Применение тепловых насосов в системах солнечного теплоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ереванский государственный университет архитектуры и строительства

Применение тепловых насосов в системах солнечного теплоснабжения

к.т.н. А.Л. Петросян

доцент, А.Б. Барсегян

Малоэффективность и высокая себестоимость существующих солнечных коллекторов СК ограничивают области целесообразного применения систем солнечнего теплоснабжения ССТ. Однако истощение запасов органического топлива и его чрезмерное удорожание, тревожная экологическая обстановка в мире из-за вредных и тепловых выбросов в атмосферу, диктуют необходимость поиска методов повышения энергоэффективности систем теплоснабжения ССТ, поскольку они потребляют значительное количество тепла разного потенциала.

Согласно до 40 всего добываемого в мире топлива расходуется на эти нужды и поэтому развитые, европейские страны эту отрасль, в основном, перевели к нетрадиционным источникам тепла с использованием низкотемпературных вторичных и естественных энергоресурсов. Особое значение имеют солнечная энергия, энергия грунта, сточных и грунтовых вод и т. д. Ряд стран бывшего СССР, ориентированных на привозное топливо и имеющих благоприятные климатические условия, такие как страны Закавказья, Черноморского побережья Украины и т.д., могут весьма успешно использовать эти виды энергии, особенно солнечную, однако проектировщики и узкие специалисты сталкиваются со слабой научной, проектной и эксплуатационной базой ССТ, техническими трудностями и высокой стоимостью привозного европейского оборудования, а также с психологическими факторами: ССТ в СССР были, почти что, научной фантастикой.

Однако в настоящий момент они стали весьма актуальны и роль научных работников помочь правительствам своих стран преодолеть этот барьер и решить часть энергетических проблем с применением таких систем. В данной статье рассмотрены перспективы использования солнечной энергии в ССТ с комбинацией СК с тепловым насосом ТН, обеспечивающих высокую энергоэффективность и устойчивую работу за весь период летних и переходных месяцев года. С применением грунтовых аккумуляторов тепла такие системы могут конкурировать и с традиционными источниками тепла.

В статье рассмотрены технико-экономические показатели подобной СТС для конкретных условий г. Еревана. Сравниваются три основныe варианта с различными нсточниками тепла: среднетемпературный СК (ССК), низкотемпературный СК и ТН (НСК+TН) , районный котел (РК).

Принципиальная схема ССТ с НСК+TН /2/, приведена ниже /см. рис. 1/ с изложением основных узлов и принципа работы СТС.

СТС I контур с теплоносителем-вода с различными температурами теплоснабжения (95/70,,80/55,65/40), включает в себя бак-аккумулятор (1) и циркуляционный насос (2), подающий (3) и обратный (4) теплопроводы, подсоединенные с внутренней теплосетью жилых зданий микрорайона и конденсатором (5) ТН (II контур).

Во II контуре источника тепла, в состав ТН, кроме конденсатора (5), включены дроссель (6), испаритель (7) и компрессор (8).

IV контур-система утилизации солнечной энергии с низкопотенциальным СК (9), насосом (10) и баком-аккумулятором (11) низкопотенциального источника тепла (НПТ), обводным байпасным трубопроводом (12) со своей арматурой.

Рис.1. Принципиальная схема ССТ с НСК+TН: I контур- циркуляции теплоносителя, II контур- циркуляция хладагента в ТН, III контур- подача подземной воды в испаритель (7) ТН, IY контур-система утилизации солнечной энергии с НСК

Принцип работы ССТ с НСК+TН следующий. В часы солнечного сияния теплота радиации при помощи СК (9) переходит к теплоносителю - к воде или рассолу , циркулируемая насосом (10) от бака (11) до СК (9) и испаритель (7). Нагретый в СК рассол охлаждается в испарителе (7) ТН и возвращается в бак-аккумулятор (11) для последующего нагрева. В ночные и несолнечные часы вода или рассол проходит через байпасную линию (12), минуя (9), для сокращения тепловых потерь. При применении грунтового аккумулятора вместо рассольного или водяного (11) (в схеме не показано), можно достичь использования ССТ и в зимние месяцы, однако это, а также использование III контура, в последующих расчетах не предусмотрено. III контур- подача подземной воды в испаритель (7) ТН.

За счет низкопотенциального тепла, передаваемого при помощи низкопотенциального СК, в испарителе (7) хладагент, например , испаряется, и пары поступают в компрессор (8), где сжимаются за счет электропривода. Сжатые пары хладагента, из-за повышения давления, нагреваются до 80-85, а затем сами нагревают в конденсаторе (5) теплоноситель I контура, идущий по обратному теплопроводу (4). Конденсат хладагента из конденсатора (5) направляется в дроссель (6), где дросселируется и создает холодильный эффект в испарителе (7). В (7) можно подводить и подземную воду III контура.

Нагретый, например до 65, теплоноситель поступает в бак-аккумулятор (1) и насосом (2), подающим трубопроводом (3) подается к жилысм зданиям микрорайона.

Поскольку температура воды или рассола в НСК близка температуре окружающей среды, то намного сокращаются тепловые потери от поверхностей НСК, что и приводит к повышению энергетической эффективности ССТ. Кроме того намного сокращается поверхность НСК, повышается их надежность. Сокращаются тепловые потери от теплопроводов при транспортировке низкотемпературного теплоносителя, однако повышается поверхность отопительных приборов при естественной циркуляции воздуха, установленных в помещениях здании. Во избежание этого, следует применить фанкойлы, которые можно использовать также и при хладоснабжении зданий микрорайона.

Расчет основного оборудования ССТ с ССК производится следующим образом. Основной является поверхность ССК, которая может быть определена различными методами. Нами выбран метод, изложенный в /3/, а в качестве тепловой нагрузки принят - нагрузка ГВС здании или микрорайона:

(1)

где - суммарная радиация местности, - эффективность ССК.

Значения солнечной радиации местности определены в зависимости от месячных суммарных радиаций местности и продолжительности солнечного сияния . Актинометрические и метеорологические данные местности, например для условий г. Еревана, представлены в таблице 1.

солнечный теплоснабжение испарение хладагент

Таблица 1. Актинометрические и метеорологические данные для условий г. Еревана

Эффективность ССК зависит от средней температуры жидкости в ССК

и среднемесячной температуры наружного воздуха , а также от суммарной радиации ,определяемой специональной номограммой /3/. Апроксимация линии эффективности, например, для одностеклянных ССК с неселективным поглащающим покрытием, показывает, что эффективность ССК можно выразить следующим линейным уравнением:

(2)

При применении других типов ССК формула (2) может быть заменена.

Если задана тепловая нагрузка ГВС зданий или микрорайона , температура горячей и холодной воды, например (), то пользуясь формулой (2), а затем и (1), определяем значения искомых величин: и по месяцам сезона. Результаты расчетов представлены в виде соответствующих номограмм см. рис.2 а и б. Из него следует, что при снижении суммарной радиации и повышении среднемесячной температуре наружного воздуха (см.табл.1), эффективность ССК повышается и достигает максимума за июле месяце. В период с апреля по август поверхность ССК изменяется незначительно, но в период с сентября по октябрь, при резком уменьшении и , поверхность ССК увеличивается более чем в 2 раза.

Рис.2.а. Характер изменения эффективности и б. поверхности НСК (для ССТ с НСК+TН) и ССК с неселективным поглащающим покрытием при = 7 МВт

В целом, среднесезонная эффективность ССК с неселективным поглащающим покрытием составляет примерно 0.48, а требуемая поверхность на одного жителя г. Еревана, составляет 2 м² /чел.

Соответствующие параметры ССТ с НСК+ТН можно определить следующим образом.

Наибольшая эффективность для НСК составляет 0,7-0,74. Поскольку при ССТ с НСК+ТН можно использовать НСК, которые могут иметь наибольшую эффективность по сравнению с ССК, поэтому можно принимать эффективность такого НСК порядка-=0.7. Приняв значение , из формулы (2) можно определить среднюю температуру жидкости в НСК в зависимости от среднемесячной температуры наружного воздуха и суммарной солнечной радиации . Полученное нами аналитическое выражение для определения примет следующий вид:

(3)

Температура испарения хладагента в испарителе ТН T_o, при 5^oC перепаде температур между T₀ и средней температурой жидкости , определится выражением:

Исходя из температуры горячей воды- 65и 5перепаде температур недорекуперации в конденсаторе, температура конденсации хладагента в ТН составит 70. Имея температуры и давления испарения и конденсации хладагента, можно построить термодинамические циклы работы ТН на диаграмме хладагента по месяцам сезона, а на их основе определить параметры хладагента в узловых точках цикла. Затем можно определить удельные тепло- и хладопроизводительность, работу, затрачиваемую на привод компрессора ТН. Приняв КПД парокомпресионного ТН порядка 0.75-0.8 и имея значения тепловой нагрузки ГВС зданий или микрорайона, определяем тепловую нагрузку испарителя ТН, и тем самым, на НСК, а также потребляемую электроэнергию на привод компрессора ТН и насоса для циркуляции рассола между испарителем ТН и НСК.

На основе вышеизложенного метода проведены конкретные расчеты для микрорайона г. Еревана с численностью 20 тыс. человек, нагрузка и продолжительность ГВС - 7 МВт и 7 месяцев в году с апреля по октябрь. Как было указано, поверхность ССК для покрытия нагрузки ГВС на одного жителя составила 2 м²/чел., а для данного микрорайона составит 40 тыс. м².

Для ССТ с НСК+ТН требуемая поверхность НСК () в течение указанного сезона представлена в виде графиков на рис. 2 б. Температура испарения хладагента и средняя температура жидкости в НСК за сезон представлены на рис.3.

Рис. 3. Ход изменения среднемесячной температуры наружного воздуха и температуры испарения хладагента в ТН , средней температуры жидкости в НСК за сезон

Как следует из этих графиков, расчетная поверхность НСК при ССТ с НСК+ТН может составить 16.5 тыс.м² или же по сравнению с ССТ с ССК сокращается в 2.42 раза. Температура испарения с апреля по август месяцы незначительно превосходит среднемесячную температуру наружного воздуха из-за высокой интенсивности солнечной радиации, а затем в сентябре имеем примерное равенство, в октябре- ниже на 1. Этa температура обуславливает энергетическую эффективность ССТ с НСК+ТН. Чем выше температура испарения, при постоянной температуре конденсации, тем выше коэффициент преобразования ТН, меньше расход электроэнергии на привод компрессора ТН и рассольного или водяного насоса.

При разнице среднемесячных температур за апрель и октябрь месяцы 0,5, месячный расход электроэнергии за апрель составляет 330.6, за октябрь- 412.8 МВт.ч или же на 20% больше. Сезоный расход электроэнергии составляет 1721 МВт.ч/сезон, а топливный эквивалент, при удельном расходе топлива на ТЭС - т.у.т./МВт.ч, составляет 602 т/сез.

Как было указано, упомянутые ССТ следует сравнить по технико-экономическим показателям с традиционными источниками тепла - с котлами.

Производя подбор оборудования сравниваемых ССТ, следует определить приведенные затраты за сезон по удельным капвложениям на сравниваемые системы и стоимости условного топлива. Необходимо учесть и экологический ущерб из-за применения той или иной СТС с различными источниками тепла.

Аналитические выражении для определения приведенных затрат на ССТ с ССК, НСК+ТН, СТС с РК имеют следующий вид:

(5)

(7)

При ССТ с ССК капвложения на ССК, если требуемая поверхность и удельное капвложение составляют 40 тыс.м² и 120-180 ам.дол./м² (для среднетемпературного СК с меньшей толъщиной теплоизоляции), в которой учтены капвложения как на ССК, так и на бак-аккумулятор, насосы, землю, отводимую под ССК и т.д., составят млн. ам. дол., а годовые доли капвложения на ССК, при нормативном коэффициенте , составят 360 тыс. ам. дол. Сумма на реновацию основного оборудования составит 80,64 тыс. ам. дол при коэффициенте реновации . Расход электроэнергии на привод рассольного насоса за сезон составит МВт.ч., что равноценно расходу топлива на ТЭС - т у.т. При стоимости топлива в Республике Армении- 215 ам. дол. за т у.т., эксплуатационные затраты составят 1290 ам. дол. Экологическим ущербом от вредных выбросов котлов ТЭС из-за малого потребления электроэнергии можно пренебречь.

Сезонные расходы на зарплату обслуживающего персонала при численности 2 чел. и 1.5 сменной работе составят: ам. дол. Итого, для ССТ с ССК, приведенные или годовые расходы составят: ам. дол.

Приведенные затраты на ССТ с НСК+ТН состоят из годовых долей капвложений на НСК и ТН, эксплуатационных затрат на электроэнергию и зарплату персонала. В этом варианте, когда м², годовые доли капвложений на НСК, при удельной стоимости 120 ам. дол./м², составят 99000 ам.дол./сез., а реновационные расходы- 22176 ам. дол. Капвложения на ТН, при удельной стоймости 200-500 ам.дол/кВт (для крупных и малых ТН), составляют тыс.ам.дол. Годовые доли капвложений на ТН при нормативном коэффициенте , составят 112 тыс. ам. дол., а сумма на реновацию ТН, при , составит 87780 ам. дол.

Эксплуатационные затраты на топливо для выработки электроэнергии на ТЭС, потребляемое ССТ с НСК+ТН, при удельной стоимости 215 ам.дол. за т у.т. составит 129430 ам. дол./сез.

Сезонные расходы на зарплату обслуживающего персонала при численности 3 чел. и 1.5 сменной работе составят: ам. дол./сез.

Экологический ущерб от вредных выбросов котлов ТЭС, обеспечивающих электроснабжение ТН и насоса составит: ам. дол./сез. при выбросах двуокиси серы и азота соответственно 25.4 и 5.4 т/сез., рассчитанных согласно /4/.

Приведенные затраты на ССТ с НСК+ТН составят =454706 ам. дол.за год.

Вариант СТС с РК имеет следующие техникоэкономические показатели. Удельные капвложения на РК, включая стоимость здания, насоса, установок химводоочистки и т.п., в зависимости от теплопроизводительности, могут составить с 100 до 150 ам. дол./кВт, исходя из чего: годовые доли капвложений на РК при нормативном коэффициенте , составят 105 тыс. ам.дол., а сумма на реновацию РК, при , составит 65835 ам. дол.

При тепловой нагрузке =7 МВт и продолжительности ГВС ч/сез., сезонный расход топлива на СТС с РК определяется как сумма расходов топлива в РК и на ТЭС для выработки электроэнергии на нужды привода насоса, обеспечивающие циркуляцию воды между РК и скоростным водонагревателем. Расход топлива в РК, при КПД , составит 1676,6 т.у.т./сез., а на ТЭС- 31,5 т.у.т./сез., итого-1617,6 т.у.т./сез., что составит 354556 ам. дол.

Сезонные расходы на зарплату обслуживающего персонала при численности 3 чел. и 1.5 сменной работе составят: ам. дол./сез.

Экологический ущерб от вредных выбросов районного котла и котлов ТЭС, обеспечивающих теплоэлектроснабжение СТС района составят: ам.дол./сез.

Приведенные затраты на ССТ с РК составят: 531862 ам. дол.

Из полученных результатов следует, что сравниваемые варианты ССТ почти равноценны (ССТ с НСК+ТН по приведенным затратам превосходит ССТ с ССК на 2,4%). Однако каждая из систем имеет свои положительные и отрицательные стороны как с экономической, так и технической стороны, которые могут нарушить эту равноценность. В частности, удорожание топлива, уменьшение радиуса действия и тем самым тепловой нагрузки ССТ, приведут к удорожанию ССТ с НСК+ТН. В регионах, где интенсивность солнечного сияния и температура наружного воздуха в указанные месяцы ниже, а также высоки цены на земельные участки в черте города и т.п., энергоэкономические показатели ССТ с ССК снижаются.

СТС с РК на 17% превосходит другие системы и основная статья расхода - расход на органическое топливо, которая имеет тенденцию удорожания не менее чем на 50% за год. Это означает, что СТС с РК не может конкурировать с другими системами. Поскольку стоимость основного оборудования сравниваемых систем может дорожать небольшими темпами, чем топливо, то следует произвести анализ систем по удельным расходам топлива, поскольку для стран, ориентированных на привозное топлива, кроме экономических показателей, наибольший интерес представляет вопрос топливо- или энергосбережения.

Удельный расход топлива для ССТ с ССК обусловлен расходом топлива на ТЭС для выработки электроэнергии на нужды насоса воды, а для ССТ с НСК+ТН и на привод компрессора. Это означает, что удельный расход топлива для ССТ определится формулами:

(7)

где - продолжительность сезона ГВС за год, =2002 ч/год.

Среднесезонное удельное потребление топлива для СТС с РК складывается из расходов в РК с целью получения тепла на нужды ГВС и на ТЭС для выработки электроэнергии на нужды насосов РК, химводочиски и т.п.:

(8)

На основе формул (7) и (8), проведены соответствующие расчеты для определения среднесезонных удельных потреблений топлива для ССТ с ССК и НСК+ТН, а также для СТС с РК, результаты которых представлены в виде графиков на рис. 3.

Среднесезонное удельное потребление топлива для ССТ с ССК составляет порядка 0.4 г.у.т./кВт.ч. теплоты.

Для ССТ с НСК+ТН удельное потребление топлива (см. кривое 1 на рис 3) измеяется с изменением среднемесячной температурой наружного воздуха или температурой испарения хладагента, а среднесезонное удельное потребление топлива представлена линей 2. Как видно из рис.4, среднесезонное удельное потребление топлива для ССТ с НСК+ТН составляет 0.053 кг/кВт.ч теплоты, что намного больше, чем при ССТ с ССК. Это означает, что для условий Еревана ССТ с ССК по топливо- и энергосбережению превосходит ССТ с НСК+ТН.

Рис. 4. Номограмма определения месячных и среднесезонных удельных потреблений топлива на нужды ССТ с ССК и НСК+ТН, СТС с РК для ГВС микрорайона г. Еревана

На рис 4, линями 4-6 представлены среднесезонные удельные потребления топлива для СТС с РК при КПД РК соответственно 0.85 (районное котельное), 0.75 (местное котельное на газе), 0.7 (местное котельное на мазуте). Как и следовало ожидать, значения среднесезонных удельных потреблений топлива для СТС с РК намного превышает соответствующие значения для ССТ с различными комбинациями, поскольку последние используют солнечную энергию вместо органического топлива. Поскольку удешевление различных видов топлива невозможно из-за истощения их запасов, то эти показатели могут быть основными для стран, ориентированных на привозное топливо. Однако следует учесть не только экономические, но и актинометрические и метеорологические показатели местности.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемое нами ССТ с НСК+ТН по приведенным затратам почти равноценны с ССТ с ССК из-за высокой цены ССК. Однако существуют другие варианты использования солнечной энергии, в частности, при помощи “солнечных прудов или бассейнов”, при которых капвложения намного ниже, чем при ССК. “Солнечные пруды или бассейны” одновременно служат аккумуляторами низкопотенциального тепла, поскольку, при применении незамерзающей жидкости, даже в зимние месяцы, их температура равна или ниже температуры окружающей среды. Предварительные расчеты подтверждают это, однако это тема другой статьи.

Выводы

1. Использование солнечной энергии в ССТ ССК и НСК+ТН по соображениям топлива- и энергосбережения намного эффективнее и экологически безопаснее, чем сжигание топлива в РК,

2. При актинометрических и метеорологических условиях Еревана для ГВС микрорайона ССТ с ССК, НСК+ТН по приведенным затратам равноценны, однако по топливосбережению ССТ с НСК+ТН намного уступает ССТ с ССК,

3. ССТ с НСК+ТН может обеспечить ГВС микрорайона и в зимние месяцы, а также осуществить хладоснабжение микрорайона или других потребителей при комбинированной выработке теплоты и холода, что намного повысит энергоэкономические показатели ССТ с НСК+ТН,

4. Показатели ССТ с НСК+ТН и “солнечные пруды или бассейны” могут оказаться намного выше, чем при других ССТ из-за низких капвложений в систему, отсутствии теплового аккумулятора и возможности системы работать в зимние месяцы.

Литература

1. Петросян А.Л. Использование солнечной энергии и тепловых насосов для теплоснабжения жилых зданий. Сб научн. трудов. Ереванского гос. университета архитектуры и строительства. II том. -2003. стр. 122-124.

2. Бекман У, Клейн С., Даффи Дж. Расчет системы солнечного теплоснабжения. -М: Энергоиздат, 1982.- с.80.

3. Девочкин М.А. и др. Технико-экономические расчеты в энергетике на современном этапе. Известия ВУЗ-ов. Энергетика. Минск, 1987. N5. -с.3-7.

4. МТ 34-70-010-83. Методика определения валовых выбросов вредных веществ в атмосферу от котлов тепловых станции. Союзтехэнерго.-М., 1984.-с.19.

Размещено на Allbest.ru