлений по энергосбережению и охране окружающей среды и дополнительным источником тепловой энергии.
Решение проблемы энергосбережения и энергоэффективности заключается в эффективном и экономном расходовании энергоресурсов. В управлении энергосбережением можно выделить следующие основные направления:
- снижение потребности в энергоресурсах;
- переход и замена энергоресурсов на возобновляемые источники энергии;
- снижение энергозатрат при технологическом производстве продукции и оказании услуг.
В соответствии с этим основные цели и задачи программы по энергосбережению и энергоэффективности состоят в следующем:
1. Повышение эффективности использования энергии;
2. Внедрение в производство новых эффективных технологий;
3. Повышение энергетического к.п.д. действующих теплогенерирующих и энергоге-нерирующих установок;
Лунева Светлана Курусовна - аспирант кафедры "Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения" СПбГЭУ, тел.: +7(911)-9151670, e-mail: [email protected].
4. Снижение потерь теплоносителей в инженерных сетях и коммуникациях;
5. Повышение тепловой защиты зданий, сооружений, конструкций и сетей;
6. Сокращение вредных выбросов в окружающую среду;
7. Повышение эффективности использования недр и ресурсов.
Одним из направлений энергосбережения является внедрение новых источников энергии и технологий. Во всем мире уделяется огромное внимание развитию новых безуглеродных источников энергии - прежде всего, возобновляемым источникам (ветровой, солнечной, геотермальной и др. виды энергии). По прогнозам к 2020году потребуется увеличить выработку электроэнергии на 15^20%. При этом вклад возобновляемых источников энергии в суммарную выработку должен будет возрасти с 2,5% до 12,5%[1,с.18].
Потенциал энергосбережения на предприятиях ТЭК достаточно высокий. Для повышения экономической эффективности необходимо провести энергетические обследования предприятий ТЭК и потребителей тепловой энергии. Мероприятия по энергосбережению и энергоэффективности можно подразделить по эффективности и капиталовложению[3,с.136]:
1.Организационные мероприятия позволяют обеспечить экономию энергоресурсов 5^7%, не требуют больших капитальных вложений и могут быть выполнены за счет текущих расходов преприятия;
2.Технологические мероприятия приносят эффект до 10^12%, выполняются за счет собственных средств предприятия;
3.Инвестиционные мероприятия требуют реконструкции производства и больших капиталовложений, но при этом обеспечивается максимальная эффективность до 15^20%.
Проведение энергетического и экологического мониторинга производства позволяет определить потери материальных и энергетических ресурсов. При производстве практически любой энергии задействованы те или другие ресурсы, поэтому потери материи (сырья) или энергии не только снижают экономические показатели производства, но и оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду, ухудшая экологическую обстановку.
Теплоснабжение в условиях достаточно длительных отопительных периодов, связанных с условиями жизни значительного количества людей в холодных условиях континентальной части Российской Федерации, требует большого количества топливно-энергетических ресурсов. Основная задача систем теплоснабжения -создание благоприятных и комфортных условий в жилых, общественных и производственных зданиях для жизнедеятельности населения.
На отопление зданий, т.е. создание комфортных условий, расходуется примерно 45^50% всех энергоресурсов страны.
Системы теплоснабжения требуют теплоту с небольшим значением эксергии, температура воды в подающей магистрали теплового ввода составляет 1500С, в обратной магистрали температура воды - 700С, в сети ГВС б0^70°С [4,с.8]. При сжигании топлива в водогрейных котлах температура 1100^1300°С, температура нагрева воды 110^150 0С, эксергия топлива снижается почти в 10 раз. Температура, которую необходимо
поддерживать в помещениях при отоплении, составляет 20^220С. Технология тепловых насосов дает возможность получить эксергетиче-ски менее ценное тепло для систем теплоснабжения.
Энергетическое исследование помещения котельных показывает, что оборудование и коммуникации, которые находятся в помещении котельной, являются дополнительным источником теплоты. Температура поверхности котла при хорошей и качественной обмуровке достигает 65^70°С (6), температура на поверхности магистрали (при качественной обмуровке) колеблется в пределах 50 оС, средняя температура в помещении котельной колеблется в пределах 30^40 оС, а в верхней зоне температура выше. Возможность использования воздуха из верхней части помещения котельной для подачи в топку дает возможность дополнительной экономии топлива до 17кг у.т. [3,с.192].
На рис.1 представлена схема отопительной газовой котельной, предназначенной для теплоснабжения (отопления) предприятия. В котельной установлено три водогрейных чу-гунно-секционных котла «Энергия», основное топливо - газ. Горячая вода, нагретая в котлах, поступает в коллектор, затем в прямую магистраль к потребителю. Отдав тепло, вода возвращается через обратную магистраль и грязевик в котлы, где опять происходит нагрев воды.
Воздух в помещениях котельной имеет достаточно высокую температуру для производственного помещения, допустимые или оптимальные параметры микроклимата определяются СниП 41-01-2003 и ГОСТ 12.1.005-88. Средняя температура в помещении котельной на уровне 1,5 м колеблется в пределах 35 оС.
Произведем расчет количества теплоты, которую можно использовать в качестве источника низкопотенциальной теплоты для работы теплового насоса.
Технические характеристики помещения котельной следующие: длина - а =20000 мм; ширина - Ь =8200 мм; высота - с =6100 мм; толщина стен - 5 = 730 мм; объем помещения котельной V составляет: V = а • Ь • с = 20000 • 8200 • 6100 = 1000,4м3
Эффективность применения теплового насоса для утилизации теплоты в помещении ..
Рису.
сетевой насос; 5 - грязевик; 6 - коллектор
Для определения потерь через ограждающие конструкции здания считаем процесс теплопередачи стационарным, считаем потери для каждого участка ограждающей конструкци:
°пот = 2/ = 1 .
Потери теплоты через ограждающие конструкции здания определим:
0/ = ^вн — ^нар
п,
где: 0/ - потери теплоты каждым элементом ограждающей конструкции здания, Вт; А/ - коэффициент теплопередачи, Вт/(К м ); // - площадь ограждающих конструкций здания, м2; ¿вн - температура в помещении, оС; ¿нар - температура наружного воздуха, оС; п - коэффициент тепопотерь.
Определим площади ограждающих конструкций здания: стен: / = 20000 • 6100 = 122м3; /2 = 8200 • 6100 = 50,02м3; пола -/3 = 20000 • 8200 = 164м3. Суммарная площадь ограждающих конструкций здания составит: / = = 122 • 2 + 50,02 • 2 + 164 = 508,04м2.
Введем допущение, что ограждающие конструкции здания характеризуются примерно одинаковыми теплопроводными свойствами,
поэтому для расчета можем воспользоваться упрощенной формулой:
0 = А£/(£вн - ¿нар)#,
Для определения потерь теплового потока необходимо определить коэффициент теплопередачи: А = (1/а1 + 1/+ + 1/а2)-1.
Коэффициент теплоотдачи а1 определяем по среднему значению коэффициента теплоотдачи от внутреннего воздуха к внутренней поверхности ограждающей конструкции, для стен и пола в соответствии с таблицей а1 = 8,7Вт/(м2 К ) [10,с.241]
Коэффициент теплоотдачи а2 определяем по среднему значению коэффициента теплоотдачи от внешней поверхности ограждающей конструкции к окружающей среде, для стен и пола в соответствии с таблицей а% = 23Вт/(м2 К ) [10,с.241].
Стены котельной выполнены из кирпича, коэффициент теплопроводности материала ^=0,58Вт/(м К )
С учетом выбранных значений А = (1/а1 + 1/+ + 1/а2)-1 = (1/8,7 + 0,73/0,58 + 1/23)-1 = 0,7Вт/(м2 К )
Для определения тепловых потерь через ограждающие конструкции к окружающей сре-
де, воспользуемся климатологическими данны- г. Санкт-Петербурге [6,с.86] (табл.1). ми по средней месячной температуре воздуха в
Таблица1 - Расчет средневзвешенной месячной температуры воздуха в г. Санкт-Петербурге и температура в помещении котельной
Расчетный период, I II III IV у VI VII VIII IX X XI XII Год
Средняя наружная температура ^нар1 ■■■• ^нар12 за 100 лет -7,8 -7,8 -3,9 3,1 9,8 15,0 17,8 16,0 10,9 4,9 -0,3 -5,0 4,4
Температура помещения котельной ^вн! ■■■. ^вн!2 34 35 35 37 38 16 18 17 38 37 36 35 -
Рисунок 2 - Изменение средней месячной температуры воздуха в Санкт-Петербурге
Рассчитаем потери теплоты через ограждающие конструкции здания за каждый месяц с учетом температуры наружного воздуха ^1 = ^ Р (*вн 1-£нар 1 ) #= 0,7 • 508,04 • 1 (^вн 1 — £нар 1 ). Они в соответствии с климатологическими данными по соответствующим месяцам (см. табл.1, рис.2) составят: = 14865,33 Дж=11060 кВт; =15220,96 Дж = 10228 кВт; =13834,01 Дж =10293 кВт; = 12055,86 Дж = 8680 кВт; ^у =10028,77 Дж = 7220 кВт; Q у1 ^ уш - отопление отсутствует; = 9637,57 Дж = 6939 кВт; Qx =11415,72 Дж = 8492 кВт; Q XI =12909,37 Дж = 9294 кВт; QxII = 14225,20 Дж = 10583 кВт. Полученные результаты интерпретированы диаграммой на рис.3.
С учетом потерь через стены, получим количество теплоты, которое уходит через вентиляцию. Это количество теплоты предлагается утилизировать при помощи тепловых насосов. Суммарные тепловые потери за год: X Q1 =114192,79Дж =82789 мВт = 82,8гВт
Средняя температура в помещении котельной (см. табл.1) достаточно высокая, снизив температуру до комфортной +18°С можем определить то количество теплоты, которое возможно утилизировать, например, при однократном воздухообмене помещения котельной по формуле Qí = Vс3 (¿вн — ¿нар) = 1000,4 • 1,298 • (¿вн — 18), где: V - объем помещения котельной, м3; с3 - объемная теплоемкость воздуха, кДж/К м3 .
Для соответствующего месяца отопительного периода получим: QI = 20776,3 кДж=15458мВт; Q II = 22074,8 кДж = 14834 мВт; Q ш = 22074,8 кДж = 14834 мВт; QIУ = 24671,9 кДж = 17764 мВт; Qу = 25970,4 кДж =18699 мВт; QУI - отопление отсутствует; QIx = 25970,4 кДж = 18699 мВт; Qx = 24671,9 кДж = 18356 мВт; QxI = 23373,4 кДж = 16829 мВт; Q ХП = 22074,8 кДж = 16424 мВт; QXII =14225,20Дж = 10583 кВт. Полученные результаты интерпретированы диаграммой на рис.4.
Эффективность применения теплового насоса для утилизации теплоты в помещении ...
Рисунок 3 - Диаграмма тепловых потерь через ограждающие конструкции здания
20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
-2000
Рисунок 4 - Диаграмма количество теплоты, возможной для утилизации при однократном воздухообмене помещения котельной
Суммарное значение возможной утилизируемой теплоты:
£ 0ут,вент =211658,7 кДж =151897
мВт= 151,9гВт/год
Суммарное значение возможной утилизируемой теплоты и потерь теплоты через ограждающие конструкции: £ 0ут,огр =234686 мВт=234,7гВт/год.
Общее количество утилизируемой теплоты составит £ 0ут=151,9 +234,7 = 386,6 гВт/год. Это количество теплоты котельная производит и теряет через ограждающие конструкции и вентиляцию, поэтому необходимы мероприятия по энергоресурсосбережению.
Предлагается для утилизации низкопотенциальной теплоты (НПТ) помещения ко-
тельной в верхней части установить тепловой насос (рис.5). Преимуществом ТН является то, что они могут успешно дополнить существующие централизованные и местные системы теплоснабжения, увеличивая к.п.д системы и повышая экономическую и экологическую эффективность системы. При проектировании и строительстве котельной и последующей модернизации не было предусмотрено горячее водоснабжение (ГВС) сотрудников предприятия. В подобном случае целесообразно использовать полученную в тепловом насосе теплоту для нагрева воды ГВС.
Рисунок 5 - Схема отопительной котельной, с утилизацией тепла ТН: 1 - химводоочистка; 2 - подпи-точный насос; 3 - котел; 4 - сетевой насос; 5 - грязевик; 6 - коллектор; 7 - тепловой насос; 8 - вентилятор
V
,ы мовые
ГВС
газы
воз, (ух
вода
пр. магистраль
обр. магистраль
7
6
3
5
1
Вывод
Основные резервы экономии энергии сосредоточены в повышении энергетической эффективности инженерных систем, рекуперации и утилизации вторичных энергоресурсов, использовании нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Технологии ТН обладают определенными преимуществами, поэтому при реконструкции и модернизации существующих и при проектировании новых систем теплоснабжения целесообразно использовать ТН.
Литература
1.Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: Федеральный закон Российской Федерации от 23.11.2009 N 261-ФЗ (ред. от 02.07.2013)// Сборник Федеральных конституционных законов и федеральных законов. - М ., 2009. - Вып.12
2.Прогноз долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2030 года, 8 февраля 2013 ГАРАНТ .РУ: http://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc
3.Энергосбережение в ЖКХ: Учебно-практическое пособие/Под ред. Л .В .Примака, Л.Н.Чернышова.-М.: Академический Проект; Альма Матер, 2011.-622с
4.СНиП 41-01-2003.Отопление, вентиляция и кон-диционирование./Госстрой России, 2004
5. Елистратов С.Л Комплексное исследование эффективности тепловых насосов. Автореф. дис. док. тех. / Елистратов С.Л. - Новосибирск. 2010. - 36 с. [Электронный ресурс].
6. Пособие к СниП 23-01-99 Справочная климатология. Справочное пособие к СниП 23-01-99. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gosthelp.ru/text/PosobiekSNiP230199Stroit e.html
7. Энергосбережение в системах жизнеобеспечени-язданий и сооружений/ Г.В.Лепеш. - СПб.: Изд-во СПбГЭУ, 2014. -437с
8. Лунева С. К. Решение вопросов энергосбережения и энергоэффективности при применении тепловых насосов // Технико-технологические проблемы сервиса .2014.-№3(29)
9. Лунева С. К., Чистович, А. С , Эмиров И. Х. К вопросу об использовании тепловых насосов // Технико-технологические проблемы сервиса .2013.-№4(26)
