CC BY
22СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
SOLAR ENERGY
Статья поступила в редакцию 30.04.14. Ред. per. № 1995
The article has entered in publishing office 30.04.14. Ed. reg. No. 1995
УДК 662.997
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ СПОРТКОМПЛЕКСА ОТ КРЫШНОИ КОТЕЛЬНОЙ С СОЛНЕЧНОЙ ГЕЛИОУСТАНОВКОЙ
1 2 Р.А. Ильин , Р.А. Амерханое
'Лаборатория нетрадиционной энергетики Саратовского научного центра РАН при ФГБОУ ВПО Астраханский государственный технический университет 414025, Астрахань, ул. Татищева 16, АГТУ, кафедра теплоэнергетики
Тел.: (8512) 6141558 2ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» 350044, Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, кафедра электротехники, теплотехники и возобновляемых источников энергии
Тел.: (861) 221-59-42
Заключение совета рецензентов 05.05.14 Заключение совета экспертов 07.05.14 Принято к публикации 08.05.14
Рассмотрены вопросы энергоэффективности систем теплоснабжения спорткомплексов с бассейнами и современные методы их автономного обеспечения тепловой энергией на примере параллельной работы крышной газовой котельной и гелиоустановок, представлены технико-экономические показатели. Предложен вариант теплоснабжения спорткомплекса.
Ключевые слова: крышная котельная, гелиоустановки, теплоснабжение спорткомплекса, отопление спорткомплекса.
HEAT SUPPLY OF SPORT COMPLEX FROM ROOF BOILER ROOM WITH SOLAR
STATION
R.A. Ily 'in1, R.A. Amerkhanov
2
'Laboratory of non-traditional energetic of Saratov scientific center of RAS (under FSBEI HPI Astrakhan State Technological University)
414025, Astrakhan, 16, Tatischeva str., ASTU, chair of thermal energy Tel.: (8512) 6141558 2FSBEI HPI "Kuban State Agrarian University" 350044, Krasnodar, 13, Kalinina str., KubSAU, chair of electrical, heating and renewable energy The Institute of Problems of Chemical Physics of the RAS Tel.: (861) 221-59-42
Referred 05.05.14 Expertise 07.05.14 Accepted 08.05.14
Questions of energy efficiency of systems of a heat supply of sport centers with pools and modern methods of their autonomous providing with thermal energy on the example of parallel work of a roof gas boiler room and solar power plants are considered. Technical and economic indicators of such option of a heat supply of sport center are estimated.
Keywords: roof boiler room, solar power plants, sport center heat supply, sport center heating.
Ильин Роман Альбертович
Сведения об авторе: доцент, с.н.с. лаборатории нетрадиционной энергетики Саратовского научного центра РАН (при ФГБОУ ВПО Астраханский государственный технический университет).
Основной круг научных интересов: энергосбережение естественных ресурсов при использовании нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в агропромышленном комплексе.
Амерханов Роберт Александрович
Сведения об авторе: д.т.н., профессор, кафедра электротехники, теплотехники и возобновляемых источников энергии ФГБОУ ВПО Кубанский государственный аграрный университет.
Награды и научные премии: заслуженный работник высшей школы РФ, почетный работник высшего профессионального образования РФ, почетный работник по науке и технике РФ, Орден Почета.
Основной круг научных интересов: энергосбережение естественных ресурсов при использовании нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в агропромышленном комплексе.
Публикации: около 350.
Вопросы энергосбережения, повышения энергоэффективности в потреблении тепловой энергии спорткомплексами, оборудованными плавательными бассейнами имеют особую актуальность, так как расходы на содержание такого объекта связаны с большим потреблением горячей воды на нужды отопления (в отопительный период), на нужды горячего водоснабжения (ГВС) и вентиляцию всех помещений спорткомплекса. Особенно актуальными вопросы становятся в условиях рыночной экономики, когда сокращение расходов на собственные нужды приводит к снижению себестоимости предоставляемых населению услуг, и, следовательно, к увеличению прибыли. Но работы по повышению энергоэффективности, как правило, требуют немалых финансовых инвестиций.
В статье рассматривается вопрос совместной работы крышной котельной с солнечной водонагревательной установкой для теплоснабжения и отопления спорткомплекса Астраханского государственного технического университета (г. Астрахань).
Для обеспечения максимального поглощения энергии за год приемная поверхность коллектора должна быть ориентирована на экватор с наклоном, приблизительно равным географической широте, на которой расположена установка, причем для зимнего периода наклон должен быть на 10° больше широты, а для летнего - на 10° меньше широты.
В качестве теплоносителя в гелиосистемах может использоваться вода или антифриз. Наиболее широкое распространение в качестве антифризов в гелиоустановках получили водные растворы этиленгликоля С2Н4(ОН)2. Могут использоваться также водные растворы хлористого кальция СаС12, хлористого натрия №С1 и этилового спирта С2Н5ОН [1].
Обвязка трубопроводов и бака-аккумулятора выполнена трубопроводами из металло-полимерных труб (многослойных, из алюминиевого сердечника с внутренним и внешним покрытием из полиэтилена).
Расчетная тепловая мощность, кВт, крышной котельной определяется по формуле:
Qpac Qo+Q вк +Q Г]
(1)
где ро - расчетный (максимальный) расход тепла на отопление здания; рвк - расчетный (максимальный) расход тепла на вентиляцию и кондиционирование воздуха; ргв - среднечасовой расход тепла за сутки с наибольшим водо потреблением на ГВС с учетом тепло потерь на циркуляцию.
Значения ро, рвк, рга определяются по проектным данным, по фактическим расходам тепла, измеренным приборами учета тепла, или по действующим нормам.
Определение расчетной тепловой мощности котельной по формуле (1), в которой учитывается среднечасовой расход тепла на ГВС, а не максимальный часовой расход, позволяет существенно сократить установленную тепловую мощность теплогенераторов. При предлагаемом методе расчета Ррас для обеспечения требуемых параметров воздуха в отапливаемых помещениях при прохождении пиков нагрузки ГВС отпуск тепла от теплогенераторов системам теплопотребления здания должен осуществляться по режиму связанного регулирования с использованием аккумулирующей способности ограждающих конструкций зданий или с применением бака-аккумулятора горячей воды. Режим связанного регулирования реализуется с помощью устройства ограничения расхода.
Количество теплогенераторов определяется по формуле:
Q
^pac
П = —1—
q т
(2)
где qт < 0,5ррас - тепловая мощность одного теплогенератора, кВт.
Котельная должна обеспечить бесперебойное теплоснабжение здания даже при пиковой нагрузке и отсутствии поступления солнечной энергии. При выборе схемы расположения котельной необходимо исходить из условия предпочтительного использования солнечной энергии для нагрева теплоносителя и догрева его до требуемой рабочей температуры с помощью теплообменников котельной. Наиболее рацио -нальной является схема с размещением дополнительного источника энергии (тепло-
обменников) на выходе из аккумулятора теплоты, при этом лучше используется солнечная энергия [2, 3].
Особенность схемы теплоснабжения спорткомплекса (рис.1) состоит в том, что горячая вода для нужд ГВС здания может приготовляться как в водонагревателе 4, греющая вода к которому поступает от теплогенераторов через клапан 6
регулятора температуры 12 с датчиком 17, так и в гелиоустановке, состоящей из первичного контура - гелиоприемников 24, циркуляционного насоса 26, бака-аккумулятора 25 с теплообменником, и вторичного контура с распределительным клапаном 27. Выбор режима работы комплекса гелиоустановки и водонагревателя ГВС осуществляется с помощью задвижки 29 и клапана 27.
'м1
с о
Рис. 1. Принципиальная тепловая схема крышной котельной на природном газе с гелиоустановкой (схема
параллельного включения теплогенераторов): Fig. 1. Principal heating scheme of roof boiler-house on natural gas with helio installation (scheme of parallel
switching of heating generators)
1 - теплогенератор; 2 - циркуляционный насос теплогенератора; 3 - циркуляционный насос
отопления; 4 - водонагреватель ГВС; 5 -циркуляционный насос ГВС; 6 - регулирующий клапан двухходовой; 7 - регулирующий клапан трехходовой смесительный; 8 - обратный клапан; 9 - газовая регулирующая заслонка (клапан); 10 -счетчик газа; 11 - счетчик холодной воды; 12 -регулятор температуры воды на ГВС; 13 -регулятор температуры воды в систему отопления; 14 - датчик устройства ограничения расхода; 15, 17 - датчики температуры воды; 16 -переключатель теплогенераторов; 18 - датчик температуры наружного воздуха; 19 - запорно-предохранительный клапан; 20 - регулятор температуры воды после теплогенератора; 21 -грязевик; 22 - рециркуляционная линия; 23 -регулятор перепада давлений; 24 - солнечные коллекторы; 25 - бак-аккумулятор; 26 -циркуляционный насос гелиоконтура; 27 -распределительный клапан; 28 - переключатели клапана 27; 29 - задвижка выбора режима работы комплекса.
При достаточной интенсивности солнечной радиации, когда температура воды системы ГВС ^ равна или больше требуемой, распределительный клапан 27 открыт в
направлении «а», и вся вода на ГВС проходит через бак-аккумулятор 25 (задвижка 29 закрыта). Водонагреватель 4 ГВС по нагреваемой и греющей воде отключен, клапан 6 регулятора 12 закрыт (благодаря электрической блокировке с клапаном 27).
При снижении интенсивности солнечной
радиации, когда температура Iг становится ниже
требуемой, клапан 27 с помощью переключателя 28 переключается в положение «б» и разблокирует клапан 6. Нагреваемая вода проходит последовательно через бак 25 и водонагреватель 4, и регулятор 12 открывает клапан 6 настолько, чтобы обеспечить температуру воды на выходе
водонагревателя 1в на требуемом уровне. При
этом блокируется клапан 27 (в положение «б»). При новом повышении интенсивности солнечной радиации, когда температура на выходе
водонагревателя 4 1 в стремится к увеличению,
регулятор 12 полностью закрывается и разблокирует клапан 27, который переходит в положение «а». Вновь тепловая нагрузка ГВС удовлетворяется только за счет солнечной энергии. В периоды повышенной интенсивности радиации, когда в баке 25 температура воды выше
требуемой 1; г, по импульсу от датчика
температуры воды в баке (на рис.1 не показан) отключается насос 26, что способствует поддержанию более экономичного режима работы гелиоустановки.
Проведем расчет количества гелиоколлекторов и их стоимости для обеспечения ГВС в неотопительный период (за основу берём коэффициент ясности в октябре). Количество коллекторов рассчитывается по формуле [1, 7, 1214]:
n=
Qr
_ ^<-ГВС
QK
(3)
где Ргвс - количество теплоты, необходимое для ГВС спорткомплекса; Окол - количество теплоты, вырабатываемое 1 коллектором.
QrBC= 107,328 Гкал/мес = 0,144, Гкал/ч,
QKOn Qnp Кя?
(4)
где рпр - производительность гелиоколлектора; Кя - коэффициент ясности.
Выбираем коллектор с 30-ю трубками, производительность которого 8,7 кВт-ч/день. Окол = 8,7 • 0,56 = 4,872, кВт-ч/день, Окол = 0,00419, Гкал/ч, п = 0,144 / 0,00419 = 34,3, шт. Примем число коллекторов равным 35, тогда стоимость коллекторов:
8 = п ■ 8! =35 • 36266 = 1269310, руб, (5)
где 81 - стоимость 1 коллектора.
По данным производителей стоимость доставки и монтажа примерно равна половине стоимости выбранной гелиоустановки, поэтому получим общую стоимость гелиоустановки [4,5,711]:
8общ = 1269310 • 1,5 = 1 903 965, руб.
Далее производим расчет количества теплоты, вырабатываемой данной гелиоустановкой для каждого месяца.
«гвс П «кол,
QrBC П QKO2 Qnp Кд ,
(6) (7)
где QKO2 - количество теплоты, вырабатываемое 1 коллектором в i-ый месяц.
Q:BC = n • Q#p • к
пр я '
(8)
Огвс - количество теплоты, вырабатываемое СВУ
в 1-ый месяц.
Долевой коэффициент (доля от октября)
"•-«Г4 <9>
"<гвсокт
где Огвс - количество теплоты, необходимое для ГВС спорткомплекса в 1-ом месяце; «гвс -
количество теплоты, необходимое для ГВС спорткомплекса в октябре. Результаты расчета
«кол, Огвс и Кд по формулам (7)-(9) приведены в
таблице 1.
Таблица 1
Выработка тепловой энергии солнечной водонагревательной установкой (35 коллекторов по 30 трубок
ка?дый) по месяцам в Астраханской области
Table 1
Output of heating energy by solar water heating installation (35 collectors with 30 tubes per a collector) in months
in Astrakhan Region
месяц 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Q кол, 1,74 2,78 3,83 5,22 5,65 6,18 6,0 6,26 5,92 4,87 3,31 1,91
кВт-ч/день
Q ГВС, 61 97,3 134 182,7 197,7 216,3 210 219 207 170,4 116 66,9
кВт-ч/день
Кд 0,36 0,57 0,79 1,07 1,16 1,27 1,23 1,29 1,22 1 0,68 0,39
Теперь рассчитываем количество теплоты необходимое для теплоснабжения объекта крышной блочной котельной. Расчётная отопительная нагрузка на здание по укрупнённым показателям рассчитывается по формуле [15]:
О = б • V • q • (1вн • 1нр) • (1 + к) • 10-3, (10)
где а = 1,12 - поправочный коэффициент; V -объем здания по наружному обмеру, м3; q = 0,3 Ккал/(м2•ч•град) - удельная отопительная характеристика; 1вн = 20 оС - температура воздуха внутри здания; 1нр = -23 оС - расчётная температура наружного воздуха; к = 0,07 м/с - расчётный
коэффициент инфильтрации, определяемый по формуле [15]:
k=
2 • g • L
г' 273+tнр ^ V - 273+tвН J
+w2
0,5
•10-2, (11)
где Ь = 9 м - свободная высота здания; g = 9,81 м/с2 - ускорение свободного падения; w = 4,3 м/с -расчётная скорость ветра в отопительный период.
Результаты расчета по формулам (10)-(11) показаны в таблицах 2 и 3.
Расчётные данные на отопление и вентиляцию Calculation data on heating and ventilation
Таблица 2 Table 2
Oбщие данные Проектные нагрузки Расчет от наг] онительной рузки Ра наг счет рузки
Источник Тип помещения 1вн Bенти-ляция, час/сут Oтопле- ние, Гкал/ч Bенти-ляция, Гкал/час V L k q Oтопле-ние, Гкал/ч Bентиля- ция, Гкал/час
ТЭЦ-2 Crn^-комплекс 20 0 0 0,889 43175 9 0,067 0,3 0,665 0
Итого 0,889 Итого 0,665
Итого 1,554
Расчётные данные на горячее водоснабжение Calculation data on hot water supply
Таблица 3 Table 3
Oбщие данные Расход тепла и теплоносителя на fBC Максимальная проектная нагрузка, Гкал/час
reC, час/сутки reC, мес/год Рабочих дней/мес Температура горячей воды, °C В месяц В год
тепло вода тепло вода
8 12 26 60 1287,936 25758,7 107,328 2146,56 0,516
Затраты на строительство и эксплуатацию крышной котельной на базе двух конденсационных котлов марки R-3407 (производитель Rendamax) по [6] и затраты на солнечную водонагревательную установку (производитель Sunrain, 35 коллекторов в каждом из которых по 30 вакуумных трубок) составляет около 22 млн. руб. После расчета срока окупаемости всего проекта он составил около 5 лет, что вполне приемлемо.
Таким образом, совместная работа крышной котельной и солнечной водонагревательной установки для обеспечения нужд спорткомплекса Астраханского государственного технического университета в ГВС и отоплении вполне возможна, актуальна и быстро окупаема.
Список литературы
1. Амерханов Р.А., Богдан А.В., Вербицкая С.В., Гарькавый К.А. Проектирование систем энергообеспечения: учебник для студентов вузов по направлению «Агроинженерия» // Под ред. Р.А.
Амерханова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2010. 548 с.
2. Патент на изобретение RU 2253807 C1 МПК7 F24H7/00. Тепловой аккумулятор /Амерханов Р.А., Потапенко И.А., Ададуров Е.А. // 10.06.2005. Бюл. № 16.
3. Амерханов Р.А., Бегдай С.Н. К проблеме энергоэффективных зданий // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Технические науки. 2005. № 2. С. 91-94.
4. Амерханов Р.А., Бегдай С.Н. Метод численного расчета теплового режима помещений // Изв. вузов Сев.-Кавк. регион. Технические науки. 2005. Специальный выпуск. С. 75-76.
5. Амерханов Р.А., Бегдай С.Н., Гарькавый К.А. Оптимизация энергоэкономической системы теплоснабжения. Краснодар: КубГАУ, 2007. №2(6). С. 173-176.
6. Бизнес-план №002-09 «На строительство и дальнейшую эксплуатацию котельной на базе двух конденсационных котлов марки R-3407 (производство Rendamax) и определение упущенной выгоды при эксплуатации имеющейся
системы отопления и горячего водоснабжения». Астрахань: 2009. 85 с.
7. Амерханов P.A., Бутузов В.А., Гарькавый К.А. Вопросы теории и инновационных решений при использовании гелиоэнергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 2009. 504 с.
8. Бутузов В.А. Солнечное теплоснабжение в России: состояние дел и региональные особенности // Энергосвет. 2011. № 5. С. 39-82.
9. Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Бутузов В.В. Солнечная теплоэнергетика // Энергетическая политика. 2008. № 3. С.73-80.
10. Ильин Р.А. Комплексная термодинамическая оценка эффективности теплоэнергетических установок. Астрахань: Из-во «Новая линия», 2011. 80 с.
11. Лабейш В.Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебн. пособие. СПб: СЗТУ, 2003. 79 с.
12. Нормы проектирования. Раздел «Установки солнечного горячего водоснабжения». ВСН 52-86. М: Госгражданстрой, 1988. С.14-16.
13. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М.: Энергоатомиздат, 1991. 208 с.
14. ГОСТ Р 51595-2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Общие технические условия. М.: Госстандарт России, 2000. 6 с.
15. МДС 41-4.2000. Методика определения количеств тепловой энергии и теплоносителя в водяных системах коммунального теплоснабжения. М: Госстрой России, 2000. 22 с.
References
1. Amerkhanov R.A., Boghdan A.V., Verbytskaja S.V., Gharjkavyhj K.A. Proektyrovanye system ehnerghoobespetchenyja: utchebnyk dlja studentov vuzov po napravlenyju «Aghroynzheneryja» / Pod red. R.A. Amerkhanova. 2-e yzd., pererab. y dop. M.: Ehnerghoatomyzdat, 2010. 548 s.
2. Patent na yzobretenye RU 2253807 C1 MPK7 F24H7/00. Teplovoj akkumuljator /Amerkhanov R.A., Potapenko Y.A., Adadurov E.A. // 10.06.2005. Bjul. № 16.
3. Amerkhanov R.A., Beghdaj S.N. K probleme ehnerghoehffektyvnyhkh zdanyj // Yzv. vuzov Sev.-Kavk. reghyon. Tekhnytcheskye nauky. 2005. № 2. S. 91-94.
4. Amerkhanov R.A., Beghdaj S.N. Metod tchyslennogho rastcheta teplovogho rezhyma pomeshtchenyj // Yzv. vuzov Sev.-Kavk. reghyon. Tekhnytcheskye nauky. 2005. Spetsyaljnyhj vyhpusk. S. 75-76.
5. Amerkhanov R.A., Beghdaj S.N., Gharjkavyhj K.A. Optymyzatsyja ehnerghoehkonomytcheskoj systemyh teplosnabzhenyja. Krasnodar: KubGHAU, 2007. №2(6). S. 173-176.
6. Byznes-plan №002-09 «Na stroyteljstvo y daljnejshuju ehkspluatatsyju koteljnoj na baze dvukh kondensatsyonnyhkh kotlov marky R-3407 (proyz-vodstvo Rendamax) y opredelenye upushtchennoj vyhghodyh pry ehkspluatatsyy ymejushtchejsja systemyh otoplenyja y ghorjatchegho vodosnabzhenyja». Astrakhanj: 2009. 85 s.
7. Amerkhanov R.A., Butuzov V.A., Gharjkavyhj K.A. Voprosyh teoryy y ynnovatsyonnyhkh reshenyj pry yspoljzovanyy ghelyoehnerghetytcheskykh system. M.: Ehnerghoatomyzdat, 2009. 504 s.
8. Butuzov V.A. Solnetchnoe teplosnabzhenye v Rossyy: sostojanye del y re-ghyonaljnyhe osobennosty // Ehnerghosvet. 2011. № 5. S. 39-82.
9. Butuzov V.A., Brjantseva E.V., Butuzov V.V. Solnetchnaja teploehnerghetyka // Ehnerghetytcheskajapolytyka. 2008. № 3. S.73-80.
10. Yljhyn R.A. Kompleksnaja termodynamytcheskaja otsenka ehffektyvnosty teploehnerghetytcheskykh ustanovok. Astrakhanj: Yz-vo «Novaja lynyja», 2011. 80 s.
11. Labejsh V.GH. Netradytsyonnyhe y vozobnovljaemyhe ystotchnyky ehnerghyy: utchebn. posobye. SPb: SZTU, 2003. 79 s.
12. Normyh proektyrovanyja. Razdel «Ustanovky solnetchnogho ghorjatchegho vodo-snabzhenyja». VSN 52-86. M: Ghosghrazhdanstroj, 1988. S.14-16.
13. Khartchenko N.V. Yndyvydualjnyhe solnetchnyhe ustanovky. M.: Ehnerghoatomyzdat, 1991. 208 s.
14. GHOST R 51595-2000. Netradytsyonnaja ehnerghetyka. Solnetchnaja ehnerghety-ka. Kollektoryh solnetchnyhe. Obshtchye tekhnytcheskye uslovyja. M.: Ghosstandart Rossyy, 2000. 6 s.
15. MDS 41-4.2000. Metodyka opredelenyja kolytchestv teplovoj ehnerghyy y teplonosytelja v vodjanyhkh systemakh kommunaljnogho teplosnabzhenyja. M: Ghosstroj Rossyy, 2000. 22 s.
Транслитерация no ISO 9:1995
- TATA —
