Нурханов Думан Ерикович
Казахский Агротехнический университет имени
С.Сейфуллина
Энергетический факультет, магистратура 2 курс
Разработка
системы теплоснабжения с использованием теплонасосной установки в условия
города Астаны
Астана – современный динамично
развивающийся город, являясь столицей Казахстана, город становиться флагманом
по многим показателям, таким как: рост численности населения, по уровню
вводимого в эксплуатацию жилья, административных зданий, бизнес, торговых
центров и зданий других назначений, а также по развитию инфраструктуры и т.д.
Строительство ведет за собой строительство и расширение комунникаций, необходимых
для обеспечения жизнедеятельности потребителей. Все это соответственно ведет
увеличению потребления ресурсов: электрической, тепловой энергии, холодного,
горячего водоснабжения, канализации.
С ростом города, наращивают свои мощности
и соответствующие предприятия. Одна из острейших проблем города является
проблема качественного теплоснабжения. Ввод в эксплуатацию новых потребителей
тепловой энергии ведет к ее резкому дефициту. По статистическим данным акимата
города дефицит тепловой энергии в
отопительном сезоне 2011-2012 года при температуре наружного воздуха ниже минус
22-24 °С составляет 15-20% от необходимой потребности, что в общей совокупности
составляет около 111 Гкал.
На фоне дефицита тепловой энергии не
маловажным является проблема эффективного её использования, а также
разнообразные способы альтернативного энергообеспечения. В условиях рыночной
экономики высоких и постоянно растущих
цен на энергоресурсы, правильная реализация программ энергосбережения, с
учетом таких факторов как особенности климата, особенностей рельефа и почв,
влияние ветров в условиях равнинной местности, - сложная, требующая глубокого
исследования задача. При этом необходимо изучать ценный опыт зарубежных стран и
приспосабливать наиболее удачные варианты реализации программ в климатические,
экономические и социальные условия
города Астаны и Казахстана в целом. Применение нетрадиционных источников
электрической и тепловой энергии, а также их
возможная комбинированная работа с уже существующим энергетическим
комплексом может существенно изменить
положение города.
Альтернативным источником тепловой
энергии, в частности отопления помещений зданий и нужд горячего водоснабжения
рассматривается применение теплонасосных установок, а также их возможная
комбинированная работа с существующей системой централизованного теплоснабжения
и другими видами энергетических установок.
Одним из важнейших вопросов для
определения тепловой нагрузки объекта является учет всех факторов влияющих на
его теплопотребление. Установлено, что на количество теплопотребления в
централизованных системах теплоснабжения влияние оказывает ветер. Ветер второй
по значимости параметр, после температуры наружного воздуха, определяющий
теплопотребление. При повышении скорости воздушного потока увеличиваются
тепловые потери отапливаемых объектов, так как возрастает коэффициент
теплопередачи. Соответственно не учет такого важного параметра не позволяет
получать реальную картину теплопотребления объектов, в системах
централизованного теплоснабжения, так как температура прямой сетевой воды
прямопропорциональна только температуре наружного воздуха. В таблице 1 показано
влияние ветра на тепловые потери объекта. Расчеты выполнены для типового
пятиэтажного жилого дома.
Таблица
1
Оценка влияния скорости ветра
на теплопотери отапливаемых помещений, при расчетной температуре наружного
воздуха.
|
Наименование составляющих относительных тепловых
потерь |
Изменения составляющих относительных тепловых потерь
при скорости ветра, м/с |
||||||
|
0 |
2 |
4 |
5 |
6 |
8 |
10 |
|
|
∆Qогр ∆Qинф ∆Qогр + ∆Qинф Qv Qv/Q
v = 0 Qv/Q
vp = 5 Qv/Qvp = 2 Qv/Qvp
= 10 |
0 0 0 1 1 0,78 0,94 0,51 |
0,03 0,03 0,06 1,06 1,06 0,83 1,0 0,54 |
0,06 0,14 0,2 1,2 1,2 0,94 1,13 0,61 |
0,07 0,21 0,28 1,28 1,28 1,0 1,21 0,65 |
0,08 0,31 0,39 1,39 1,39 1,09 1,31 0,71 |
0,09 0,55 0,64 1,64 1,64 1,28 1,55 0,84 |
0,1 0,86 0,96 1,96 1,96 1,53 1,85 1,0 |
Где: ∆Qогр – увеличение теплопотерь через ограждающие
конструкции за счет увеличения коэффициента теплоотдачи; ∆Qинф –
увеличение расхода тепла на нагревание инфильтрующего воздуха; Qv – общий расход тепла при скорости ветра V; Qv = 0, Qvp =
2, 5, 10 – то же, при V = 0 и расчетный Vp = 2, 5, 10 м/с.
Однако внесение поправки на ветер в
температурный график прямой сетевой воды затруднителен. Это связано с не
постоянностью скорости ветра, которая может изменяться в широких диапазонах в
короткие промежутки времени.
В таблице 2 приведены расчетные данные о
влиянии скорости ветра на тепловые потери при различных температурах наружного
воздуха для шестнадцати этажного здания. Так, расход тепла зданием для
заветренного фасада и при отсутствии ветра для большей части отопительного
сезона составляет 80-88% от расхода тепла наветренным фасадом при расчетной
скорости ветра 5 м/с. Снижение процента до нуля в переходный период объясняется
влиянием бытовых тепловыделений, доля которых в общем тепловом балансе здания
возрастает.
Таблица
2
Оценка влияния скорости ветра
на тепловые потери отапливаемых помещений при различной температуре наружного
воздуха
|
График
отпуска тепла |
Погодные
условия |
Относительное
изменение расхода тепла (Qо/Qор) по уточненному и существующему графикам в долях
при tн °С |
|||||||
|
-25 |
-15 |
-7,5 |
-4 |
-2,5 |
+2,5 |
+6 |
+8 |
||
|
Существующий: со
срезкой (tн = -18
°С) без
срезки Уточненный (tн = -21
°С) при tн > -15 °С |
Независимо Независимо Пасмурно,
наветренный фасад (V = 5 м/с) Пасмурно,
отсутствие ветра или заветренный фасад (V = 0м/с) То
же, в % от расхода тепла для наветренного фасада |
1 1 1 0,89 0,88 |
0,77 0,77 0,8 0,66 0,86 |
0,59 0,59 0,56 0,46 0,83 |
0,52 0,52 0,44 0,36 0,81 |
0,47 0,47 0,39 0,32 0,8 |
0,36 0,36 0,24 0,18 0,69 |
0,36 0,28 0,12 0,08 0,65 |
0,36 0,18 - - - |
Таким образом, необходимо техническое
решение, которое бы позволило найти способ регулирования температуры сетевой
воды при централизованном отоплении с учетом немаловажного параметра как ветер,
а также необходимо решить вопрос с острым дефицитом тепловой энергии в городе
Астане.
Для решения данных проблем теплоснабжения
в качестве базового варианта предлагается использовать комбинированную работу
теплового насоса с ветроэлектрической установкой с вертикальной осью вращения
пропеллера ротора для отопления объектов или для нужд горячего водоснабжения.
Выбор ветроэлектрической установки с
вертикальной осью вращения ротора произведен ввиду следующих преимуществ:
отпадает необходимость устройства для ориентации на ветер, упрощается
конструкция и уменьшаются гороскопические нагрузки, вызывающие дополнительные
напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с
горизонтальной осью вращения, а также благодаря особой, спиралевидной геометрии
лопастей пропеллера достигается работа установки даже при очень слабой ветра.
На схеме 1 указан возможный вариант комбинированной теплоснабжающей установки
На рисунке 1 представлены возможные
варианты пропеллера ротора ветроэнергетической установки.
Рисунок 1. Пропеллер ротора с
вертикальной осью вращения (примеры)
Схема 1.
Вариант комбинированной установки для теплоснабжения здания.
Где: 1 – испаритель; 2 – компрессор; 3 –
конденсатор; 4.1; 4.2; 4.3 – циркуляционные насосы; 5 – пропеллер с
вертикальной осью вращения ротора; 6 – электрогенератор; 7 – контроллер
автоматической системы регулирования теплоносителя; 8 – датчик температуры
наружного воздуха и датчик скорости ветра; 9 – электроклапан регулирования
расхода теплоносителя; 10 – датчик температуры теплоносителя, подаваемого во
внутреннею системы отопления; 12 - редукционный клапан.
Принцип работы данной комбинированной
системы следующий: хладагент, перекачиваемый циркуляционным насосом 4.1,
попадает в испаритель 1, где происходит передача тепловой энергии от источника
низкопотенциального тепла (вода из скважин, тепло земли, сбросные воды системы
канализации и т.д), хладагент, имея очень низкую температуру кипения,
превращается из жидкого состояния в газообразное. Это происходит при низком
давлении и температуре. Из испарителя
газообразный хладагент попадает в компрессор 2, где он сжимается до высокого
давления и высокой температуры. Далее горячий газ поступает в конденсатор 3,
где происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из обратного
трубопровода системы отопления дома. Хладагент отдает свое тепло в систему
отопления, охлаждается и снова переходит в жидкое состояние, а нагретый
теплоноситель системы отопления поступает к отопительным приборам. При
прохождении хладагента через редукционный клапан 12 давление понижается,
хладагент попадает в испаритель, и цикл повторяется снова. Электроснабжение
системы происходит от генератора 6, приводимого в движение пропеллером 5 с вертикальной осью вращения.
Бесперебойная система контролируется
автоматической системой регулирования
теплоносителя и контроля (АСРТК). Суть АСРТК состоит в следующем: контроллер 7
АСРТК следит за параметрами скорости ветра, температурой наружного воздуха и
температурой теплоносителя, подаваемого во внутреннею систему отопления, через
датчики 8, 10. Температура теплоносителя подаваемого во внутреннею систему
отопления, зависит температуры наружного воздуха и скорости ветра. Кроме того,
в случае недостаточной выработки электроэнергии генератором, ввиду низкой
скорости ветра, система подсоединяет резервное энергоснабжение из городских
электросетей.
При нехватке мощности теплового насоса
из-за слишком низкой температуры наружного воздуха, АСРТК открывает
электроклапан 9, тем самым происходит подпитка из централизованной системы
теплоснабжения.
Еще одним вариантом комбинированной
работы теплового насоса с
ветроэлектрической установкой с вертикальной осью вращения пропеллера ротора,
может стать использование установки для нужд горячего водоснабжения. На схеме 2
указан возможный вариант комбинированной работы теплового насоса с
ветроэлектрической установкой для горячего водоснабжения.
Схема 2. Вариант комбинированной работы теплового
насоса с ветроэлектрической установкой для горячего водоснабжения.
Где: 1 – испаритель; 2 – компрессор; 3 –
конденсатор; 4.1; 4.2; 4.3 – циркуляционные насосы; 5 – пропеллер с
вертикальной осью вращения ротора; 6 – электрогенератор; 7 – контроллер
автоматической системы регулирования теплоносителя; 8 – датчик скорости ветра;
9 –датчик температуры горячей воды; 10 - редукционный клапан; 11 – обратный
клапан.
Работы данной комбинированной системы
аналогична комбинированной установки для теплоснабжения здания, рассмотренной
выше. Отличие только в том что, нагреваемая жидкость – вода для нужд горячего
водоснабжения, температура которой постоянна вне зависимости от температуры
наружного воздуха, поэтому потребность в соответствующем датчике температуры
наружного воздуха отпадает.
Применением данных системы теплоснабжения является обоюдно
выгодным как для потребителя так и для энергоснабжающей организации, для
потребителя существенно уменьшиться плата за тепловую энергию, для
энергоснабжающей организации значительной экономии тепловой энергии, которую
можно использовать в условиях дефицита и постоянного роста города.
Список использованной литературы
1.
Мичурина К.И. Влияние
ветра на тепловые потери жилых зданий и требования, предъявляемые к
автоматизации режимов теплоснабжения. – Сбор. Автоматизация отопительных
котельных и тепловых пунктов. – Л.: Недра, 1975.
2.
Фаликов В.С
Энергосбережение в системах теплоснабжения зданий – М.: 2001.
3. Варфоломеев Ю.М. Отопление и тепловые сети. 2006 г
4. Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. 1996 г
5.
Буртасенков Д.Г.
Повышение эффективности централизованного теплоснабжения путем использования
тепловых насосов. 2006г.
6.
http://www.astana.kz/ru/node/41889 - информационная статья: «Астана готова к зиме»
7.
http://www.bnews.kz/ru/news/post/52600/
- информационная статья: «Правительство Казахстана приступило к реализации
поручения Главы государства Нурсултана Назарбаева по новым подходам в системе
контроля подготовки энергопредприятий страны к отопительному сезону 2011-2012.»
8.
http://www.powerinfo.ru/wind-generator.php – информационная статья: «Ветрогенератор»
9.
Концепция использования возобновляемых источников
энергии в системах теплоснабжения ЖКХ на пилотных территориях»,
отчет ПРООН, 2008 г., г.Астана