Эффективность использования тепловых насосов в централизованных системах теплоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эффективность использования тепловых насосов в централизованных системах теплоснабжения

В. П. Фролов, генеральный директор

С.Н. Щербаков, главный инженер, ГУП «Мосгортепло»;

М.В. Фролов, генеральный директор ООО «Теплоучет Сервис»;

Д.т.н. А.Я. Шелгинский, профессор, ГОУВПО «МЭИ(ТУ)»

Вопросы энергосбережения являются весьма актуальными как для промышленности, так и для ЖКХ. ГУП «Мосгортепло» эксплуатирует более 5000 тепловых пунктов, 5000 км тепловых вводов и разводящих тепловых сетей, обеспечивает более 22000 жилых домов и административных зданий отоплением, холодной и горячей водой, затрачивая более 35,5 млн Гкал/год теплоты и 410 млн кВт.ч/год электроэнергии. Поэтому, вопросам энергосбережения на предприятии уделяется значительное внимание. Последнее время много внимания уделяется возможности использования теплонасосных установок (ТНУ) в системах теплоснабжения для экономии ТЭР [1-11]. Эффективность их использования зависит от многих факторов, таких как: температурные уровни источника теплоты и потребителя, соотношение тарифов на теплоту и используемую энергию, уровень цен на используемую теплоту от источника (если необходимо за нее платить), тип использования привода компрессора и т.д. Под эффективностью в данной работе понимается: превышение стоимости замещаемой теплоты (от другого источника) над энергетическими затратами ее производства в ТНУ и является основой для определения реального экономического эффекта при использовании

ТНУ с учетом капитальных, эксплуатационных и др. затрат, сроков их окупаемости, себестоимости произведенной теплоты, получения дополнительной прибыли и т. д.

На рис. 1 представлены некоторые возможные схемы включения ТНУ с электроприводом в централизованную систему теплоснабжения для подогрева воды ГВС. На схеме рециркуляционный контур системы ГВС для упрощения анализа включен перед ПО. Рассматриваются несколько вариантов.

Используется теплота низкопотенциального источника для подачи ее в испаритель ТНУ и возможностью догрева воды для ГВС после конденсатора ТНУ водой из подающего трубопровода тепловой сети. Подача теплоты к испарителю ТНУ возможна непосредственно теплоносителем источника теплоты или с использованием промежуточного теплоносителя, циркулирующего под воздействием насосов с механическим приводом, или с использованием тепловых труб (ТТ). На рис. 1 схематично представлена конструкция ТТ для передачи теплоты от источника к испарителю ТНУ. Такая конструкция гравитационной ТТ (термосифона) была рассчитана и спроектирована по методике, изложенной в [12, 13], реализована в 1981 г. под Неаполем (Италия) для теплоснабжения жилого здания с использованием теплоты термальных вод. Результаты испытаний практически полностью совпали с расчетными.

На рис. 2 в Т-S диаграмме показана принципиальная схема процессов, происходящих в элементах ТНУ.

Подведенная теплота к испарителю ТНУ используется для испарения хладагента (рабочего теплоносителя ТНУ), (кДж/кг):

где: hi - энтальпия хладагента в точке i, кДж/кг.

Далее пары хладагента сжимаются в компрессоре КМ (Рис. 1, 2, процесс 1-2). При этом затрачивается внутренняя работа компрессора (кДж/кг):

где: т|_а - адиабатный КПД компрессора.

После компрессора пары хладагента поступают в конденсатор К_ТНУ, конденсируются и затем конденсат охлаждается в ПО (Рис. 1). Количество полученной теплоты для системы ГВС (кДж/кг):

В зависимости от величины t_В2 (рис. 1), охладитель конденсата ПО может не использоваться или выполняться воедино с конденсатором. При таком включении возможны варианты: когда t_В4 = t_В5, т.е. вода для ГВС полностью нагревается в ТНУ до требуемой температуры, или частично до некоторой величины t_В4 и далее догревается до t_В5 в теплообменнике ТО с использованием теплоты сетевой воды подающего трубопровода. Подключение ТО может быть параллельным или последовательным к системе отопления, в зависимости от конкретных условий. Доля теплоты, переданной ТНУ, в этом случае определяется:

После ПО хладагент дросселируется в Др (Рис. 1, 2, процесс 4-5). Коэффициент трансформации (преобразования) теплоты µ определяется отношением полученной теплоты qГ_ВС к затраченной работе l_КМ:

где: l_КМ = 1_в/т1эм- Лэм - электромеханический КПД привода. Удельная затрата электроэнергии на единицу полученной теплоты определяется:

Для анализа эффективности использования ТНУ в рассматриваемой схеме включения получено следующее выражение (руб./Гкал):

где: Q'_TC = QТС/QГВС = (tВ5 - W/Ubs - tВ2);

Ц_Т - удельная стоимость используемой теплоты сетевой воды, (руб./Гкал);

Ц_Э - удельная стоимость используемой электроэнергии (руб./Гкал).

В данной работе для наглядности используются размерности, пока еще широко применяемые во многих организациях: кВт.ч, Гкал; 1 кВт.ч = = 0,859б10-³Гкал; 1 руб./(кВт.ч) = 1164 руб./Гкал.

На рис. 3 представлено влияние удельной стоимости замещаемой теплоты при использовании ТНУ (при О'тну = 1), коэффициента трансформации теплоты, удельной стоимости используемой электроэнергии на эффективность использования ТНУ в рассматриваемых случаях. Все расчеты, в качестве примера, приводятся для рабочего теплоносителя ТНУ хладона R22 и соответствующих взаимосвязей: µ = f(t_В4, t_В2, t_ИСТ), Э'тну = cp(t_B4, t_В2, t_ИСТ) [11]. Как видно из рисунка, при увеличении коэффициента трансформации теплоты, уменьшении стоимости электроэнергии, увеличении стоимости теплоты, замещаемой ее выработкой ТНУ, эффективность использования ТНУ резко возрастает.

При уменьшении разности температур At = (t_В4--t_ИСТ) коэффициент трансформации теплоты увеличивается (рис. 4), т.к. уменьшаются затраты энергии на привод компрессора (рис. 2, процесс 1 - 2а). Это приводит к увеличению эффективности использования ТНУ. На рис. 5 показано влияние температуры источника теплоты на Эф при t_В4 = = t_В5, т.е. О'тну = 1 . Но с уменьшением температуры t_В4 возникает необходимость догревать воду для системы ГВС до требуемой t_В5, используя теплоту сетевой воды стоимостью Ц_Т. При этом доля теплоты О'тну* произведенная в ТНУ, уменьшается. На рис. 6 показано влияние О'тну ^на эффективность использования ТНУ для различной стоимости теплоты сетевой воды при Ц_Э = 1,1 руб./кВт.ч, t_ИСТ = = 15 ОС, t_В5 = 55 ОС, t_В2 = 25 ОС. Из графиков следует, что максимальное значение Эф достигается при О'тну ⁼ 1 . При уменьшении Ц_Т эффективность Эф падает и при определенной стоимости замещаемой теплоты от теплосети может стать отрицательной. теплонасосный испаритель хладагент

Рассмотрим вариант использования теплоты сетевой воды из обратной линии с температурой t_ИСТ = t_ВС при t_В4 = t_В5. На рис. 1 представлена схема включения ТНУ для данного случая, обозначенная пунктирной линией. Необходимое количество теплоты в испаритель ТНУ поступает только от обратной сетевой воды стоимостью Ц_Т. Из уравнения (7) следует, что экономический эффект при использовании ТНУ с электроприводом возможен только при соотношении тарифов на теплоту и электроэнергию: ЦЭ/hЭ < ЦТ. На рис. 7 показана область (ниже линии 1), где Эф > О при т|_э= 1. С уменьшением т|_э уменьшается и Ц_Э, т.е. линия, определяющая ЭФ = 0, становится более пологой. Это справедливо для данного отдельного узла. В общей системе это приводит к увеличению разности температур между теплоносителями в подающем и обратном трубопроводах и, как следствие, возможно: уменьшение расхода теплоносителя, затрат энергии на его перекачку, уменьшения диаметров трубопроводов. Но это отдельная задача для исследования.

Проведенные исследования показывают, что в себестоимость теплоты, произведенной ТНУ с электроприводом, существенную часть вносят энергетические затраты, ЦЭНТ, которые в значительной мере зависят от температурного уровня источника низкопотенциальной теплоты и тарифов на электроэнергию (рис. 8). Из рисунка следует, что при определенных тарифах на электроэнергию и температуре используемой низкопотенциальной теплоты, например, теплоты канализационных стоков [8], грунта земли [9], воды рек и водоемов [10], энергетическая составляющая в себестоимости теплоты, произведенной в ТНУ, может быть соизмеримой с общей себестоимостью теплоты, выработанной другими источниками.

Поэтому, к использованию ТНУ в системах теплоснабжения необходимо подходить взвешенно, с учетом всех конкретных условий. В [7], например, показывается, что использование для привода ТНУ двигателей внутреннего сгорания (ДВС) или в сочетании ТНУ с другими энергоустановками существенно увеличивает эффективность их применения.

Литература

1. Андрющенко А. И. Сравнительная эффективность применения тепловых насосов для централизованного теплоснабжения // Промышленная энергетика. 1997. № 6.С. 2-4.

2. Везиришвилли О. Ш., Меладзе Н. В. Энергосберегающие теплонасосные системы тепло- и хладоснабжения. - М.: МЭИ. 1994. - 160 с.

3. 3.Данилов В. В. Повышение эффективности системы централизованного теплоснабжения на основе применения технологии тепловых насосов // Энергосбережение и водоподготовка. 2000. № 2. С. 5-14.

4. Мартыновский В. С. Циклы, схемы и характеристики термотрансформаторов. Подред. В. М. Бродянского. - М.: Энергия, 1979. - 288 с.

5. Пустовалов Ю. В. Экономические вопросы развития теплонасосных станций //Теплоэнергетика. 1986. № 3. С. 24-28.

6. Янтовский Е. И., Левин Л. А. Промышленные тепловые насосы. - М.: Энерго-атомиздат, 1989. - 128 с.

7. Николаев Ю. Е. Основы повышения эффективности теплоснабжающих комплексов городов. Дис. докт. техн. наук. Саратов: гос. техн. ун-т, 2003.

8. Шилкин Н. В. Утилизация тепла канализационных стоков // Сантехника. 2003. № 1.С. 12-13.

9. Васильев Г. П., Шилкин Н. В. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных установках// АВОК. 2003. № 2. С. 52-60.

10. Салимов М. Экономия энергоресурсов за счет использования бросового тепла реки водоемов. http://msalimov.narod.ru/Util.htm 2003. С. 1-7.

11. Мартынов А. В. Установки для трансформации тепла и охлаждения: Сборник задач:Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 200 с.: ил.

12. ShelghinskiA. Tubi di calore a media temperatura. //ATTI delXXXVI Congresso NazionaleATI dell'Associazione Termotecnica Italiana. -Viaregio, Vol. 1. 1981. pp. 739-752.

13. Casarosa C., Latrofa E., Shelghinski A. Effetto geyser nel termosifone bifase // ATTI delXXXVI Congresso Nazionale ATI dell' Associazione Termotetecnica Italiana. - Viareggio.Vol. 1. 1981. pp. 753-768.

Размещено на Allbest.ru