Технические науки/ 5. Энергетика
Селихов
Ю.А., Коцаренко В.А., Рябова И.Б.
Национальный технический университет
«Харьковский политехнический институт», Харьков
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКАЯ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ НА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКАХ
ЭНЕРГИИ
Постановка проблемы. Уменьшение запасов
органического
топлива и его удорожание привели к разработкам оптимальных технических решений,
эффективности и экономической
целесообразности применения возобновляемых источников энергии [1, 2]. Повышение тарифов на
коммунальные услуги жилищно-коммунального хозяйства, направляют все страны мира
широко использовать солнечную энергию в качестве энергетической
альтернативы при производстве тепла и холода. Это является перспективной статьей экономии для всех стран, отвечая их интересам еще и в плане энергетической независимости,
благодаря чему она уверенно завоевывает стойкие позиции в мировой энергетике.
Анализ последних исследований и публикаций. В Украине гелиоустановки и тепловые
насосы пока не получили широкого внедрения, это связано с относительно низкими
по сравнению с другими странами ценами на традиционные источники энергии и
недостаточной подготовленностью рынка, а также оно сдерживается высокой
себестоимостью солнечных коллекторов и тепловых насосов.
Поэтому,
на наш взгляд, актуальной является концепция создания таких новых теплотехнических
систем, обеспечивающих жилые и промышленные здания горячим водоснабжением и
отоплением, в которых в качестве источников энергии будут применены
возобновляемые источники энергии. Для таких систем будут сконструированы новые
конструкции гелиоустановок и тепловых насосов, когда расходы на выработку
тепловой энергии с помощью этих установок будут ниже уровня суммарных расходов
на получение тепловой энергии традиционными способами (в частности, в котельных
установках). Поэтому использование возобновляемых источников энергии, экономия
органического топлива, улучшение экологической ситуации района потребления
тепловой энергии за счет снижения объемов выбросов загрязняющих веществ,
являются актуальными задачами.
Цель статьи. Предлагается теплотехническая
система снабжения: горячей водой с помощью двухконтурной гелиоустановки и
отоплением с помощью геотермального грунтового теплового насоса «грунт-вода»,
которая была разработана, изготовлена и смонтирована на одном дворе в
Харьковской области в результате реконструкции системы отопления и горячего водоснабжения
коттеджа. Из большого количества выпускаемых гелиоколлекторов, какие применяются в гелиоустановках, мы выбрали гелиоколлектор с гибкими полимерными
пленочными элементами, у которых высокий
КПД [3]. При необходимой ориентации наклонной поверхности с
использованием смачиваемых покрытий специальной конструкции можно достигать
стойкого пленочного течения по всей площади воспринимающей поверхности. Полимерная пленка [4], применяемая в таких коллекторах, выдерживает высокую температуру, солнечную радиацию, кислород воздуха, влагу, промышленные газы в течение длительного времени без
значительного изменения внешнего вида, а
также эксплуатационных свойств (физико-механических, физико-химических и
др.), а также позволяет уменьшить материалоемкость гелиоустановки в целом. В качестве системы отопления был применен геотермальный грунтовый тепловой насос «грунт-вода»
вместо котла с мазутной горелкой. Ранее применялся двухконтурный котел, в
котором в одном контуре получали горячую воду, а во втором контуре получали
горячую воду для отопления. Изучив все недостатки этой системы отопления и
горячего водоснабжения нами было принято решение о замене старой системы на
новую. Были выполнены теплотехнические расчеты старой системы и новой системы.
Нами разработана новая технологическая схема теплотехнической системы
снабжения: горячей водой и отоплением, которая представлена на рисунке 1.
Рисунок
1 - Технологическая схема теплоэнергетической системы горячего водоснабжения и
отопления коттеджа 1 - Гелиоколлектор; 2
- Насос;
3 – Двухконтурный теплообменный аппарат; 4, 6, 11 -
Баки-аккумуляторы;
5 - Насос; 7 - Установки химводоочистки; 8 - Котельная
установка;
9 – Топка котла;10
- Грунтовой тепловой насос; 12 - Насос; 13 - Насос;
14 - Насосы; 15 - Пользователь
Новая
теплотехническая
система может работать как сезонно, так и круглогодично. Работа
теплотехнической системы управляется и контролируется в автоматическом режиме с
персонального компьютера.
Для проверки
эффективности работы новой системы отопления мы выбрали эксергетический метод
расчета по эксергии-нетто [5]. Анализ
экспериментальных данных показал, что замена прототипа новой системой оказалась
эффективной. В качестве примера в табл. 1 и табл. 2
приведены затраты эксергии на изготовление старой и новой систем
соответственно.
Таблица 1 – Расходы
эксергии на проектирование и изготовление старой системы горячего водоснабжения
и отопления
|
Материал |
Масса |
Удельная энергоемкость |
Полные расходы эксергии E, МДж |
|
|
|
Котел з мазутной горелкой |
135 |
430 |
58050 |
0,00338 |
1,45 |
|
Бак для мазута V = 9 м3 |
750 |
60 |
45000 |
0,0188 |
1,125 |
|
Металлический лист |
40 |
60 |
2400 |
0,001 |
0,06 |
|
Изоляция, м2 |
100 |
114 |
11400 |
0,0025 |
0,285 |
|
Вентили |
20 |
150 |
3000 |
0,0005 |
0,075 |
|
Расширительный бак V
= 0,050 м3 |
5 |
60 |
300 |
0,000125 |
0,0075 |
|
Насосы, 2 шт |
6 |
150 |
900 |
0,00015 |
0,0225 |
|
Трубопроводи
метал. |
40 |
60 |
2400 |
0,001 |
0,06 |
|
Трубопроводы ПВХ |
20 |
50 |
1000 |
0,0005 |
0,025 |
|
Радиаторы отопления 80 шт.х 8 кг |
640 |
150 |
96000 |
0,016 |
2,4 |
|
Вода 0,6 м3 |
600 |
30 |
18000 |
0,015 |
0,45 |
|
Всего |
– |
– |
238450 |
– |
5,985 |
|
Всего с учетом расходов эксергии на обработку и сборку
оборудования (коэффициент 1,2) |
– |
– |
286140 |
– |
– |
Расходы эксергии на проектирование и изготовление новой
системы приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Расходы эксергии на проектирование и изготовление новой
системы горячего
водоснабжения и отопления
|
Материал |
Масса |
Удельная энергоемкость |
Полные расходы эксергии E, МДж |
|
|
|
Стекло 4мм |
21 |
27 |
567 |
0,000525 |
0,0142 |
|
Швеллер №18 |
700 |
60 |
42000 |
0,0175 |
1,05 |
|
Насосы, 6 шт |
24 |
150 |
3600 |
0,0006 |
0,09 |
|
Изоляция, м2 |
600 |
114 |
68400 |
0,015 |
1,71 |
|
Вентили |
30 |
150 |
4500 |
0,00075 |
0,1125 |
|
Бак-аккумулятор – 3 шт. V = 6 м3 |
500 |
60 |
30000 |
0,0125 |
0,75 |
|
Установка химводоочистки 2 шт. |
200 |
150 |
30000 |
0,005 |
0,75 |
|
Теплообменник – 1 шт. |
150 |
40 |
6000 |
0,00375 |
0,15 |
|
Полимерное
покрытие |
10 |
120 |
1200 |
0,00025 |
0,03 |
|
Теплообменник – 1 шт. |
100 |
60 |
6000 |
0,0025 |
0,15 |
|
Тепловой насос – 1шт. |
200 |
430 |
86000 |
0.005 |
2,15 |
|
Вода 0,8 м3 |
800 |
30 |
24000 |
0,02 |
0,6 |
|
Трубопроводы
метал. |
100 |
60 |
6000 |
0,0025 |
0,15 |
|
Трубопроводы ПВХ |
70 |
50 |
3500 |
0,00175 |
0,0875 |
|
Всього |
– |
– |
311767 |
– |
7.7942 |
|
Всего с
учетом расходов эксергии на обработку и сборку оборудования (коэффициент 1,2) |
– |
– |
374120.4 |
– |
– |
Результаты эксергетических расчетов [5] КПД старой и новой систем горячего водоснабжения и отопления,
а также срок
окупаемости представлены
в таблице 3.
Таблица 3 –
Результаты эксергетических расчетов
|
|
|
|
|
|
|
0,4 |
0, 8 |
8760 |
4368 |
3,5 |
Выводы
Определена старая система снабжения горячей водой и отоплением и изучена ее
работа. Определены недостатки в работе всей системы целом, так и в
конструкции отдельных узлов. По результатам теплотехнических расчетов и
литературніх источников было подобрано новое оборудование. Расчет
эффективности замены старого оборудования на новое проводился в соответствии с
методикой оптимизации по
сумме удельных
расходов эксергии-нетто. Расчет и эксплуатация установленной системы
показали правильность замены оборудования и материалов. Был получен в результате расчета КПД новой теплотехнической системы горячего водоснабжения и отопления,
а также срок ее энергетической окупаемости.
Литература
1.
Особенности современных систем водяного отопления. – К.: П ДП «Такі
справи», 2003. – 176 с.
– ил.
2. Овчаренко
В.А. Овчаренко А.В. Використання теплових насосів//Холод М+Т, 2006, №2 с.
34–36.
3. Геліоводонагрівник. Патент України № 75178, Бюл.№
3, 2006.
4. Полімерна композиція. Патент України № 72078 А, Бюл.№ 1, 2005.
5. Эксергетические расчеты технических
систем: Справ. пособие/ Бродянский В.М. и др.: Под ред. Долинского А.А.,
Бродянского В.М. АН УССР. Ин-т технической теплофизики.- Киев: Наук. Думка,
1991. - 360 с.
Аннотация
Селихов
Ю.А., Коцаренко В.А., Рябова И.Б.
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ
НА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКАХ ЭНЕРГИИ
Предложена система снабжения горячей водой с помощью солнечной
установки и отоплением с помощью геотермального грунтового теплового насоса
«грунт-вода» коттеджа, которая позволяет обеспечить: экономию топлива, снижение
теплового загрязнения окружающей среды и уменьшение выбросов оксидов азота за
счет снижения расхода топлива, сжигаемого в промышленных котельных, уменьшение количества
материалов в системе в
целом.
Annotation
Selikhov
Yu.A, Kotsarenko V.A., Ryabova I.B.
EXERGETIC EFFICIENCY OF
WORK OF COMBINED SYSTEM ON RENEWABLE SOURCES OF ENERGY
The system of supplying hot water by means of
a solar installation and heating with a geothermal groundwater heat pump
"soil-water" of the cottage is proposed, It allows to ensure: fuel
economy, reduction of thermal pollution of the environment and reduction of
nitrogen oxides emissions by reducing fuel consumption burned in industrial
boiler rooms, reducing the amount of materials in the system as a whole.