CC BY
221
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
УДК 33:330.3.69 697:628.8
П. О. ФЕДОРОВ, канд. техн. наук, технический директор
ООО РЦКС "СтройСетьКомплекс" , г. Днепропетровск А. П. Федорова
Днепропетровский Национальный Горный Университет, г. Днепропетровск
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В РЕАЛИЯХ ПРИДНЕПРОВСКОГО РЕГИОНА
В статье показаны основные тенденции изменения стоимости тепловой энергии с учетом инвестиционной составляющей для небольших систем теплоснабжения, на базе возобновляемых источников энергии: солнечного нагревателя и грунтового теплового насоса с сезонным аккумулятором тепла.
У статті показано основні тенденції зміни вартості теплової енергії з врахуванням інвестиційної складової для невеликих систем теплопостачання, на базі поновлюваних джерел енергії: сонячного нагрівана і грунтового теплового насоса з сезонним
акумулятором тепла.
Постановка проблемы
Наличие эффективного сезонного теплового аккумулятора, соотношение доли солнечного и геотермального тепла являются определяющими факторами стоимости и срока окупаемости проекта.
На рис. 1 показана функциональная схема системы теплоснабжения потребителей.
Рис. 1. Схема системы теплоснабжения с возобновляемыми источниками энергии
Система состоит из: 1 - солнечного нагревателя (гелиоколлектора - ГК), 2 - водяного буферного теплоаккумулятора (для краткосрочного хранения тепла), 3 - сезонного (долгосрочного) грунтового теплоаккулятора - ТА типа BTES (Borehole Thermal Energy
Storage), состоящего из U-образных полиэтиленовых тепловых зондов, опущенных в скважины таким образом, чтобы оконтурить часть подземного пространства в виде углубленного цилиндра или параллелепипеда, 4 - грунтового теплового насоса с 5 -бойлером. Все эти устройства, в комплексе, работают на 6 - тепловую нагрузку в виде сети потребителей тепла.
Циркуляция теплоносителей по контурам осуществляется циркуляционными насосами, встроенными в гидроблоки - 7, которые, в свою очередь, регулируют температуру теплоносителя и управляются центральным контроллером.
Принцип работы такой системы основан на использовании солнечной энергии и геотермального тепла для отопления зданий.
Летом используется бесплатное солнечное тепло: прогретый гелиоколлектором теплоноситель (+40 ...+60ОС), циркулирует по грунтовому контуру и прогревает объем сезонного грунтового теплоаккумулятора, поднимая температуру обводненного грунта до +20-40 ОС.
В отопительный сезон, система работает на выемку тепла из сезонного теплоаккумулятора через буферный теплообменник, что не исключает пополнения тепловых запасов в буферном накопителе от гелиоколлектора в солнечные дни.
Когда сезонный ТА охлаждается до температуры 10-15 oc, близкой к температуре окружающего грунта, тепловой начинает забирать из него низкопотенциальное тепло.
Вспомогательный нагреватель-бойлер при необходимости «догревает» отопительный контур и осуществляет горячее водоснабжение.
Инженерная модель
Для расчета экономических показателей составлена инженерная модель системы, описывающая основные рабочие процессы:
- получение солнечного тепла с помощью гелиоколлекторов;
- хранение тепла в сезонном ТА;
- выемка накопленного солнечного тепла тепловым насосом из сезонного ТА;
- выемка тепловым насосом низкопотенциального тепла из окружающего грунта после охлаждения сезонного ТА.
Для расчета характеристик системы используются инженерные методы, основанные на базовых физических зависимостях и экспериментальных данных по отдельным параметрам. Точность таких расчетов позволяет проводить предпроектный технико-экономический анализ систем теплоснабжения.
Процесс получения солнечного тепла описывается уравнением нагрева теплоносителя в гелиоколлекторе (2):
P. = Fr * A\H * R(r *а)-V (tm - ta) * T L
где: P. - теплота, полученная от коллектора;
Fr - комплексный коэффициент эффективности отвода тепла;
A - поглощающая площадь коллектора;
H - интенсивность солнечной радиации на горизонтальной плоскости в данном регионе;
R - коэффициент преобразования «горизонт-наклон»;
r - пропускная способность покрытия;
Vi - коэффициент теплопередачи;
а -поглощающая способность пластин;
tm - температура теплоносителя на входе коллектора;
ta -температура окружающей среды;
Thc - эффективное время работы коллектора.
Интенсивность солнечной радиации для Приднепровского региона определяется по данным NASA опубликованным на сайте этой организации.
Все остальные характеристики ГК приняты применительно к вакуумным трубчатым нагревателям, работающим в летнее и зимнее время.
Расчет теплопереноса из/в грунтовый сезонный ТА определяется по формуле:
stk
)
Рвтея - теплота в/из ТА;
где:
t/ - средняя температура теплоносителя в теплообменнике(оценивается как среднее входной и выходной температур);
tstк - средняя температура грунта в ТА;
иА - аккумулирующая способность сезонного ТА. Зависит от суммарной длины скважин и теплового сопротивления прискважинной зоны и грунта.
Тепловое сопротивление грунта рассчитывается для окружности вокруг каждой скважины. Для квадратичного или гексагонального расположения скважин сезонного ТА описывается выражением (3):
Я/ =1 пХ 1 2
1п
* гь - 0,75
+ Я*
при
К
*гь > 15,
где: Я/ - тепловое сопротивление грунта в установившемся режиме;
Х - средняя теплопроводность грунта;
гь - радиус бурения скважины;
Я* - эффективное тепловое сопротивление самой скважины;
Ар - площадь теплохранилища вокруг каждой скважины;
Таким образом, аккумулирующая способность связана с конструктивными параметрами BTES:
ил =<”*Н) ,
л Я/
где: п -количество скважин-зондов грунтового теплообменника;
Н - глубина зондов.
Удельная теплоемкость т BTES оценивается по объемной теплоемкости грунта и объему ТА:
Ср = РС *VBTES = РС * п * АР * Н ,
где: рс - средняя объемная теплоемкость;
УвтЕ5 - объем сезонного ТА;
С - удельная теплоемкость ТА;
Максимальное количество тепловой энергии, которое может храниться в сезонном ТА зависит от максимальной и минимальной температур хранения, на протяжение сезонного цикла.
С = С к* - tt,■) ,
sp \ stk тах stk тт / ’
где: tstkтах - максимальная температура хранения; tstкт1п- минимальная температура хранения.
При хранении тепла в ТА теплопотери, в основном, обусловлены кондуктивным теплообменом, т. к. при выборе места бурения тепловых зондов предпочтение отдается тому,
31
где низкий коэффициент фильтрации подземных вод (<10 м/год)
P = U (t -1 )* T
loss A stkmoy o year
где: Ploss - годичные теплопотери ТА ;
tstkmoy - среднегодовая температура хранения тепла;
to - окружающая температура грунта;
T - длительность годичного хранения.
В целом, конструкция сезонного ТА типа BTES - несложная, что дает возможность оценить стоимостные показатели при его строительстве.
Таким образом, вкратце, описаны методики оценки количества полученного и запасенного солнечного тепла. Остается, оценить режим функционирования системы работающей с использованием низкопотенциального тепла грунта (при охлаждении грунтового теплоаккумулятора до tstk к to =8-12oC).
В этом случае обогрев зданий осуществляется тепловым насосом, минуя буферный теплообменник.
Количество тепла, при этом можно оценить исходя из усредненных эмпирических данных по региону:
Nt = Nэ + Ngeo = Nэ (1 + COP) ,
где:
Nt - тепловая мощность на выходе теплового насоса;
N:3 - электрическая мощность, потребляемая компрессором;
COP - коэффициент преобразования теплового насоса;
Ngeo = Nэ * COP - геотермальная тепловая мощность, полученная из грунта, при
соблюдении избыточного подвода тепла из грунта.
По опыту монтажа и эксплуатации грунтовых тепловых насосов в Приднепровском регионе, с одного погонного метра теплового зонда снимается, в среднем, g~50 Вт/м тепловой мощности. При таком съеме тепла исключен режим «заморозки» грунта на протяжении отопительного периода и большинство тепловых насосов оснащается тепловыми зондами, именно, исходя из такого соотношения.
Из этого сразу вытекает верхнее значение тепловой мощности, которую можно получить из зондов грунтового тепло - аккумулятора с помощью теплового насоса:
COP
N* = (n * H * g) *
{cop -1)
где: Nge0 = n * H * g
Количество тепла Рр ,которое может дать тепловой насос при работе с «холодным» (<15 °С) грунтом:
P = N * tT
tp tp
где: Тр - моторное время работы теплового насоса.
Для оценки экономических показателей системы теплоснабжения применим балансовый метод расчета энергетических потоков между основными функциональными элементами на протяжении года (рис. 2):
Р0^ - выходной поток тепловой энергии от системы к потребителю;
РщМ - затраты энергии на догрев теплоносителя во вспомогательном нагревателе (электрическом, газовом, твердотопливном);
32
Ре1 ^ - затраты электроэнергии на работу грунтового теплового насоса;
Рех -тепловая энергия, изымаемая из сезонного ТА;
Ріп - тепловая энергия, инжектируемая в сезонный ТА;
Р1ояя - потери тепловой энергии в сезонном ТА;
Рех ^ - низкопотенциальная, геотермальная тепловая энергия, изымаемая грунтовым тепловым насосом.
Рис 2. Балансовая модель системы теплоснабжения
В качестве комплексной оценки стоимости тепловой энергии применим показатель, учитывающий эксплуатационные и капитальные затраты для системы теплоснабжения (4):
Со., =(к * /а + С,хр )+ ^
оШ
где: К - суммарные капитальные затраты на систему теплоснабжения:
К Кгк + КСИС + К ДОГ + КГТН + КГАТ
К
ГК -
капзатраты на гелиоколлекторы;
Кс
К
- капзатраты на систему распределения тепла с буферным теплообменником;
ДОГ -
К
ГТН -
К
ГАТ -
капзатраты на вспомогательный нагреватель; капзатраты на грунтовый тепловой насос; капзатраты на сезонный грунтовый аккумулятор тепла;
1
а
- коэффициент аннуитета;
і - месячная ставка кредита; п - число лет кредитования;
P - тепловая энергия, вырабатываемая системой в течение года (кВт ч);
З - эксплуатационные затраты на обслуживание системы (амортизация, оплата оператора и т. п.);
З - затраты на производство тепловой энергии:
З = ЗР + ЗР + ЗР
enter add eltp sys ’
где: ЗРаМ - затраты на энергоносители для дополнительного нагрева теплоносителя
потребителю; ЗР lt - затраты на электроэнергию для грунтового теплового насоса,
работающего в компрессионном цикле; ЗР - затраты электричества на потребленную
тепловую энергию т. е. на электроэнергию насосов, поддерживающих циркуляцию теплоносителей в системе, работу автоматики и т. п.).
В качестве базового варианта для сравнения можно принять электроотопление с промышленным тарифом 1,05 грн/кВтчас и природный газ стоимостью 5,0 грн/куб.
В качестве основного масштабирующего фактора предлагается принять выходную тепловую мощность грунтового теплонасоса. В качестве базовых приняты тепловые насосы украинского производства фирмы В.Д.Е. (г. Киев), их технические и стоимостные параметры используются в расчете. Их мощность варьировалась по линейке машин от 12,2 до 150 кВт. Вторым варьируемым параметром - SE является процентная доля солнечной энергии в суммарной энергии нагрева (доля ГК).
Объем сезонного ТА типа BTES выбирается исходя из мощности теплового насоса, с учетом возможности его заполнения летом солнечным теплом. Расчеты проводились с учетом смет и калькуляций, предоставленных ТМ «Г ейзер» на строительство геотермальных полей, подземных тепловых резервуаров и тепловых насосов. Стоимость материалов и основных ресурсов принималась по состоянию на 2011-2012 г.г.
Результаты расчетов приведены на рис. 3-5.
Стоимость тепловой энергии, грн. за 1 кВтчас
10 30 50 70 90 110 130 150
«доля солнечного нагрева 73% ■57,60%
■31,20%
13%
Мощность теплового насоса, кВт
Рис. 3. Зависимость стоимости тепловой энергии от мощности теплоотдачи системы и доли солнечного нагрева в ее производстве
Срок окупаемости проекта системы л
теплоснабжения, Лет 10
мощность тепл
1 юсосо 130 кВт 90 кВт
2 50 кВт
13 31 58 73 доля солнечного нагрева, %
Рис. 4. Зависимость срока окупаемости проекта от доли солнечного нагрева
в производстве тепла.
Рис. 5. Зависимость срока окупаемости проекта от теплоотдачи сезонного ТА
Выводы
Применение солнечных коллекторов в тандеме с грунтовыми тепловыми насосами для обогрева в Приднепровском регионе, актуально при использовании эффективных сезонных грунтовых тепловых аккумуляторов с возможностью изъятия более 50 % тепла, накопленного летом. В этом случае, небольшой срок окупаемости проекта до 3-4 лет, наблюдается при достижении доли суммарной солнечной энергии в нагреве 70-75 %. Дальнейшее увеличение доли солнечного тепла ограничивается общей теплоемкостью сезонного аккумулятора.
Применение компрессорного грунтового теплового насоса с его температурными режимами, дает возможность эффективно использовать сезонный грунтовый тепловой аккумулятор за счет более интенсивного теплообмена при невысоких температурах 20-25 °С хранения тепла в грунте. Невысокие температуры сезонного хранения, в свою очередь, снижают потери тепла и не требуют применения тепловых зондов с повышенными рабочими температурами.
При снижении доли солнца в нагреве < 65 %, экономические параметры таких комбинированных систем приближаются к параметрам обычных систем с грунтовыми тепловыми насосами (срок окупаемости 5-7 лет). При этом нерентабельно строительство дорогостоящих буферных тепловых резервуаров. В случае неинтенсивного использования
солнечного тепла, гелиоколлекторы только ухудшают экономику и эффективнее обходиться только грунтовым тепловым насосом, как источником тепла.
Список литературы
1. J. Nupbicher, D.Mangold etc.”Solar assisted heating system with seasonal duch heat store in Neckarsuim-Amorbach (Germany)”. EuroSun2004, 14 Int. Sonnenforum, Freiburg .2023/06/2004.
2. У. Бекман, С. Клейн, Дж. Даффи. Расчет систем солнечного теплоснабжения. М., Энергоиздат, 1982, 80 с.
3. Daniel Pahud “ The design of a borehole thermal energy storage requires dynamic system simulation, especially for a system without heat pump. “ SUPSI-DCT-LEE Laboratoria di Energia ,Ecologia ed Economia , 12/05/2002, P.P. 66-81.
4. Сайт компании «Спецклиматсервис» http://s-climate-s.com.ua
5. Сайт ТМ «Гейзер» http://skvagina.dp.ua/
TECHNICAL AND ECONOMICAL CHARACTERISTICS OF HEATING SYSTEM BASED ON RENEWABLE SOURCES OF POWER USING DNIPRO REGION AS A
CASE STUDY
P. O. FEDOROV, Candidate of Engineering, director general A. P. FEDOROVA
The paper shows main trends for changes in the cost of heat energy considering investment component for small heat supply systems based on renewable sources of power: solar heater and earth heat-pump with the seasonal heat accumulator.
Поступила в редакцию 21.04 2013 г.
