Строительство и архитектура/5.Теплогазоснабжение и вентиляция

 

К.т.н.,  доц., Петросян А. Л.

Ереванский государственный университет архитектуры и строительства, Армения

 

Каскадная теплонасосная установка с солнечными коллекторами для теплохладоснабжения городского района

 

Как было указано в [1], малоэффективность и высокая себестоимость сущест­вующих солнеч­ных кол­лек­то­ров (СК) ограничивают области целесообразного применения сис­тем солнечнего тепло­снаб­жения (ССТ). Истощение запасов органического топ­лива и чрезмерне удорожание, тревожная экологическая обстановка в мире из-за вредных и тепловых выб­росов в атмосферу диктуют необходимость поиска методов энерго­эффек­тив­ного исполь­зования солнечной энергии  для нужд систем теплохладо­снабжения (СТХС), по­скольку они потребляют значительное ко­ли­чество теплоты и электроэнергии( до 40% всего добываемого в мире топлива расходуется на эти нужды). Одним из путей повышения энергоэко­но­мичес­ких показателей исполь­зования солнечной энер­гии являются комбинации низкотем­пера­турных СК или солнечных бассейнов с тепло­выми насосами (ТН) за весь пе­риод летних и переходных месяцев го­­да, что доказано в [1,2]. Эти показатели намного улудшатся, если их использовать и для нужд отопления жилых здании городских микрорайонов тех регионов, где интенсивность солнечной радиации и его продолжительность за этот сезон больше. Одним из них является Республика Армения. Однако в холодные дни и месяцы сезона из-за снижения температуры наружного воздуха намного возростают тепловые нагрузки систем отопления зданий, из-за чего необходимо повысить теплопроизводительность источника теплоты- ТН и необходимую по­верхность низкотемпературных СК или солнечных бас­сейнов, температурный режим теплоносителя. Одновременно снижается температура теп­лоносителя, циркулирующая между низкотемпературным СК или солнечным бас­сейном и испарителем ТН, что приводит к снижению температуры испарения хладагента. Это приводит к черезмерным затратам электроэнергии на электропривод компрессора ТН и давлению хладагента на выходе из него. В таких случаях одноступенчатые ТН не могут нормально сосущствовать, снижается  энергоэффективность работы ТН. В [3,4] для повы­шения энергоэффективности ТН предлаг­ается  осуществить двух- или многократное сжа­тие хладагента в компрессоре или же ступенчатый нагрев теплоносителя  в отдельных ступенях ТН. При применения таких схем можно достигнуть наибольшей энерго­эффек­тивности, характерной циклу Лоренца. Однако не учитывается тот факт, что хладагенты, применяемые в настоящее время в ТН не имеют возможности эффективно работать во всех температурных диапазонах. Также ограничены температуры конденсации хладаген­тов из-за их приближения к критической температуре. Одновременно в европейских стра­нах, исходя из требований  глобального потепления и озоноразрушающих способностей фреонов, ограничивают их применение и предлогают применять естественные: аммиак, двуокис углерода и т.д. Из этого следует, что необходимо разработать новые техноло­ги­че­с­кие схемы ТН, которые дадут воз­мож­ность использования хладагентов, имеющих слабые свойства взрывоопасности и ядовит­ости, но способные работать с более высокой эффективностью при низких температурах испарения в низких каскадах ТН, находящихся вне зоны безопасности микрорайона, а фреоны применять в высокотем­пе­ратурных каскадах ТН, находящихся непосредственно в микрорайоне, то есть иметь, как и в холодильной технике, каскадные ТН. Такая схема, разработання нами, представлена на рис. 1.

 

       

Рис. 1. технологическая схема каскадной ТН для СТХС микрорайона.

СК-солнечный коллектор, НСК – насос для транспортировки теплоносителя через СК и испартель низкого каскада ТН, ЦН- насос транспортировки основного тепло­но­си­теля (ОсТН) к зданиям (ЗД1, ЗДN) микрорайона, АБСК, АБТН- аккумул­яционные баки телоносителя СК и высокотемпе­ратурного теплоносителя, КД-1, КД-2, И1, И2, К1, К2, Д-1, Д-2- конденсаторы, испартели и  компрессоры, дросель-клапаны низкого и высокого ка­с­кадов ТН, ПрТН- промежуточный теплоноситель, ГРК- газовый районный котел, ПМ, ОМ- подающий и обратный ма­гистрали тепловой сети.

Принцип работы каскадной ТН заключается в следующем. Для обеспечения нормального функционирования СК в холодные дни отопительного сезона, когда темпе­ратура наружного воздуха близка расчетной, а интен­сивность солнечной радиации низко, следует снизить температуру теплоносителя через СК так, чтобы тепловой коэффициент составил порядка 0.5-0.7, следует намного снизить температуру испарения хладагента в нижнем каскаде ТН.. Например, для одностеклянных СК с несе­лективным погла­ща­ющим покрытием, при интенсивности солнечной радиации 207 Вт/м 2 и температуре наружного воздуха -15, тепловом коэффициентe СК-0.7, средняя температура теплоносителя сос­тавит -18.3. Приняв температуру на входе в СК -22, на выходе получим -14.6, а температура испарения хладагента должна составить -25. Теплоноситель из СК поступает в И1, где отдавая теплоту хладагенту, возвращается в СК, а хладагент за счет этой теплоты испаряется, а затем сжимается в К1, конденсируется в КД-1 или в конденсаторе- испарителе, если нет необходимости промежуточного теплоносителя. За счет теплоты конденсации хладагента низкой ветви, хладагент верхней ветви испаряется, поступает в К2, сжиматется до необходимой температуры конденсации хладагента верхней ветви, затем отдает теплоту конденсации основному тепло­но­си­телю (ОсТН), транспортируемому при помощи насоса ЦН по подающим и обратным ма­гистральным трубопроводам тепловой сети к зданиям (ЗД1, ЗДN) микрорайона на нужды отопления. Конденсат хладагента верхней ветви, как и хладагент низкой ветви, дросселируютя в дросель-клапанах Д-1, Д-2, затем поступая в испарители И1, И2, испаряются.

 В качестве естественного хладагета в низком каскаде ТН в схеме использован аммиак, а в верхней- хладоны . В данном случае энергетические показатели каскадной ТН сравни­ваются с одно­ступенчатой ТН с хлад­оном , a также с газовым котлом. Фактор недо­пустимости чрез­мерного повышения давления в комп­рес­соре при этом не учитывается. Пользуясь методом расчета каскадных холодильных ма­шин [6], нами разработан метод расчета и получена формула для определения коэф­фициента пере­обра­зования таких ТН:

 ,                                                                      (1)

где -массовый расход хладона, приходящийся на 1 кг NH3, - полезная, дейст­вительная теплота конденсации, передоваемая тепловым потре­бителям, -действительные удельные работы циклов ТН с хладоном и NH3.

(1) следует, что , в конечном счете, зависит от параметров хлагагентов двух каскадов:,,,,, а также от среднего давления в конденсатое- испа­рителе ТН- . Если  зависят от климатических условии местности, то - от температурного режима системы отопления. Последующие исследования пока­зали, что оптимальными температурами конденсации для хладагента верхней ветви сос­тавляет 50, 60 и 70, а испарения в нижней ветви - от . При высоких температурах низкопотенциального источника теплоты (НПИТ) следует применить одно­ступенчатые ТН. Имея и пользуясь методом, изложенным в [6], определены удельные расходы топлива на нужды ТН для вырабокти 1 кВт теплоты.

На рис. 2а приведены графики изменения каскадных и одноступенчатых  ТН при температурах конденсации хладагентов-  и испарения- , а на рис. 2б- процентные соотношениия теплоты, выработанные на кас­кадной ТН и теплопотребление городского микрорайона при и тепловом коэффициенте СК -  за отдельные месяцы отопительного сезона в условиях г.Еревана.

а. графики изменения коэффициента пере­образования ТН

б. соотношения теплоты, выработанной на кас­­кадной ТН и теплопотребление городского микрорайона,

Рис. 2 а и б.Графики изменения каскадных ( ____ ) и одноступенчатых (----) ТН,  при указанных температурах конденсации хладона и испарения аммика- и процентного соотношения теплоты, выработанной на кас­кадной ТН и теплопотребление городского микрорайона при : 1. , 2. , 3. , 4. , 5. .

Как видно из графиков на рис. 2а, при   коэффициента пре­образования каскадной ТН гораздо выше, чем для одноступенчатой, поскольку чрезмерно повышается степень сжатия хладагента, необратимые потери цикла, что и преведет к снижению энер­гоэффективности таких ТН, а каскадные становятся наиболее предпочтительным. При   из-за снижения потерь необратимости и степени сжатия коэффициента пре­об­разования одноступенчатых ТН повышается и это приведет к снижению расхода элек­тро­энергии и топлива в тепловом двигателе, вырабатывающем электроэнергию на нужды   ТН.

Из графиков на рис. 2 б следует, что повышение от 0.3 до 0.7 приводит к увели­чению полезной теплоты, идушей на отопление здании.микрорайона и она  в среднем, для конкретного микрорайона г. Еревана с численностью 20 тыс. человек, составляет 9.6% от сезонной нагрузки отопления. при и . Однако это достигается путем уве­ли­чения электро- и топливопотребления на электропривод компрессора ТН и теплового дви­гателя, обеспечивающих электропитание электропривода ТН. Поскольку разработанная нами методика дает возможность определения топливопотребления на теплового дви­гателя, обеспечивающей электропитание электропривода ТН, то можно произвести сравнительный анализ энергоэффективности между ТН и районным газовым котлом по расходам топлива для покрытия нагрузки отопления указанного микрорайона по этой величине при различных значениях низкопотенциального СК с целью определения оптимальных значении , если при хладоне . Результаты расчетов представлены на рис. 3.

Рис. 3. Графики изменения эконо­мии топлива на нужды отопления микроранона г. Еревана при сравне­нии различних источников тепло­ты: каскадной ТН и районного газо­вого котла при , ,  хла­до­­не ,  ,  

 

Из полученного следует, что оптималным, при  является , а при  . Если , то газовый котел, по энергоэффективности, превос­ходит каскадную ТН.

Проведенные техникоюэкономические расчеты показали, что каскадные ТН превос­ходят одноступенчатые при низких температурах наружного воздуха при цене топлива 250 ам. Дол./м3, принятых в настоящее время в РА. Удорожание топлива приведет к повышению рентабельности таких ТН.

 

Литература:

1. ПЕТРОСЯН А.Л., БАРСЕГЯН А.Б. Ïåðñïåêòèâû ñîâìåñò­íî­ãî ïðèìåíåíèÿ òåïëîâûõ íàñîñîâ è íèçêîòåìïå­ðà­òóð­íûõ ñîëíå÷íûõ êîëëåê­òîðîâ. Íîâîñ­òè òåïëîñíàá­æå­íèÿ, -Ì. 1, 2010, ñòð. 27-30.

 2. ПЕТРОСЯН А.Л. Использование солнечной эн­е­р­­гии для теплоснабжения го­­род­ского района с приме­не­нием теплового насоса и солнечнего бассейна. Энерго­безопасность и энер­госбережение, -М., 2.,2011, Стр. 27-32

  3..А.Э. СУСЛОВ и др. О целесообразности применения ТНУ в системах те­пло­снаб­жения. ХТ, 12, 2008, стр. 12-14.

  4. Л.А. Огуречников. Ступенчатый подогрев сетевой воды в теплонасосных сис­темах теплоснабжения. ХТ. 7. 2008. стр.20-22.

5. Е. М. Бамбушек и др. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин.  –Л.: Машиностроение, Лен. отд. 1987.-423с.

6. ПЕТРОСЯН А.Л. Метод оценки энергетической эффективности теплонасосных установок, Íîâîñ­òè òåïëîñíàá­æå­íèÿ, -Ì. 1, 2011, ñòð. 19-22.