УДК 621.577

К.т.н., доц. А.Л. ПЕТРОСЯН, Л.Б. БАРСЕГЯН, асп. А.Б.БАРСЕГ­ЯН,

ТЕПЛОХЛАДОСНАБЖЕНИЕ МАЛОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ В КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ РЕСПУБЛИКИ АРМЕНИЯ

Ереванский Архитектурно-Строительний Университет, каф. Гидравлики и ТГВ,  Республика Армения

Представлены результаты экспериментального проекта двухэтажного жилого дома, выявлены технико-экономические показатели системы теплохладоснабжения с источниками теплоты и холода: газовый котел - фреоновая холодильная машина и тепловой насос с низкотемпературным солнечным коллектором. Из полученных результатов следует, что наиболее целесообразным к примнению является система с тепловым насосом и низкотемпературным солнечным коллектором, поскольку сокращаются приведенные затраты- на 9.8%, в целом снижаются расходы топлива для выработки теплоты, а также электроэнергии на нужды ТХС-более чем в 3 раза.

За последные годы во всем мире, так и в Республике Армения, наблюдается тенденция  застройки малоэтажных жилых домов - особняков в черте и вне больших городов. Хотя застройшики таких домов весьма состоятельные люди, однако для создания исскуственного микроклимата и теплохладоснабжения (ТХС) таких домов расходуется чрезмерно большая энергия: топливо и электроэнергия  из-за несоблюдения теплотехнических требований к ограждающим конструкциям, системам отопления и охлаждения, горячего водоснабжения этих домов. Как указывается в [1], в РФ из  всего израсходованного топлива на нужды теплоснабжения за 2009 год до 74% затрачено именно для этих домов. Для РА нет таких данных, хотя в поселках и деревнях живут большинство жителей республики. В этих домах, в основном, должно осуществлятся отопление газом, но из-за высокой стоимости природного газа- 360 $/1000 м3, не всем жителям доступно использование такого топлива и часто используется контрабандная древесина, что и приводит к истощению скудных запасов лесов в республике. Более состоятельные владейцы домов используют автономные кондиционеры на нужды хладоснабжения (ХС), газовые котлы для суточного горячего водоснабжения (ГВС). Это означает, что для энергообеспечения таких домов необходимы соответствующие технические решения.

В данном материале рассмотрен вопрос ТХС однотипного двухэтажного дома для одного из городских кварталов г. Еревана. Ограждающие конструкции дома из местных стройматериалов и имеют следующие теплотехнические характеристики: Вт/м2.оС, для наружных стен коэффициент  остекления составляет 0.205. Расчетные и среднесезонные общие и удельные тепловые потери при температурах: составляют соответственно 13632 и 7515 Вт, 23 и 13 Вт/м3, а теплопоступления при - 5571 и 3624 Вт, 9,3 и 6 Вт/м3. Нагрузка горячего водоснабжения (ГВС)- 2640 Вт определена из расчета: число жителей дома- 7 чел., длительность и норма ГВС- 12 час и 110л в день. 

Рассмотрены варианты: газовый котел- фреоновый компрессорно- конденсаторный агрегат с воздушным охлаждением конденсатора (ГК-ХМ) и тепловой насос типа вода-этил-глюколь с источником низкопотенциальной теплоты- солнечная энергия с низкотемпературным солнечным коллектором (НТСК-ТН). В помещениях дома установлены приборы принудительной циркуляции воздуха- “фанкойлы”. При помощи внутренней системы отопления/охлаждения и циркуляционного насоса теплоноситель /хладоноситель подается в “фанкойлы”, охлаждается/нагревается и обратно возвращается к источникам теплоты/холода для повторной обработки. Температурные режимы: отопление- 80/55, охлаждение- 5/11, ГВС- 50. ГВС осуществляется при помощи однотрубной системы с нагревом водопроводной воды в теплообменнике.

Отопление и ГВС при помощи ГК осуществляется традиционной схемой. При источнике газовый котел следует выбрать тип котла для определения капитальных затрат, а также среднесезонного расхода природного газа на отопление, ГВС дома за год. В качестве примера выбран газовый, водогрейный котел фирмы “Ламбурджини”- ЕХА 20  с теплопроизводительностью 20 кВт. Анализируя заводские технические данные, зависимость теплового КПД от теплопроизводительности представлены формулой:

,                                                                       (1)

Согласно (1) и имея кДж/м3, можно определить расходы газа на отопление и ГВС:  2830.5, 993.9 м3/зим.сез., ГВС за переходный сезон, при  , 2472 ч/год, имеем: 721.8 м3/пер.сез., за летний сезон, если , 2928, имеем: 854.9 м3/лет.сез. Итого за год на нужды ГВС расходуется: 2570.6 м3/год.

 Источником холода для хладоснабжения дома, к примеру, использован фреоновый компрессорный агрегат с хладагентом  (последний в РА разрешен  до 2040г) фирмы “Бутзер” марки LH64/2EC-3.2-40S, который содержит в себя полугерметичный поршневой компрессор марки 2EC-3.2-40S с хладопроизводительностью  7.37 кВт, а электрическая мощность электропривода составляет 2.76 кВт. При среднесезонных охладительных нагрузках- 3624 Вт, когда среднесезонная наружная температура за летний сезон составляет , температура конденсации хладагента составит . При этом будем имеем: 8634, 2470 Вт. Расходы электроэнергии на электропривод компрессора за летний сезон составят:

 кВт.ч/лет.сез.

Для охлаждения хладоносителя следует применить испаритель “фреон-вода’, поверхность теплообмена которого определится в зависимости от температурого режима хладоснабжения- 5/11, температуры испарения-  и расчетной хладопроизводительности- 7.77 кВт,  При среднелогарифмической температуре- 6.55, коэффициенте теплопередачи со стороны фреона- 500 Вт/м2., поверхность составит 2.35 м2: Поскольку такие испарители фирмой не выпускаются, то можно использовать конденсатор водяного охлаждения марки K073H, изменив направление этил-глюкола.

В качестве отопительного/охладительных приборов использованы “фанкойлы” фирмы “YORК”, которые будут установлены в помещениях дома и в отдельных сезонах будут работать с температурными режимами: 80/60 и 50/30, 5/11.Нами выбраны  “фанкойлы” марки YFT-1- 15 шт.  и YFT-1- 7 шт., YFT-2- 9 шт, YFT-3- 2 шт., а для пересчета их на отопительный режим приняты коэффициенты- 2.133 и 1.133. Для обеспечения циркуляции тепло- и хладоносителя выбран циркуляционный насос фирмы DAB марки AC 35-55, который за зимний сезон будет израсходовать электроэнергию 20, за летний - 70 Вт  при объемных расходах и гидравлических потерях соответственно 0.6 и 1.1 м3/ч, 1.3 и 3.2 м H2O.

В итоге, при удельном расходе топлива на выработку электроэнергии в энергосистеме РА- 0.3 м3/кВт.ч, годовые расходы на природный газ для  ТХС дома составят 9133.6 м3/год.

 Принципиальная схема с НТСК -ТН. для ГВС с тепловой нагрузкой 7 МВт одного из микрорайона г. Еревана нами рассмотрена в [2]. На рис 1 представлена такая же схема, но работающая,  в летнем режиме, для ХС дома в температурном режиме 5/11о С, а теплота конденсации используертся для частичного нагрева холодной воды (хв), идущей на ГВС, до 30о С, а затем для окончательного нагрева до 50о С.- в НТСК.  

Установка за летний сезон работает следующим образом. За счет части теплоты конденсации хладагента, например R-22, в конденсаторе 1, при температуре конденсации 32оС, хв частично нагревается в 1, а затем окончательно в НТСК 2 до требуемой температуры. Нагретая вода из бака 3 насосом 4 подается в приборы ГВС.

 

5555

Рис.1. Принципиальная схема с НТСК- ТН для ТХС жилого двухэтажного дома за летний сезон года.

Для обеспечения внутрикомнатных, требуемых,  комфортных летних температур в помещениях 5 в “фанкойлы” 6 циркуляционным насосом 7 и по подающему магистральному трубопроводу подается хладоноситель, охлажденный в испарителе 8 ТН при температуре испарения- . Испаривщиеся пары хладона всасываются компрессором 9, конденсируются в 1, поступают в дроссель 10 и дросселируясь, поступают в 8. В зимнем режиме, реверсированием мест 1 и 8, за счет теплоты конденсации части R-22 теплоноситель нагревается до необходимых температур- 50и направляется в 6 для обеспечения комфортных зимних температур в 5. Оставшуюся часть R-22 можно направить в другой конденсатор (в схеме не показан) для нагрева хв на нужды ГВС. Температура конденсации при этом может составить до 55. В данном  режиме источником низкопотенциальной теплоты служит солнечная энергия, отнятая при помощи НТСК 2. Для сокращения тепловых потерь в 2, промежуточный теплоноситель- этил-глюколь можно нагреть, например от 6 до 9, а температура испарения составит 5. 

Для системы НТСК- ТН целесообразным, с энергетической точки зрения, является термодинамический цикл с температурами конденсации 55 и испарения 5оС (если температура этил-глюколя на входе и выходе из НТСК равны 6 и 9оС). В качестве НТСК принят трубчатый коллектор типа Б [3], тепловой КПД которой, при зимних расчетных и среднесезонных температурах наружного воздуха -16 и -1.7оС составят 0.567 и 0.648. При указанных выше расчетных тепловых нагрузках отопления и ГВС в качестве компрессора для ТН могут служить полугерметичные поршневые компрессоры фирмы “Битзер” марки  -2 шт.. В указанном режиме ТН полезная теплопроизводительность составит 7.63 кВт, необходимая теплота от НТСК - 5.45 кВт, электрическая мощность электропривода-2.23 кВт, коэффициент преобразования ТН- 3.44. В расчетном режиме будут работать два компрессора, в других- 1 с регулированием производительности. В качестве конденсатора можно использовать конденсатор водяного охлаждения фирмы “Битзер” марки  с теплопроизводительностью 13.2 кВт. Испарителем может служить конденсатор марки K073H при изменении направлении этил-глюколя (снизу вверх).

 Площадь НТСК при расчетных и среднесезонных температурах наружного воздуха составят 104.6 и 35 м2. Объем этил-глюколя составит 0.84 м3, а при объемной производительности 4.33 м3/ч и гидравлических потерях 3.81 м Н2О потребуется насос фирмы ДАВ марки с расходом электроэнергии 80 Вт.

В летнем режиме, как было указано, ТН работает по холодильному циклу- и предназначен для покрытия нагрузки хладоснабжения, а за счет части теплоты конденсации можно производить частичное нагревание хв от 15 до 30. При этом ТН, с указанным типом компрессора, будет иметь следующие характеристики:  Сезонный расход электроэнергии на нужды ХС составит 2378 кВт.ч/лет.сез., поскольку среднесезонная нагрузка ХС составляет 3.624 кВт, а производительность ТН- 6.42 кВт, то есть продолжительность работы составит- мин. Будет выработана теплота для нужд ГВС -1.12 кВт, а остальную часть теплоты конденсации- 4.443 кВт нужно удалить в окружающую среду, например, при помощи брызгальных бассейнов.

Остальную теплоту для нужд ГВС получим при помощи НТСК, и хв нагреется от 30 до 50. Если среднесезонная температура и солнечная радиация составляет 27и 383 Вт/м2, то  и для получения указанного количества теплоты- 1.52 кВт, необходимая поверхность НТСК составит 10.1 м2 или же 28.9% от установленного для зимнего режима.

За переходный сезон, когда ТН не работает, теплоту ГВС можно выработать на НТСК. При среднесезонной температуре и солнечной радиации 14.3и 360.4 Вт/м2 и    для получения теплоты-2.64 кВт необходимая поверхность НТСК составит 11.6 м2 или же 33.1% установленной для зимнего режима. Общий расход электроэнергии для нужд отопления, охлаждения и ГВС дома составит 9870.8 кВт.ч/год, а эквивалентная топливная составляющая, при удельном расходе на ТЭС для РА - 0.3 м3/кВт.ч, составит 2961.2 м3/год. При РК-ХМ эта величина составила 9133.6 м3/год, что означает снижение расхода топлива и экономия энергоресурсов на нужды ТХС дома в 3.2 раза.

Предлагаемая система НТСК- ТН благоприятна и с экологической точки зрения, поскольку с сокращением расхода топлива настолько же сократятся парниковые газы- , окиси азота и т.д., то есть имеем значительное, более в 3 раза, сокращение вредных выбросов и снижение экологического ущерба в окружающую среду.

Но положителные стороны системы НТСК-ТН можно окончательно оценить по техникоэкономическим характеристикам- приведенным затратам на систему, которые для сравниваемых систем могут определяться формулами:

                                  (2)

           (3)

                Вариант ТХС с РК-ХМ имеет следующие техникоэкономические показа­те­ли. Удельные кап.вложения на РК, включая стоимость здания, насоса, ус­тановок хим­водоочистки и т.п., в зависимости от теплопрои­зводи­тель­ности, могут сос­тавить с 200 до 350 ам. дол./кВт. Исходя из чего, при пиковой нагрузке отопления и ГВС- 16.272 кВт, годовые доли кап.вложений на РК при коэффициентах: норма­тивной-  и рено­вации- , составят 661.9 ам.дол.

 Кап.вложения на ХМ, при удельной стоимости 200-500 ам.дол/кВт (для крупных и малых ХМ), составлят . Годовые доли кап.вло­же­ний на ХМ при нор­­ма­тивном коэффициенте , составят 222.8 ам. дол., а сумма на рено­вацию ХМ, при , составит 174.7 ам. дол. или  397.5 ам. дол./год.

Годовые расходы на природный газ, при ныне действующих ценах в РА для населения 0.33 ам. Дол./м3, составят 3014.1 ам. дол./год.

Сезонные расходы на зарплату обслуживающего персонала при чис­лен­ности 1 чел. и месячной зарплате 150 ам. Дол. составят:  ам. дол./год (при массовой ТХС ряда домов). Эту величину для сравниваемых систем можно исключить.

 Экологический ущерб от вредных выбросов котла и котлов ТЭС, для выработки электроэнергии, необходимой для ТХС дома, составит:  ам.дол./год.

Приве­денные затраты на систему ТХС с РК-ХМ составят: 6173.5 ам. дол./год.

Приведенные затраты на систему с НТСК-ТН состоят из годовых долей кап.­вло­жений на НТСК и ТН (на “фанкойлы незначительны), эксплуатационных затрат на электроэнергию, зарплату персо­нала и экологического ущерба. При м2 НТСК кап.вло­жений, при удельной стоимости 180 ам.дол./м2, сос­тавят 18828 ам.дол., а при коэффициентах: нормативной-  реновационных- , годовые доли кап.вло­жений составят в целом 1152.3 ам. дол/год. Кап.вложения на ТН, при удельной стоимости 300-600 ам.дол/кВт (для крупных и малых ТН), составят ам.дол. Годовые доли кап.вло­же­ний на ТН, при нор­­ма­тивном  и рено­вационном  коэффициентах, составят  1393.2 ам. дол./год.

Эксплуатационные затраты на топливо для выработки электроэнергии на ТЭС, потребляемое ТН за год, при удельной стоимости топлива в РА- 0.33 ам.дол./м3, сос­тавят 977.2 ам. дол./год.

Затраты на обслуживающий персонал, при чис­ленности 1 чел. и месячной зарплате 150 ам. дол., составят:  ам. дол./год (тоже можно не учесть).

Экологический ущерб от вредных выбросов котлов ТЭС, обеспечи­ваю­щих электроснабжение ТН, от выбросов ,  и т.д.,  составит: ам. дол./год.

Приведенные затраты на ТХС с НТСК+ТН составят =5422.7 ам. дол./год.

Из полученных результатов следует, что предлагаемая система имеет более благоприятные техникоэкономические показатели- приведенные затраты  на 9.8% ниже по сравнению с традиционными, что исходит, в основном, от экономии расхода природного газа на нужды ТХС дома. В варианте с НТСК-ТН ТХС 1 м2 обходится 9.37ам.дол./год или же 0.78 ам.дол./мес., а при варианте РК-ХМ- 10.29 и 0.86.

Поскольку в РА наблюдается тенденция возрастание цен на природний газ и это может произойти в ближайщее время и рост цен на топливо произойдет более стремительно, чем на основное технологическое оборудование, то рассмотрены варианты удорожания топлива с 6 до 36%. На основе этих результатов построены графики изменения приведенных затрат в зависимости от цен на природный газ, которые приведены на рис. 2. Из графиков следует, что тенденция удорожания наибольшее влияние имеет на РК-ХМ, чем на НТСК-ТН, поскольку топливное составляющее при РК наибольшее.

Рис. 2. Характер изменений приведенных затрат на ТХС с РК-ХН и НТСК-ТН при удорожании природного газа в РА.

Равноценность этих систем возможна при цене на топливо- ам.дол./м3. Одновременно следует, что использование нетрадиционных источников- НТСК-ТН  со временем станет более актуальной для тех стран, которые не имеют собственных энергоресурсов, а также имеющие благоприятные климатические условия- большую средногодовую солнечную радиацию, а также возникает необходимость охлаждения домов и здании. Применение НТСК-ТН становится необходимостью и потому, что это приведет к сокращению финансовых средств на ТХС, улудшит экологическую обстановку и снизит зависимость от стран, поставляющих топливо и транспортирующих последнее по своей территории. Такой страной является РА

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:

1. С.П.Филиппов и др. Эффективность использования тепловых насосов для теплоснабжения малоэтажной застройки. –М. Теплоэнергетика. 11, 2011, стр.12-19.

 2. Петросян А.Л., Барсегян А.Б. Перспективы совместного применения тепловых насосов и низкотемпературных солнечных коллекторов. Новости теплоснабжения. –М.; 1, 2010, -с.27-30.

3. Е.Ю. Котляров и др. Как выбрать тип коллектора для систем солнечного теплоснабжения.