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.
|
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 |
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.