CC BY
50
-□ □-
В роботi розглянуто сучасну проблему альтернативного децентралiзованого теплопо-стачання житлових будiвель. Представлено варiанти теплопостачання при використан-т в якостi джерела тепла електроенерги. Проведено технiко-економiчний аналiз рiзно-мантних варiантiв альтернативного теплопостачання. Розглянуто наслидки тдивгду-ального переводу систем теплопостачання на використання електроенерги. Доведено дощльтсть використання теплових насоЫв у парi iз акумуляторами тепла для потреб теплопостачання
Ключовi слова: системи теплопостачання, тепловi насоси, акумулятори тепла, тех-
нiко-економiчний аналiз
□-□
В работе рассмотрена современная проблема альтернативного децентрализованного теплоснабжения жилых домов. Представлены варианты теплоснабжения при использовании в качестве источника тепла электроэнергии. Проведен технико-экономический анализ разнообразных вариантов альтернативного теплоснабжения. Рассмотрены последствия индивидуального перевода систем теплоснабжения на использование электроэнергии. Доказана целесообразность использования тепловых насосов в паре с аккумулятором тепла для нужд теплоснабжения
Ключевые слова: системы теплоснабжения, тепловые насосы, аккумуляторы тепла,
технико-экономический анализ -□ □-
УДК 697.112.2
|DOI: 10.15587/1729-4061.2014.28012|
ПОР1ВНЯЛЬНИЙ АНАЛ1З СИСТЕМ ДЕЦЕНТРАЛ1ЗОВАНОГО ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ ЖИТЛОВИХ БУД1ВЕЛЬ 13 ВИКОРИСТАННЯМ ЕЛЕКТРОЕНЕРГИ
О. А. Мазурен ко
Доктор техшчних наук, професор, завщувач кафедри* E-mail: antmaz46@gmail.com О. А. Климчук Кандидат техшчних наук, доцент, докторант* E-mail: aklimchuk74@rambler.ru О. М. Шрамен ко Астрант*
E-mail: alexandr.shramenko@gmail.com О. А. Сичова
Кандидат техшчних наук, старший викладач* E-mail: starlen77@mail.ru *Кафедра теплових електричних станцш та енергозбер^аючих технологш Одеський нацюнальний полЬехшчний ушверситет пр. Шевченка, 1, м. Одеса, УкраТна, 65044
1. Вступ
В Укра1ш шнують певш ризики залишитись в зимовий перюд без необхвдно1 юлькосп енергоноспв на потреби енергетичного ринку. Одним iз суттевих спожи-вачiв енергоноспв е житлово-комунальний сектор, який вживае бшьше 30 % газоподiбного палива на потреби теплопостачання. При цьому в бшьшосп великих мкць доля газоподiбного палива на потреби теплопостачання складае понад 80 %. Враховуючи Закон Украши про енергозбереження [1] i Програми кабiнету мiнiстрiв [2] необхвдно знаходити альтернативнi джерела тепла для споживачiв житлово-комунального сектору. В сшьськш мiсцевостi як альтернатива може бути використано тверде паливо: вуплля, дрова, пеллети, рiзноманiтнi горючi ввдходи сiльського господарства [3]. У великих мктах iз централiзованим теплопостачанням можливо також розглянути питання про перехвд ввд газоподiб-ного палива на тверде, але це потребуе значного часу та коштiв. Також враховуючи геополггичш обставини на Украiнi вже гснуе певний дефiцит твердого викопного палива. Окрiм цього в мктах е досить великий сегмент
©
будiвель, в яких застосовано децентралiзовану систему теплопостачання - дахову котельню. В таких будiвлях, а 1х досить багато, фiзично неможливо переходити на тверде паливо. Отже на передодш опалювального сезону краша опинилась вкрай важкiй ситуацii i термiново потрiбно шукати альтернативу кнуючим традицiйним джерелам тепловоi енергii, особливо у великих мктах.
2. Аналiз лiтературних даних та постановка проблеми
На сьогодення науковцями в галузi теплопостачання розробляються та дослщжуються декiлька напрям-кiв вирiшення поставленоi проблеми:
- застосування електричного опалення i3 аку-мулюванням тепла в шчний перiод;
- використання теплових насоав для теплопостачання будiвель;
- встановлення модульних котелень на твердому паливГ;
- використання енергоустановок на альтернативному паливi [4, 5];
- комбшоване використання гелюсистем i3 тепло-вими насосами;
- штегроване використання рiзнорiдних ввдновлю-вальних джерел [6, 7] з компенсуючими можливостя-ми дефщиту одне одного i акумулюванням енергп [8] на базi теплових насоав;
- iнтегроване використання рiзнорiдних вiднов-лювальних джерел з компенсуючими можливостями дефiциту одне одного на базi теплових насосiв i когене-рацiйноi установки мало! потужностi тощо [9].
Всi вказанi напрямки дозволяють вирiшити в пев-нiй мiрi проблему альтернативного децентралiзовано-го теплопостачання, але мають певнi вади.
Використання шчного тарифу на електроенергiю для акумулювання тепла в цей перюд на потреби опалення може бути дощльним для будiвель i3 дво-перiодним режимом опалення. Такий режим зазвичай застосовуеться в будiвлях громадського призначення:
- навчальш заклади [10];
- заклади культурного дозв^ля;
- адмшютративш будiвлi;
- студентськi гуртожитки тощо.
В таких будiвлях температура в неробочий час може бути знижена до 5-10 °С, що приводить до знач-ного зменшення навантаження на системи опален-ня [11, 12]. В шчш години без суттевого збшьшення максимуму навантаження на електричш мережi може бути виконано зарядження теплового акумулятору за рахунок електроенергп. В робочий перiод вiдбуваеться розрядження акумулятора тепла на потреби опалення.
В житлових будiвлях температура в примщеннях в нiчний перiод не може бути знижена, що означае - для на^ву акумулятора тепла потрiбно суттева збшьшен-ня максимуму електричного навантаження будiвлi.
Використання теплових насоав для систем опалення значно зменшуе споживання електроенергп, однак слвд зауважити, що у бiльшостi сучасних теплових на-сосiв максимальна температура теплоноая у систему опалення не перевищуе 60 °С, в той час як опалювальш прилади будiвлi розрахованi на температуру 80 °С [13, 14]. При низьких температурах зовшшнього пови-ря це приведе до зниження температур у примщенш. Також треба пам'ятати, що зниження температури зовшшнього повггря для б^ьшост теплових насосiв приводить до зменшення потужностi, та (або) зменшення температури теплоносiя.
Встановлення модульних теплових котелень на твердому паливi може вирiшити проблему теплопостачання житлового масиву, але е двi вади:
- на сьогодення вже вщчуваеться дефщит якiсного твердого палива;
- встановлення котельш на твердому паливi у жит-ловому масивi може привести до попршення екологiч-ного стану.
Використання гелюсистем для потреб теплопостачання здатне зменшити споживання енергоресурав, але його питома частка у багатоповерхiвках у зимовий перюд досить незначна (зазвичай не б^ьше 10 %).
Наша краша мае великi потужностi з генерацп електроенергп на АЕС. Бшьш того, е велика проблема заповнення шчних провалiв електричних наванта-жень. Тому найбiльш реальною альтернативою природному газу на потреби теплопостачання в наших умовах може стати електроенерпя, але необхвдно про-
вести аналiз iснуючих варiантiв альтернативних систем теплопостачання та виявити найб^ьш доцiльнiшi технiчнi рiшення.
3. Цiль та задачi дослiдження
Для вирiшення поставлених проблем необхщно розглянути типовi ршення використання електрое-нергii для потреб теплопостачання, та запропонувати найб^ьш ефективний варiант.
Метою дослiдження е проведення аналiзу можли-вих схем теплопостачання будiвель iз використанням в якост джерела електроенергii, та запропонування необхщних доцiльних схем теплопостачання житлових будинюв iз використанням електроенергii.
Для досягнення поставленоi мети потрiбно провести:
- огляд юнуючих систем опалення iз використанням електроенергii;
- для типовоi багатоповерхiвки економiчний роз-рахунок переведення систем опалення на електроенер-пю для рiзних технiчних ршень.
Таким чином, розглянемо наступнi можливi варiан-ти переходу систем теплопостачання на електроенер-гiю як джерело тепла.
4. MaTepia™ та методи дослщження альтернативних isapiaiMiis систем дeцeнтpaлiзовaного теплопостачання
Дослщження проводили на основi доступних лгге-ратурних джерел та зiбраних експлуатацiйних даних рiзних систем теплопостачання iз використанням електроенергii.
4. 1. Самостшш варiанти переведення теплопостачання на електричну енерпю.
1. Найпростший з точки зору реалiзацii, е «Бюд-жетний самостiйний варiант». В цьому випадку меш-канцi будiвель самостiйно будуть встановлювати електричнi опалювальш прибори та електричш водо-нагрiвачi акумулятори. Перевагою даного варiанту е доступшсть - такi прилади коштують не дуже багато, тобто е певна реальшсть його реалiзацii. До недолтв слiд вiднести - не розраховаш систему енергозабезпе-чення на новi потужностi системи електропостачання, внаслвдок чого можуть бути ушкодження на електро-мережах (починаючi вiд розетки у квартирi закшчу-ючи кабелем та трансформатором що забезпечують будинок). При цьому у будiвлi не буде ш тепла, а ш свiтла, а нi води.
2. «Бюджетний самостiйний модернiзований варiант». Для зменшення навантаження на електрич-ш мережi проведення попередня термомодернiзацiю примщень (поки розглядаемо самостiйнi варiанти). В такому разi до переваг попереднього варiанту додаеть-ся зменшення навантаження на електричну мережу даноi квартири. Однак залишаються загальнi недолiки попереднього варiанту, тобто iншi мешканцi можуть не робити термомодершзащю своiх квартир i внаслiдок чого може бути перевантаження електричних мереж.
3. «Бiзнес самостiйний вар1ант». При цьому варiантi мешканець квартири встановлюе замiсть електричних конвекторiв кондицюнери iз функцiею
теплового насосу, як здатш працювати до «-20 °С». При такому варiантi мешканець квартири ще змен-шуе потреби електроенергii на опалення. При цьому варiантi в бiльшостi випадюв е достатня електрична мережа квартири, але цей варiант значно дорожчий шж перший та знову залежить ввд активностi мешканцiв iнших будiвель.
4. 2. Суспiльнi варiанти переведення теплопоста-чання на електричну енерпю
Далi розглянемо варiанти переходу на електрич-не теплопостачання сумiсними зусиллями вах меш-канцiв будiвлi.
Першим кроком мешканщв повинно стати термо-модернiзацiя будiвлi:
- теплова iзоляцiя стiн;
- замiна скло-пакетiв;
- встановлення мшцевих припливно-витяжних агрегатiв iз рекуперацiею тепла.
Останнiй пункт може здатись несуттевим та за-тратним, але варто пам'ятати, що до 30 % це втрати тепла iз шфшьтращею (вентиляцiею) примiщень.
Шсля термомодернiзацii будiвлi е декiлька варiантiв централiзованого теплопостачання.
4. «Бюджетний централiзований». При цьому варiантi у тепловому пункт встановлюються елек-тричнi котли з потужшстю необхiдною для забез-печення потреб теплопостачання будiвлi. Перевага цього варiанту - низька вартшть обладнання, простота установки та обслуговування. Недолжи варiанту - як правило недостатня вхщна потужнiсть електромереж, внаслщок чого необхiдно буде додат-ково прокладати кабель до б^ьш потужного трансформатору. Також слщ вiдмiтити високу собiвартiсть опалення.
5. «Бюджетний централiзований модершзова-ний». При цьому варiантi теплопостачання здшс-нюеться з використанням акумулюючоi емностi. Пiдiгрiв теплоноия в такiй емностi здiйснюеться завдяки електричному котлу в шчний час та у день в перюд низькоi загрузки електроенергii. Перевагами такого варiанту можуть бути низька ткова потужнiсть електроенергii та знижена собiвартiсть тепловоi енергii завдяки використанню двохтариф-ноi системи облiку електроенергп. Недолiки - ще зберiгаеться висока ймовiрнiсть додаткових витрат по посиленню електромережь
6. «Бiзнес централiзований варiант». Зменшен-ня максимального навантаження на електроме-режi можна досягти використанням тепловий насос. Перевага представленого варiанту полягае в зменшенш ткового навантаження на електромережi та в зниженш собiвартостi виробленого тепла. Не-долiк такого рiшення - висок капiтальнi витрати та ймовiрнiсть необхщност посилення зовнiшньоi електромережi.
7. «^знес централiзований модернiзований варiант». При цьому варiантi можливо звести до мжмуму ймовiрнiсть необхiдностi посилення еле-менив зовнiшньоi електромережi. В такому варiантi поряд iз тепловим насосом застосовуеться бак-аку-мулятор, який використовуеться у години зменшен-ня електроспоживання будинком (наприклад у шчш години та у денш робочi години). Основною перева-
гою такого ршення е суттеве зменшення собiвар-тостi виробленого тепла та висока ймовiрнiсть вщмо-ви вщ посилення зовнiшнiх елементiв електромереж. Недолжом такоi системи е досить значш капiталов-кладення.
5. Результати дослщжень ефективностi застосування рiзних альтернативних систем теплопостачання
Для проведення порiвняльного технiко-економiч-ного аналiзу приведених варiантiв альтернативного теплопостачання було обрано житлову будiвлю, що розташована в м. Одеса. Результати розрахунюв пред-ставленi в табл. 1.
Основш показники будiвлi:
- кiлькiсть поверхiв - 9;
- загальна площа - 3300 м2;
- матерiал стiн - цегла ефективна;
- товщина стш - 640 мм;
- юльюсть мешканцiв - 120 чол;
- максимальна електрична потужшсть на побутовi потреби - 100 кВт.
В наведенiй таблицi не вказана варпсть модерш-зацii зовнiшньоi системи електропостачання будiвлi. Вартiсть такоi модершзацп в залежностi вiд умов може становити ввд сотен тис грн. до юлька мiльйонiв грн. Варто зазначити, що в бшьшосп варiантiв така модер-нiзацiя може бути техшчно неможливою. Якщо додати витрати на модершзащю системи електропостачання будiвлi то значно зменшиться термiн окупносп енер-гозберiгаючих систем теплопостачання.
Варткть термомодернiзацii будiвлi за укрупненими показниками склала 716 тис. грн.
Використання електроенергп на потреби опалення значно зб^ьшуе загальне споживання електроенергп будiвлi (рис. 1). Для суттевого зменшення ткового навантаження електроенергп дощльно використовувати акумулювання тепловоi енергп (рис. 2, 3) впродовж перюду низького електричного навантаження та ви-трачати акумульоване тепло в години максимального електричного навантаження.
Використання акумулятора тепла разом iз елек-трокотлами при застосуванш централiзованого теплопостачання (рис. 2) дозволяе зменшити величину ткового навантаження та вирiвняти добове споживання електроенергп.
Однак цей варiант змушуе модершзувати систему зовшшнього електропостачання, що в багатьох ви-падках е досить проблематичним.
Можлившть обштись без модершзацп зовшшшх теплових мереж може дати система теплопостачання iз використанням теплового насосу та бака-акумуля-тора. При цьому необхщно провести термомодернiза-цiю будiвлi, виходячи насамперед iз наявних потуж-ностей електроенергii. Ця обставина може вказати на «глибину» термомодернiзацii, та визначити основш катталовкладення.
В якоси акумулятора тепла при використаннi б^ьшосп теплових насосiв (одноступiнчастi) мож-на використовувати воду, однак невеликий перепад температур 40-60 °С викликае досить велию об'е-ми акумулюючого матерiалу. Так для акумулювання 1 кВт-год тепловоi енергii потрiбно 43 л. води.
уз
Таблиця 1
Основы технiко-економiчнi показники модержзацп системи теплопостачання
№ Найменування вар1анту Теплова потужтсть, кВт Електрична потужтсть Кашталовкла-дення, тис. грн Соб1вартють тепла грн/кВт год Витрата енергй за рш, кВт- год. Вартють енергй за рш, грн. Термш окупносп, рж
1 бюджетний самостшний вар1ант 264* 277 118 0,24 668145 160 354 ---
2 бюджетний самостшний модершзований вар1ант 131** 137 829 0,24 404802 97 152 11
3 б1знес самостш-ний вар1ант 131 93**** 1567 0,08-0,24 303162 72 759 16
4 Бюджетний централ1зоване вар1ант 131 137 784 0,24 404802 97 152 11
5 Бюджетний централ1зоване модертзовано вар1ант 131 137 1016 0,24 404802 97 152 14
6 Б1знес централь зоване вар1ант 131 66***** 1 076 0,08-0,12 134934 32 384 8
7 Б1знес модерт-зовано централь зоване вар1ант 131* 66 1 576 0,08-0,12 134934 32 384 11
Позначення в табл. 1:
* - враховуеться теплова потужтсть на системи опалення 210 кВт та встановлення квартирних електро-бойлерiв iз врахуванням коефгщентгв одночасностi - 54 кВт.
** - враховуеться теплова потужтсть на системи опалення 77 кВт та встановлення квартирних електро-бойлерiв iз врахуванням коефгщентгв одночасностi - 54 кВт.
*** - враховуеться потужтсть на системи опалення 210 кВтiз коеф^ентом трансформацп 2 та встановлення квартирних електро-бойлерiв iз врахуванням коефiцiентiв одночасностi - 54 кВт.
**** - враховуеться потужтсть на системи опалення 77кВтiз коеф^ентом трансформацп 2 та встановлення квартирних електро-бойлерiв iз врахуванням коефiцiентiв одночасностi - 54 кВт.
***** - враховуеться потужтсть на системи опалення 77 кВт та приготування гарячог в центральному бойлерi iз коеф^ щентом трансформацп 2.
250
Рис. 1. Графiчнi залежносп добового споживання електроенерги житловою будiвлею взимку при рiзних варiантах теплопостачання: 1 — бюджетний самостшний
варiант; 2 — бюджетний самостшний модержзований варiант; 3 — бiзнес самостшний варiант; 4 — бюджетний централiзований варiант; 5 — бюджетний централiзований модержзований варiант; 6 — бiзнес централiзований варiант; 7 — бiзнес модержзований централiзований варiант; нижня лЫя — графк добового споживання будiвлi електроенерги на побутовi потреби
200
н И
X
л 150
н
Ь 100 н
О
н
50
\
у'
/
/
и
\
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 час, год
Рис. 2. Графки залежносп споживання електроенерги будiвлi при бюджетному централiзованому модернi зованому варiантi: 1 — загальне енергоспоживання;
2 — енергоспоживання на систему теплопостачання;
3 — розрахункове навантаження на потреби опалення;
4 — енергоспоживання на побутовi потреби
Певний штерес при цьому викликають акумулято-ри тепла на основi фазового перетворення, як здатш
1
2
3
4
0
суттево зменшити об'еми теплових акумуляторiв (що найменш у два рази). В якосп акумулюючи матерiалiв може бути використано pi3Hi речовини, що мають температуру плавлення у межах 50 °С, наприклад парафiни.
140 120
о
к
£ 100
V
\
/
У .
л
ve-
/
80 -60 -40 -20 -0 -
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 час, год
Рис. 3. Графки залежност споживання електроенергп будiвлi при бiзнес модержзованому централiзованому варiантi: 1 — загальне енергоспоживання; 2 — споживання
електроенергп впродовж доби на побутовi потреби; 3 — споживання електроенергп впродовж доби на системи теплопостачання
Як видно i3 результапв дослвдження, при викори-станш для потреб теплопостачання теплового насосу та акумулятора тепла електроспоживання будiвлi впродовж доби не змшюеться, а максимум споживання електроенергп несуттево збшьшено (на 16 %) ввд пiкового споживання електроенергп на побутовi потреби.
7. Висновки
За результатами проведено'1 роботи можна зробити наступш висновки:
- шдиввдуальне переведення системи теплопостачання на використання електроенергп мешканцями будiвлi приводить до значного збiльшення електрич-ного навантаження на будiвлю, що без модершзацп системи електропостачання приведе до аваршного ввдключення будiвлi ввд електричних мереж;
- переведення системи теплопостачання на електро-енергiю в якосп джерела тепла без термомодернiзацiï будiвлi не може дати суттевих практичних результат;
- використання теплових насоав для централiзова-ного теплопостачання при переведен на електроенер-гiю значно зменшуе навантаження на електромережi;
- використання акумуляторiв тепла сумiсно iз аль-тернативними джерелами енергп та термомодершза-цiею будiвлi здатне суттево зменшити пiковi навантаження на системи електропостачання та дае можливкть вщмовитись вiд модернiзацiï зовнiшнiх електромереж.
1
2
Лиература
1. Закон Украши про енергозбереження: №74/94 вщ 1.07.1994 р. [Текст] / Закони Украши. - Кшв, 1997. - Т. 7. - С. 281-291.
2. Про стимулювання споживач1в природного газу 1 теплово!' енерги до переходу на електричне опалення та гаряче водопоста-чання [Текст] / Постанова кабшету мшютр1в вщ 9.07.2014.
3. Денисова, А. 6. Оцшка ефективност бюгазових електростанцш [Текст] / А. 6. Денисова, Нго Мшь Х1еу //Зб1рник наукових праць нацюнальний ушверситет кораблебудування ¡м. НУК ¡м. адм. Макарова. -2014. - № 5-6. - С. 118-122.
4. Мазуренко, А. С. Економ1чна ефектившсть парогазових установок на бюпалив1 [Текст] / А. С. Мазуренко, А. 6. Денисова, Нго Мшь Х1еу / Енергетика: економжа, технологи, еколопя. - 2013. - № 1 (32). - С. 15-19.
5. Мазуренко, А. С. Энергетические характеристики биогазовых енергоустановок [Текст] / А. С. Мазуренко, А. Е. Денисова, А. А. Климчук, Нго Минь Хиеу, П. А. Котов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2014. - Вип. 1. - Т. 1, № 8 (67). - С. 7-12.
6. Денисова, А. Е. Особенности работы теплового насоса в комплексной альтернативной системе теплоснабжения [Текст] / А. Е. Денисова // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2001. - № 1. - С. 6-8.
7. Денисова, А. Е. Модель комплексной альтернативной системы теплоснабжения [Текст] / А. Е. Денисова, А. С. Мазуренко, Ю. К. Тодорцев // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2000. - № 5. - С. 8-12.
8. Денисова, А. Е. Аккумулирование энергии в гелиосистемах теплоснабжения [Текст] / А. Е. Денисова // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 2002. - № 2. - С. 9-14.
9. Баласанян, Г. А. Оценка эффективности интегрированных когенерационных систем [Текст] / Г. А. Баласанян // Экотехно-логии и ресурсосбережение. - 2006. - № 3. - С. 9-12.
10. Климчук, О. А. Установка комбшовано1 системи альтернативного теплопостачання навчального корпусу ОНПУ [Текст] / О. А. Климчук , Нго Мшь Х1еу, А.С.Мазуренко, А.6. Денисова // Матер1али IV мiжнародноi конференци мапстр1в, ас-трант1в та науковщвщв. - 2013. - Т. 2. - С. 92-94.
11. Мишин, М. А. Тепловой режим жилых зданий [Текст] / М. А. Мишин // Ползуновский вестник. - 2011. - № 1. - С. 104-115.
12. Алимгазин, А. Ш. Пути повышения энергетической эффективности теплонасосных технологий в РК [Текст] / А. Ш. Алимга-зин, Ю. М. Петин, А. П. Кислов // Вестник ПГУ им. С. Торайгырова, серия «Енергетика». - 2010. - № 2. - С. 25-39.
13. Щегольков, А. В. Проблемы потребления и экономии тепловой энергии в жилом фонде [Текст] / А. В Щегольков, М. А. Мишин// Ползуновский вестник. - 2011. - № 1. - С. 257-265.
14. Давыдов, В. О. Компьютерное моделирование теплових режимов жилых зданий [Текст] / В. О. Давыдов, О. Б. Максимова // Труды Одеського политехнического университета. - 2009. - № 1. - С. 67-72.
