РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

GEOTHERMAL PLANTS

Статья поступила в редакцию 16.03.12. Ред. рег. № 1272 The article has entered in publishing office 16.03.12. Ed. reg. No. 1272

УДК 621.483

РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Л.А. Огуречников

Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН 630090 Новосибирск, пр. Ак.Лаврентьева, д. 1 Тел.: (383) 330-60-40; e-mail:ola@itp.nsc.ru

Заключение совета рецензентов: 22.03.12 Заключение совета экспертов: 30.03.12 Принято к публикации: 04.04.12

Развитие экологически чистых ресурсосберегающих технологий по выработке тепловой энергии на альтернативных теплоисточниках (геотермальных, возобновляемых, вторичных сбросных низкопотенциальных энергоресурсах и окружающей среды) позволяет получить необходимый товар при достигнутой экономии органического топлива, экологический эффект в виде сокращения теплового загрязнения окружающей среды и выброшенного в атмосферу СО2. Комбинация ресурсосберегающей парокомпрессионной теплонасосной технологии с котельными установками позволяет создать комбинированную систему теплоснабжения с качественным регулированием температуры теплоносителя, отпускаемого потребителю в зависимости от температуры наружного воздуха. В данной статье анализируются возможные режимы работы такой системы, включая раздельную работу каждого элемента системы и их совместную работу. Показано, что комбинированная система теплоснабжения в зонах децентрализованного теплоснабжения позволяет существенно снизить от 35 до 74% (в зависимости от температуры низкопотенциального источника) потребление органического топлива по сравнению с автономными традиционными котельными отопительными системами.

Ключевые слова: ресурсосбережение, условное топливо, котельная установка, бивалентный режим, экономия условного топлива.

RESOURCE-SAVING COMBINED SYSTEM OF HEAT SUPPLY

L.A. Ogurechnikov

Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS 1 Ac. Lavrentiev ave., Novosibirsk, 630090, Russia Tel.: (383) 330-60-40; e-mail:ola@itp.nsc.ru

Referred: 22.03.12 Expertise: 30.03.12 Accepted: 04.04.12

Development of environmentally responsible technologies of heat production on the basis of alternative heat sources (geother-mal, renewable, secondary waste low-potential energy resources and ambient medium) allows production of required goods with achievable economy of organic fuel, ecological impact in the form of reduction of thermal contamination of the ambient medium and released СО2. Combination of resource-saving heat-pump technology with boiler plants allows creation of the combined system of heat supply with high-quality regulation of heat-carrier temperature, delivered to the consumer depending on the temperature of external air. This paper analyzes possible operation conditions of such a system, including separate operation of every element and their combined operation. It is shown that the combined system of heat supply in the zones of decentralized heat supply allows a significant reduction from 35 to 74% (depending on the temperature of low-boiling source) in consumption of organic fuel in comparison with autonomous conventional boiler heating systems.

Keywords: resource saving, equivalent fuel, boiler plant, bivalent operation, сonsumption of equivalent fuel.

Введение

Теплонасосные установки (ТНУ) могут работать в моновалентном режиме, покрывая самостоятельно (например, весной и осенью) потребности в тепле, и в бивалентном режиме совместно с котельной установкой (за рубежом так называемая система «PERCHE»). Тот или иной источник тепла включается в зависимости от температуры наружного воздуха.

При этом ТНУ включаются только в часы сниженных тарифов. Во Франции по системе «PERCHE» отапливается около 20 тыс. квартир [1]. В России не существует дневных и ночных тарифов на электроэнергию для населения. Он устанавливается единый. Однако зарубежный опыт привлекателен и позволяет проанализировать комбинированную технологию теплоснабжения в составе парокомпрессионной теп-лонасосной и котельной установок.

Постановка задачи и метод решения

ф,- = (0,65 ^ 0,75) Тисп/(ТКонд - Тисп).

(2)

В качестве критерия эффективности комбинированной системы теплоснабжения принят расход органического топлива. Задача исследования заключается в анализе режимов работы комбинированных систем теплоснабжения на базе котельных установок и паро-компрессионных тепловых насосов с низкокипящим веществом Я134а с целью дальнейшего повышения эффективности отопительных систем. Рассмотрены различные режимы работы котельной установки и теплового насоса, включая раздельную работу (моновалентный режим) каждого из элементов системы и их совместную работу (бивалентный режим).

Рассматривается комбинированная система отопления, состоящая из парокомпрессионного теплового насоса (ТН) и котельной установки (КУ). Установленная тепловая мощность системы принята равной Qт = 1 Гкал/ч с продолжительностью отопительного периода к = 5450 ч/год. Прямая сетевая вода в подающем трубопроводе в зависимости от температуры наружного воздуха соответствует графику 95/70 °С, что обеспечивается качественным регулированием температуры. Рассматриваются различные режимы работы системы, включая раздельный режим работы ТН и КУ и совместный (бивалентный). Критерием эффективности комбинированной системы отопления является минимум расхода условного топлива. Расход условного топлива на котельную установку определяется тепловой нагрузкой и коэффициентом полезного действия КУ, принятого равным 0,8. В этих условиях расход условного топлива в отопительной системе при работе только котельной установки составит

Вку = Qт / Пку) = 973,2 т у.т./год. (1)

Эффективность использования теплонасосной технологии предполагает наличие источника низкопотенциального тепла. Поскольку набор источников и диапазон их температур весьма широк, то в исследованиях температура испарения хладона 4сп варьируется от 5 до 30 °С. Температура воды в подающем трубопроводе ¿пр, являющаяся функцией температуры окружающей среды, с учетом температурного напора позволяет определить температуру конденсации хладона ¿конд. Коэффициент преобразования энергии ф,- (низкопотенциального источника и работы сжатия хладона в компрессоре) в тепловом насосе определялся по зависимости

В этих условиях был рассмотрен раздельный режим работы теплового насоса и котельной установки.

В работе компрессора теплового насоса имеются ограничения, связанные со степенью сжатия паров низкокипящего вещества п < 7 и величиной абсолютного давления хладона за компрессором рк = 2125 (30) бар. В исследованиях были рассмотрены варианты использования теплового насоса до температур наружного воздуха ¿н.в = -25 °С (табл. 1). С понижением температуры наружного воздуха и, соответственно, повышением температуры прямой сетевой воды при фиксированной температуре низкопотенциального источника теплоты растет отношение давления за компрессором рк к давлению на входе хладона в компрессор рисп, что приводит к запредельным граничным условиям.

Для реализации отмеченных параметров потребуются компрессоры нового поколения по типу 6ББ-50УВЙ7ег, 19ХКСатег со ступенчатым сжатием, с секционными конденсаторами и охладителями перегретого пара. Разработка новых хладоновых компрессоров обусловлена тем, что их работа должна обеспечивать качественное регулирование температуры сетевой воды, подаваемой в систему теплоснабжения в течение всего периода их работы в зависимости от температуры наружного воздуха.

Для расчета среднегодового коэффициента преобразования энергии в ТН за период его работы ктн использовалось выражение

фср = Цф-А-УАт

(3)

Рассчитывалась эффективная мощность компрессора

Ne = бт/фс]

(4)

и количество теплоты, вовлеченное в систему теплоснабжения от низкопотенциального источника,

бнпи = бт - Ne.

(5)

Расход органического топлива при работе тепло-насосной установки определялся по количеству потребленной электроэнергии от ОАО «Энерго» из условия средних по стране расходов на выработку электроэнергии 340,5 г у.т./кВтч.

Исходные характеристики Initial characteristics

Таблица 1 Table 1

^н.в., С + 8 0 - 5 - 10 -15 - 20 - 25 -30 -35 -40

t °С 32,9 47,2 53,7 60,1 66,2 72,2 78,0 83,8 89,4 95,0

t °С ¿обр., ^ 29,5 39,4 43,8 48,0 52,0 55,8 59,5 63,1 66,6 70,0

h* n CT, 4 5450 4270 3290 2430 1550 910 488 205 89 15

Число часов стояния со среднесуточной температурой воздуха, равной и ниже данной.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Л.А. Огуречников. Ресурсосберегающая комбинированная система теплоснабжения

Обсуждение результатов

В табл. 2 представлен расход условного топлива при раздельной работе ТН и КУ для различных температур испарения хладона Я134а при различных температурах наружного воздуха (различном числе часов использования установленной тепловой мощности Qт = 1 Гкал/ч).

В табл. 2 показаны различные граничные температуры наружного воздуха, разделяющие работу источников теплоснабжения (до - работа ТН, после -работа КУ).

Сравнительный анализ показал (рис. 1), что для всех режимов раздельной работы парокомпрессион-ного теплового насоса и котельной установки высокая температура низкопотенциального источника позволяет уменьшить работу сжатия в ТН и потребление электрической энергии, повысить коэффициент преобразования энергии и уменьшить расход условного топлива. Это общая закономерность для всех температур окружающей среды. С понижением температуры наружного воздуха возрастает тепловая нагрузка на парокомпрессионный тепловой насос, уменьшается коэффициент преобразования энергии, возрастает работа сжатия компрессора и, как следствие, увеличивается расход условного топлива.

Таблица 2

Расход условного топлива B (т у. т.) в комбинированной системе отопления при раздельной работе теплового насоса и котельной установки

Table 2

Consumption of equivalent fuel B (t e.f.) in the combined heating system at separate operation of heat pump and boiler

t °С -10 -15 -20

t °С 5/10/15/20/30 5/10/15/20/30 5/10/15/20/30

Втн 355,8/306,4/259,5/212,1/115,8 435/376,1/319,9/263,6/145,8 488,8/424,4/363,2300/168,7

Вку 276,8 162,5 87,1

Втн + Вку 632,6/583,2/536,3/488,9/392,6 597,5/538,6/482,4426,1/308,3 575,9/511,5/450,3/387,1/255,8

Рис. 1. Расход условного топлива на комбинированную систему отопления в зависимости от температуры испарения хладона при различных температурах наружного воздуха (1 - при работе КУ; 2, 4, 6 - суммарный расход топлива при раздельной работе ТН и КУ; 3, 5, 7 - при работе ТН на R134a) Fig. 1. Consumption of equivalent fuel in the combined heating

system depending on temperature of freon evaporation at different temperatures of external air (1 - at boiler operation; 2, 4, 6 - total consumption of fuel at separate operation of heat pump and boiler plant; 3, 5, 7 - at heat plant operation on R134a)

При этом происходит перераспределение тепловой нагрузки и уменьшение расхода топлива на котельную установку. Это влияние усиливается с увеличением температуры испарения хладона (температуры низкопотенциального источника тепла). В целом с понижением температуры окружающей среды суммарный расход топлива в комбинированной системе теплоснабжения уменьшается (рис. 2). С экономией топлива уменьшается экологический ущерб, связанный с загрязнением окружающей среды.

Экономия условного топлива дБ, % 80

*

—.

/ -

ч 2 3

60

40

40

0 10 20 30

Температура испарения хладона R134a "С

Рис. 2. Экономия топлива в комбинированной системе отопления в зависимости от температуры наружного воздуха при различных температурах испарения хладона R134a: 1, 2, 3 - при ^.в.= -10, -15, -20 °С соответственно Fig. 2. Fuel saving in the combined heat supply system depending on temperature of external air at different evaporation temperatures of freon R134a (1, 2, 3 - at Гнв. = -10, -15, -20 °С respectively)

При бивалентном режиме работы ТН и КУ обратная сетевая вода (табл. 1) подается на вход конденсатора, на выходе из которого температура фреонового пара фиксируется (так, например, при 4.в = -15 °С /пр= 66,2 °С = const). Дальнейший подогрев сетевой воды, связанный с понижением температуры окружающей среды, осуществляется в котельной установке. При этом обратная сетевая вода из системы отопления при условии /обр < /пр направляется на подогрев в конденсатор теплового насоса. В этих условиях при 4.в< -25 °С имеет место чисто котельный режим работы.

ды условного топлива в бивалентном режиме работы комбинированной системы теплоснабжения для температур стояния наружного воздуха 4.в. = -15 °С; -20 °С; -25 °С.

Несмотря на уменьшение коэффициента преобразования энергии с повышением температуры обратной сетевой воды, связанного с понижением температуры наружного воздуха, суммарный расход топлива в бивалентном режиме комбинированной системы теплоснабжения уменьшается.

С понижением температуры наружного воздуха уменьшается количество часов стояния среднесуточной температуры воздуха, равной и ниже данной. По этой причине уменьшается расход топлива на котельную установку. Полученные результаты свидетельствуют об экономичности данного режима по сравнению с традиционным котельным режимом теплоснабжения (табл. 3, рис. 4).

Рис. 3. Расход условного топлива на котельную установку: 1 - автономная работа КУ; 2 - работа КУ в бивалентном режиме

Fig. 3. Consumption of equivalent fuel per boiler plant: 1 - autonomous operation of the boiler plant; 2 - work of the boiler plant in the bivalent mode

Распределение тепловой нагрузки между ТН и КУ в бивалентном режиме совместной работы теплона-сосной и котельной установок осуществляется по температурам подогрева сетевой воды в каждом из элементов комбинированной системы отопления. Аналогичная процедура выполняется и для других более низких температур окружающего воздуха. На рис. 3 для указанного диапазона температур наружного воздуха показан расход топлива на котельную установку без учета работы теплового насоса (1) и в бивалентном режиме (2). В табл. 3 представлены расхо-

Рис. 4. Расход условного топлива в бивалентном режиме работы системы ТН и КУ при температурах наружного воздуха ¿нв. = -15, -20, -25 °C: 1, 3, 5 - при работе ТН; 2, 4, 6 - при работе ТН и КУ. Штрихи соответствуют обозначениям на рис. 1 Fig. 4. Consumption of equivalent fuel at bivalent operation of heat pump and boiler plant at temperatures of external air ¿н.в. = -15, -20, -25 °C: 1, 3, 5 - at heat pump operation; 2, 4, 6 - at heat pump and boiler plant operation. Strokes correspond to indications in Fig. 1

Таблица 3

Расход условного топлива Вбив (т у. т.) в бивалентном режиме работы ТН и КУ Consumption of equivalent fuel Вбив (t e.f.) at bivalent operation of heat pump and boiler

Table 3

t °С -15 -20 -15 - -20 -25 -20 - -25

t °С 5/10/15/20/30 5/10/15/20/30 5/10/15/20/30 5/10/15/20/30 5/10/15/20/30

в бив Втн 49,2/44,7/40,3/36,1/ 28,1 39,2/35,9/32,7/ 29,6/23,5 38,8/34,5/34,0/30,7/ 24,5 30,8/28,4/25,9/23,6/ 19,2 38,6/35,4/32,3/29,2/ 23,5

т~> бив Вку 49,1 27,6 139,9 15,8 80,3

B бив + В бив Втн + Вку 98,3/93,8/89,4/85,2/ 77,2 66,8/63,5/60,3/ 57,2/51,1 178,7/174,4/173,9/ 170,6/164,4 46,6/44,2/41,7/39,4/ 35,0 118,9/115,7/112,6/ 109,5/103,8

Вку 114,3 75,3 189,6 50,5 125,9

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Заключение

1. Выполненные исследования показали, что использование парокомпрессионной теплонасосной техники совместно с котельной установкой в зонах децентрализованного теплоснабжения позволяют существенно снизить потребление органического топлива от 35-41% до 60-74% (в зависимости от температуры низкопотенциального источника) при различных режимах работы элементов системы (раздельный, бивалентный) по сравнению с автономными традиционными отопительными котельными системами и повысить экологическую эффективность системы теплоснабжения.

2. Полученные результаты показывают целесообразность ресурсосберегающего бивалентного режима работы комбинированной системы теплоснабжения и возможность практического применения.

3. Наличие двух независимых теплоисточников повышает надежность теплоснабжения потребителей. При этом тепловая мощность котельной установки как пикового теплоисточника может быть существенно уменьшена исходя из общего теплового баланса комбинированной системы теплоснабжения и технических возможностей выбранного компрессора.

Список литературы

1. Tendance une perche a ceux qui paient trop cher leur chauffage // Rev. poletechn. 1989. No. 5. P. 689-690.