CC BY
44
Представлено системи теплопостачан-ня на o^oei вгдновлюваних джерел енерги з можливим тдключенням резервного (тра-дицшного) джерела енерги, що дае можли-в^ть забезпечити потребу у теплопоста-чант, а також надштсть та стабшьтсть роботи систем
Ключовi слова: нетрадицшт вгдновлю-вальт джерела енерги, система теплопо-
стачання, математичне моделювання □-□
Представлены системы теплоснабжения на основе возобновляемых источников энергии с возможным подключением резервного (традиционного) источника энергии, что дает возможность обеспечить потребность в теплоснабжении, а также надежность и стабильность работы систем
Ключевые слова: нетрадиционные возобновляемые источники энергии, система теплоснабжения, математическое моделирование
□-□
Presented by the district heating system based on renewable energy sources with the possible backup connection (traditional) energy, which enables heat to satisfy demand, and reliability and stability of systems
Keywords: innovative renewable energy,
heating system, mathematical modeling -□ □-
УДК 662.987:620.92
МОДЕЛЮВАННЯ СИСТЕМ ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ НА ОСНОВ1 В1ДНОВЛЮВАЛЬНИХ ДЖЕРЕЛ ЕНЕРГИ
В.О. Саци к
Кандидат стьськогосподарських наук, викладач* Контактний тел.: 050-210-55-96 E-mail: [email protected]
Б. М . Дi да й *
Контактний тел.: 093-525-54-29 E-mail: [email protected] *Кафедра автоматизованого управлшня технолопчними
процесами
Луцький нацюнальний техшчний уыверситет вул. Львiвська, 75, м. Луцьк, УкраТна, 43000
Вступ
Виснаження свиових паливно-енергетичних ре-сурив, що викликае неминуче тдвищення цш на енергоноси, як на свиовому ринку, так i в Укра1ш, за-гострило проблему впровадження енергозбертючих технологш i поставило дослвдження, що спрямоваш на ефективне використання нетрадицшних вщновлю-вальних джерел енерги (НВДЕ) для щлей енергозабез-печення, в ряд стратепчних задач держави.
Постановка проблеми
Нетрадицшш вiдновлюванi джерела енерги (НВДЕ) допомагають урiзноманiтнити поставки енер-горесурсiв i в перспективi можуть замiнити палив-но-енергетичш ресурси. Використання НВДЕ заметь викопного палива може в значнш мiрi знизити викиди парникових газiв та шших забруднюючих речовин. Зростаючий попит на НВДЕ в iндустрiально розви-нених крашах призводить до економи за рахунок зро-стання виробництва; таке зростання спрощуе доступ до проекпв з використання НВДЕ в крашах, що роз-виваються. Хоча фахiвцi вважають, що багато ринкiв змогли б витримати б^ьш високi темпи включення до них НВДЕ, цьому перешкоджають численнi бар'ери.
Вартiсть технологш з використанням НВДЕ залиша-еться високою.
Аналiз останшх дослiджень та публжацш
Положення щодо впровадження та використання нетрадицшних вщновлювальних джерел енерги за-писанi в законi Украши «Про енергозбереження», за-конi Украши «Про альтернативш джерела енерги», а також у «Енергетичнш стратеги Украши на перюд до 2030 року». В Закон Украши «Про енергозбереження» вказано на необхiднiсть широкомасштабного впровадження еколопчно чистих вiдновлювальних джерел енерги в сферi теплопостачання.
Проблеми альтернативного теплопостачання дослщ-жувались у роботах Денисово! А.Е., Дубковського В.А., Мазуренко А.С., Хайнрих Г., Найорк Х., Нестлер В.
Зокрема Денисова А.Е. пропонуе для штенсифжаци впровадження альтернативних систем теплопостачан-ня тдвищити ix рентабельнiсть шляхом зб^ьшення частки замiщення органiчного палива вщновлюваль-ними джерелами енергii. Цього можна досягти шляхом застосування теплонасосних штегрованих систем теплопостачання ("бштруктурних" систем) на основi комбiнованого використання двох рiзнорiдниx вщ-новлювальних джерел енерги, природш енергетичнi
властивосп яких дозволяють покривати дефiцит одне одного[1,5].
Невирiшенi ранiше частини загально! проблеми
Однieю з найбiльших проблем впровадження не-традицiйних вiдновлювальних джерел енергп в Укра-iнi е добова та сезонна нерiвномiрнiсть виробництва енергп. Жорстка залежшсть вiд клiматичних умов призводить до обов'язкового використання резервного традицшного джерела енергii, що суттево погiршуе економiчнi показники роботи моноструктурноi систе-ми теплопостачання в щлому[3].
Цiлi статт
Завданням стати е ознайомлення з одним iз мож-ливих варiантiв вирiшення проблеми забезпечення потреби теплопостачання в змшних клiматичних умо-вах Украiни за рахунок використання систем теплопостачання на основi поеднання двох вщновлювальних джерел енергп, а саме сонячноi-rрунтовоi енергп та со-нячно-бiопаливноi енергп з можливим тдключенням резервного (традицшного), що забезпечить стаб^ь-нiсть та високу надшшсть роботи даноi системи.
Основш результати дослщжень
Нетрадицiйнi та вщновлюваш джерела енергп стали останшм часом одним iз важливих критерпв стало-го розвитку свiтовоi спiльноти. Здiйснюеться пошук нових i вдосконалення кнуючих технолопй, виведен-ня IX до економ1чно ефективного р1вня та розширення сфер використання. Головними причинами тако1 ува-ги е очжуване вичерпання запас1в оргашчних вид1в палива, р1зке зростання ix цши, недосконалкть та низька ефектившсть технолопй '¿хнього використання, пшдливий вплив на довюлля, наслщки якого все бьчыпе i бьчыпе турбують свиовому сшльноту.
Найбгчыпого розповсюдження в cbítí набули ав-tohomhí альтернативш системи енергозабезпечення моноструктурного типу на 6a3Í тьчьки одного джерела eHeprii, наприклад, автономш сонячш установки, системи уттггпзацп бюмаси i тепла геотермальних вод, виряш установки та íhuií, що призначеш для перетво-рення одного з втццв нетрадищйних вщновлювальних джерел eHeprii в теплову енерпю[2].
В умов Украши з урахуванням кл1матичних, обов'язковою умовою для практичного використання систем альтернативного теплопостачання на 6a3Í ильки одного (moho) джерела в1дновлювально1 eHeprii ("моноструктурна" система) е резервування потужно-стi за рахунок традицшних джерел енергп (дублерiв), що суттево погiршуе економiчнi показники роботи моноструктурноi системи та ставить ii на межу еконо-мiчноi доцiльностi [5].
Вирiшити питання конкурентоспроможносп систем альтернативного теплопостачання можливо за рахунок впровадження систем нетрадицшного теплопостачання з двома вщновлювальними джерелами енергii ("бштруктурш" системи), де вдало поеднують-
ся можливостi двох рiзнорiдних за природними вла-стивостями джерел. Таю системи мають здатшсть до взаемно! компенсацii дефiциту одне одного.
На основi наших дослщжень, та iснуючих лиера-турних джерел в змшних клiматичних умовах одним iз кращих варiантiв альтернативних систем теплопостачання на основi двох вщновлювальних джерел енергп е системи з використанням енергп сонячно-Грунтово! енергп та сонячно-бiопаливноi. Тобто, у разi виникнення дефiциту одного з нетрадицшних джерел, через циклiчну змшу клiматичних умов, друге джере-ло вщновлювально! енергii, буде здатним компенсува-ти виявлений дефiцит власними силами, без допомоги резервного джерела енергп.
На рис. 1 представлена схема альтернативно! со-нячно-бюпаливно! системи теплопостачання.
Система мае два циркуляцшних контури: контур сонячних колекторiв та контур котла на бюпалив^ що пов'язаш з баком-акумулятором 4. З травня по серпень для пда^ву води, яка поступае в бак-акуму-лятор використовуеться пльки сонячнi колектори 1. При цьому насос 2 постшно прокачуе робочу рщину по систем^ потрапляючи в змiевик бака-акумулятора робоча речовина вщдае тепло водi, на випадок коли тиск в системi рiзко зросте стоггь розширювальний бачок 3.
З вересня у зв'язку зi зменшенням iнтенсивностi со-нячно! енергii, що надходить до сонячного колектора, в систему тдключаеться контур котла на бюпаливь Контур бюпаливного котла складаеться з котла на бь опаливi 7, насоса 13 який постшно качае робочу речо-вину i теплообмiнника 8 звiдки нагрiта вода за допомо-гою насоса 11 потрапляе у бак-акумулятор 4, або при включен насоса 12 качаеться до системи опалення 6.
7
S?-4
i-
Рис. 1. Схема альтернативно!' системи теплопостачання на основi двох вщновлювальних джерел енергп: 1 — сонячний колектор;2,9,10,11,12,13 — насоси;
3 — розширювальний бачок; 4 — бак-акумулятор тепла; 5 — електричний нагрiвач; 6 — система опалення; 7 — котел на бюпалив^ 8 — теплообмшник
Також в системi передбачено резервне джерело теплопостачання у виглядi електричного на^вача 5
який спрацьовуе при недостатнш температурi води, що можливе при виходi з ладу одного з контурiв.
Робота системи теплопостачання в щлому вигля-дае наступним чином: робоча рвдина в контурi со-нячного колектора качаеться насосом 2, потрапляючи в сонячний колектор 1 вона на^ваеться тсля чого потрапляе в змiевик бака-акумулятора 4 де тепло аку-мулюеться. Пiсля цього нагрiта вода може рухаеться через електричний на^вач 5 який насосом 9 качае воду до системи опалення 6, або насосом 10 до баку-акумулятора. Варто зазначити, що електричний нагрь вач включаеться пльки у випадку коли температура води не вщповщае заданш.
При тдключенш до системи котла на бiопаливi 7 гаряча вода з бака-акумулятора 4 рухаеться через теплообмшник 8 де до^ваеться i через насос 12 кача-еться до системи опалення 6, або через насос 11 потра-пляе у бак-акумулятор 4.
На рис. 2 представлена схема альтернативно! со-нячно-Грунтово'1 системи теплопостачання.
Рис. 2. Схема альтернативно! системи теплопостачання на основi двох вщновлювальних джерел енерги: 1 - сонячний колектор; 2,10,11,12,13 - насоси; 3 - розширювальний бачок; 4 — бак-акумулятор тепла; 5 - електричний нагрiвач; 6 — система опалення; 7 - тепло-насосна установка; 8 - вхщна трубка; 9 - вихщна трубка Система мае два циркуляцшних контури: контур сонячних колекторiв та контур грунтових колекторiв, що пов'язаш з баком-акумулятором 4. З травня по серпень для пвд^ву води, яка поступае в бак-акуму-лятор використовуються сонячш, або грунтовi колек-тори. При робот сонячних колекторiв 1 насос 2 постш-но прокачуе робочу рщину по системi, потрапляючи в змiевик бака-акумулятора робоча речовина вщдае тепло водi, на випадок коли тиск в системi рiзко зросте сто1ть розширювальний бачок 3. При робот грунтових колекторiв 8,9 робоча рвдина постiйно прокачуеться тепло насосною установкою 7 i вiддае тепло водi яка насосом 11 качаеться в бак-акамулятор 4.
З вересня з початком опалювального сезону пра-цюють одразу два контури системи теплопостачання.
Також в системi передбачено резервне джерело теплопостачання у виглядi електричного на^вача 5 який спрацьовуе при недостатнш температурi води, що можливе при виходi з ладу одного з контурiв.
Робота системи теплопостачання в щлому вигля-дае наступним чином: робоча рщина в контурi со-нячного колектора качаеться насосом 2, потрапляючи в сонячний колектор 1 вона на^ваеться тсля чого потрапляе в змiевик бака-акумулятора 4 де тепло аку-мулюеться. Пiсля цього нагриа вода може рухаеться через електричний на^вач 5 який насосом 9 качае воду до системи опалення 6, або насосом 10 до баку-акумулятора. Варто зазначити, що електричний нагрь вач включаеться тльки у випадку коли температура води не ввдповщае заданш.
При тдключенш до системи грунтових колекторiв 8,9 гаряча вода з бака-акумулятора 4 рухаеться через тепло насосну установку 7 де до^ваеться i через насос 13 качаеться до системи опалення 6, або через насос 11 потрапляе у бак-акумулятор 4.
Для впровадження систем такого класу було розро-блет математичш моделi роботи систем теплопостачання на основi двох ввдновлювальних джерел енергп.
При моделюванш роботи сонячного колектора основними характеристиками для ощнки енергетич-ного потенцiалу сонячного випромшювання е сумарна сонячна радiацiя та 11 складовi частини - пряма i ди-фузна радiацiя що надходить на поверхню колектора, яка визначаеться за формулою:
н=нь-яь+н+(Нь+ндя/
де Нь,На- вiдповiдно, штенсившсть прямо! i ди-фузно'1 складових частин шсоляцп на горизонтальну поверхню, Вт/м2;
- вiдповiдно, безрозмiрнi поправочнi ко-ефiцiенти для прямо!, дифузно'1 радiацii та вiдбитоi ввд землi та оточуючих предметiв.
Сумарт втрати енергп гелiоколектором:
ОргК = ОР2 + Ок2 + + ОБ
де ЦР2 - втрати енергп випромшюванням вiд по-верхнi адсорбера до скла;
0К2 - втрати енергii конвекцiею ввд поверхнi адсорбера до скла;
QИ,QБ - вщповщно, втрати енергii теплопроввдш-стю вiд поверхнi адсорбера до навколишнього середо-вища крiзь теплоiзольовану нижню стшку та боковi стiнки колектора.
На основi цих та iнших розрахунюв корисне тепло можна визначити за формулою:
агк = Агк ■ FR [(та) .н - Кгк(Т, - Тн)]
де а гк - теплова продуктившсть сонячного колек-тору, Вт;
АГК - площа сонячного колектору, м2;
Н - густина потоку сонячного випромшювання, що надходить на нахилену поверхню колектора;
КГК - повний коефвдент втрат енергп, Вт/( м2К);
Т - температура робочого тша на входi в ГК, К;
Тн - температура навколишнього середовища, К;
FR - ефективний коефвдент вiдводу тепла ввд со-нячного колектора;
та - оптичний коефвдент.
При моделюванш роботи Грунтового колектора основними характеристиками для оцшки енергетич-ного потенщалу е кiлькiсть теплоти Qf,L, що сприйма-еться робочою рiдиною одинично! Грунтово! трубки для довiльного моменту часу, можна визначити за рiвнянням:
Qf,
(tf,j t=t, tf,^ t=t, )
Q
TH
^ = w ■ A ■ n ■ t = t. m з 1
T - T
Tf,0 t = t Tf,1 t = t. 11
корисного тепла вiд плошд сонячних колекторiв, за-лежнiсть юлькост трубок вiд рiзницi температур на входi в Грунтовий колектор та виходi з нього рис. 4 (зправа), а також залежшсть юлькосп трубок вщ ïx-нього дiаметра.
де wm = u p F0 - масова витрата робочо! рвдини ГТ, кг/с;
u - швидюсть теплоносiя ГТ, м/с;
р - густина теплоноая ГТ, кг/м3;
F0 - площа поперечного перерiзу Грунтово! трубки,
м2;
cp - теплоемшсть теплоносiя ГТ, кДж/(кг-К); Tf,p, Tf,k - вiдповiдно, температура рiдини на вxодi та на виxодi Грунтово! трубки, К.
Потiк тепла, що тдводиться до робочого тiла "Грунтового" випарника теплового насосу по Грунтовим трубкам загальною кiлькiстю n, можна визначити за рiвнянням:
де Tf,o - початкова температура робочо1 рiдини ГТ на входi в "грунтовий" випарник теплового насосу, К;
Tf,i - кiнцева температура робочо! рiдини ГТ на ви-ходi з "грунтового" випарника теплового насосу, К.
Моделювання котла на бiопаливi непотрiбне осюль-ки для сонячно-бюпаливно! системи вiн вибираеться по недостачi тепла, тобто вiд необхiдноi юлькосп тепла вiднiмаемо те, що забезпечуе сонячний колектор i такоi потужностi вибираем котел на бюпаливь
На основi цих математичних моделей нами була розроблена програма в програмно-орiентованому се-редовищi Delphi загальний вигляд якоi представлений на рис. 3.
Рис. 3. Загальний вигляд програми
Дана програма дозволяе розраховувати по зада-нш юлькост тепла необхщну кiлькiсть сонячних та Грунтових колекторiв i навпаки по заданiй юлькосп колекторiв розрахувати кiлькiсть корисного тепла, що виробляеться ними.
Також ця програма будуе графжи залежносп юль-кiсть корисного тепла вщ температури робочого пла для сонячних колекторiв рисунок 4 (злiва), кiлькiсть
Рис. 4. графки залежностi кiлькостi робочого тепла вщ температури робочого тiла (злiва) та залежшсть ктькосп трубок вiд рiзницi температур на входi i виходi з теплового насосу(зправа)
Висновки з даного дослщження i перспективи по-дальших дослiджень у даному напрямку
Отже можна сказати, що в змшних клiматичниx умовах даш системi альтернативного теплопостачання е досить надшними i здатними забезпечити необхщ-ний температурний режим, як гарячого водопостачан-ня так i системи опалення в щлому.
До переваг цих систем теплопостачання можна ввднести:
- великий ступiнь надшносп забезпечений ви-користанням двох вщновлювальних джерел енергiï з пiдключенням третього резервного;
- простота конструкцп.
До недолжв можна вiднести:
- система опалення та гарячого водопостачання е змшаш мiж собою;
- зб^ьшення цiни,
З нашоï точки зору подальша робота стосовно даних систем теплопостачання повинна бути направлена на розробку режимiв роботи, а також систему керування.
Лиература
1. Денисова А. Е., Кальдерой Т. У. Оценка эффективности
работы гелиосистем теплоснабжения в климатических условиях Украины // Придшпровський науковий вюник (Техшчш науки). - 1998.
2. Smil V. Energies: an illustrated guide to the biosphere and
civilization. - Massachusetts Institute of Technology: MIT Press Cambridge, Massachusetts, London, England. - 1999. - 210 p.
3. http://www.ive.org.ua/stattya_3.htm
4. http://www.niss.gov.ua/Table/don/index.htm
5. Денисова А.Е., Мазуренко А.С. Оценка доли замещения
тепловой нагрузки потребителя комплексной альтернативной системой теплоснабжения // Холодильная техника и технология . - 2000. - № 67. - С. 48 - 51.
