Известно [7], что энергетическую эффективность работы тепловых установок оценивают при помощи величин удельного расхода условного топлива на производство единицы энергии (b_у, кг/ГДж). Если производство тепловой энергии осуществляется в водогрейном котле, то удельный расход условного топлива составляет

b_у^вк = 1/(з_к•Q_н^р), (1)

где з_к - энергетический коэффициент полезного действия (КПД) котла; Q_н^р - нижняя теплота сгорания условного топлива, которая равна 29,3·10^-3 ГДж/кг.

В случае производства тепловой энергии в ТНУ расходуется электрическая мощность, которая равна потребляемой мощности привода компрессора N. Понятно, что эквивалентный расход условного топлива, который тратится на производство электроэнергии мощности N в энергосистеме, составляет

B_у= N /(з_эс•з_эст•Q_н^р), (2)

где з_эс- средний КПД электростанций нетто; з_эст- КПД электросетей. Тогда удельный расход условного топлива на единицу производимой тепловой энергии в ТНУ равен

b_у^тну=1 /(ц?з_эс•з_эст•Q_н^р), (3)

где ц = Q/N - коэффициент преобразования энергии в ТНУ (отопительный коэффициент); Q - производимая тепловая энергия.

Рис. 1 Текущие значения b_у

На рис. 1 показаны расчетные значения удельного расхода условного топлива в водогрейном котле (линия 1) и в теплонасосной установке (линия 2) по данным: з_к= 0,9; з_эс= 0,34; з_эст= 0,9. Из рис. 1 видно, что при определенных условиях удельный расход условного топлива на ТНУ становится значительно меньшим, чем в водогрейном котле.

Известно также [8], что совершенство тепловых процессов и установок целесообразнее оценивать по эксергетическому коэффициенту полезного действия з_ех. Отклонение з_ех от максимального значения (з_ех=1) является мерой необратимых потерь энергии, которые принципиально могут быть устранены в случае более рационального осуществления технологических процессов. Значения эксергетического КПД зависят от эксергетической температурной функции (фактора Карно), которая равна

з_с=1-Т₀/Т_ср, (4)

где Т₀ - абсолютная температура окружающей (внешней) среды; Т_ср= (h₂-h₁) /(s₂-s₁) - средняя термодинамическая температура подвода и отвода теплоты; (h₂-h₁) - изменение энтальпии в процессе теплообмена; (s₂-s₁) - изменение энтропии в тепловом процессе. В [9] обнаружено неоднозначный характер изменения эксергетического КПД теплонасосных установок в зависимости от средних термодинамических температур подвода и отвода теплоты. Для удобства расчетов значения фактора Карно для различных значений Т₀ и Т_ср приведены в табл. 1.

Таблица 1

Значение фактора Карно

В состав систем теплоснабжения входят: водогрейный котел или тепловой насос, тепловая и электрическая сети, отопительные приборы. Прежде всего определим эксергетические КПД водогрейного котла и теплового насоса. В соответствии с [8] эксергетический КПД котла определяется по формуле

з^k_ех=(Q^p_н / E_хв)?з_к • з^k_с, (5)

где Е_хв - эксергия топлива; з_к - энергетический КПД котла; з^k_с - фактор Карно, определяемы по (4) для среднетермодинамической температуры теплоносителя (сетевой воды) в котле.

Первый сомножитель в (5) в случае сжигания газообразного или жидкого топлива равен, как правило, 0,94 - 0,97 [8]. На рис. 2 представлены зависимости изменения эксергетического КПД котла для разных температурных режимов работы тепловой сети при условии (Q^p_н / E_хв) = 0,95 и з_к= 0,9.

котел насос тепловой топливо

Рис. 2 Значения эксергетического КПД котла: 1 - t _псв / t _осв = 130 / 70°С; 2 - 120/60; 3 - 100/60; 4 - 90/50; 5 - 80/40; 6 - 70/40; t _псв, t _осв - температура прямой и обратной сетевой воды соответственно

Из рис. 2 видно, что значения эксергетического КПД котла увеличивается с уменьшением температуры внешней среды и с повышением температурного режима подогрева сетевой воды. Эксергетические потери в котле составляют от 70% до 80%. Уменьшить эти потери можно за счет увеличения среднетермодинамической температуры подвода теплоты к сетевой воде.

Эксергетический КПД теплового насоса рассчитывается по формуле

з^тн_ех= E_XQ / N = Q • з^кн_с / N = ц • з^кн_с, (6)

где E_XQ - эксергия теплоты; з^кн_с - фактор Карно для среднетермодинамической температуры сетевой воды в конденсаторе теплового насоса.

В [9] было выяснено, что коэффициенты преобразования энергии ц зависят от среднетермодинамических температур теплоносителей в процессах подвода теплоты в испарителе T^и_ср и отвода теплоты в конденсаторе T^кн_ср, а также от теплофизических свойств рабочего тела в ТНУ (хладона). Расчетные значения ц для аммиачной парокомпрессорной теплонасосной установки приведены на рис. 3. Эти зависимости свидетельствуют о том, что значения ц возрастают в случае повышения температур T^и_ср и уменьшения температур T^кн_ср.

Рис. 3 Значения ц: 1 - Т ^н_ср= 278 К; 2 - 283; 3 - 288; 4 - 293; 5 - 298

Отопительные приборы (радиаторы) представляют собой рекуперативные теплообменные аппараты, от которых теплота поступает в помещение, где поддерживается температура t_пом. Если пренебречь эксергетическими потерями на трение греющего теплоносителя в радиаторе, то эксергетический КПД последнего будет равен [10]

з^р_ех= (1-T₀/T_пом) /(1-T₀/T^p_ср) = з^пом_c/ з^p_c, (7)

где T^p_ср - среднетермодинамическая температура теплоносителя (сетевой воды) в радиаторе;T_пом- абсолютная температура в помещении.

Рис. 4 Зависимости з^p_ех=f(t ₀): 1-T_ср = 303 К; 2 - 313; 3 - 323; 4 - 328; 5 - 343

На рис. 4 приведены расчетные значения эксергетических КПД отопительных приборов при условии T_пом= 20°С. Видим, что значения з^р_ех тем больше, чем ниже температуры T₀ и T^p_ср.

Понятно, что сравнивать эффективность работы систем теплоснабжения от водогрейных котлов и теплонасосных установок нужно при условиях: одинаковой тепловой мощности, одинаковых температурных режимов работы тепловой сети и отопительных приборов. Учитывая это, формулы для сравнения по эксергетическим КПД указанных систем теплоснабжения будут иметь вид:

з^вк_ех= з^к_ех• з^p_ех, (8)

з^тну_ех= з^тн_ех • з^p_ех, (9)

где з^к_ех, з^тну_ех, з^p_ех определяют по (5), (6) и (7) соответственно. По соотношениям (8) и (9) для примера построены расчётные зависимости изменения эксергетических КПД в системах теплоснабжения, которые приведены на рис. 5 и 6.

Из рис. 5 наглядно видно, что эксергетический КПД системы теплоснабжения от водогрейной котельной возрастет при уменьшении температуры внешней среды, среднетермодинамической температуры отвода теплоты от отопительного прибора и увеличении энергетического КПД котла. Уменьшение температуры T^p_ср на 10° С дает прирост эксергетического КПД на 11,25%. Примерно на такую же величину возрастает з^вк_ех при условии T^p_ср = const при увеличении КПД котла на 10 %.

Рис. 5 Значения эксергетических КПД в системах теплоснабжения от водогрейной котельни: 1-з_к = 0,9,

T^p_ср = 328 К; 2 - з_к = 0,85, T^p_ср = 328 К; 3 - з_к = 0,9, T^p_ср = 318 К

Рис. 6 Эксергетические КПД системы теплоснабжения от теплонасосной установки: 1 - ц = 3, T^p_ср = 328 К; 2 - ц = 3,5, T^p_ср = 328 К; 3 - ц = 3, T^p_ср = 338 К

На рис. 6 приведены зависимости изменения эксергетических КПД системы теплоснабжения от теплонасосной установки.

Сравнивая зависимости, приведенные на рис. 5 и рис. 6, видим, что значения эксергетических КПД для системы теплоснабжения от ТНУ в 3 - 3,5 раза больше значений эксергетических КПД для системы теплоснабжения от водогрейных котельных. Значения эксергетических КПД на рис. 6 возрастают при уменьшении температур T₀ и T^p_ср и при увеличении коэффициентов преобразования энергии ц. Так, при увеличении ц на 0,5 значения эксергетических КПД возрастает в среднем на 11,3%. На такую же величину увеличивается эксергетический КПД при уменьшении температуры T^p_ср на 10° С. Видим (см. рис. 1), что при увеличении ц от 3 до 3,5 удельный расход условного топлива на производство энергии b_у уменьшается также на 11,3 %. Это свидетельствует о том, что величина b_у адекватно отражает эффективность работы теплоэнергетических систем и установок, в частности ТНУ.