Оценка эффективности применения инновационных технологий для энергообеспечения тепличного комплекса
Анализ эффективности применения теплового насоса, работающего совместно с тепловым двигателем для энергообеспечения тепличного комплекса. Определение экономии энергетических ресурсов по сравнению с традиционной системой (газовый котел) отопления теплицы.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 29.05.2021 |
| Размер файла | 387,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Оценка эффективности применения инновационных технологий для энергообеспечения тепличного комплекса
И.К. Шаталов, И.И. Шаталова; Российский университет дружбы народов
В настоящее время в тепличное хозяйство по всему миру активно внедряются инновационные технологии. Одним из способов повышения энергоэффективности тепличных комплексов является применение систем энергообеспечения теплиц, включающих тепловые насосы. Технология расчета и монтажа тепловых насосов хорошо отработана и широко используется в настоящее время для отопления жилых домов и других помещений. В работе проведен анализ эффективности применения теплового насоса, работающего совместно с тепловым двигателем для энергообеспечения теплицы. Был выбран газопоршневой двигатель фирмы «Звезда-энергетика» мощностью 315 кВт и тепловой насос мощностью 523 кВт фирмы Menergy. Экономия энергоресурсов по сравнению с традиционной системой энергообеспечения теплицы: при использовании только теплового насоса 25%; при использовании газопоршневого ДВС с утилизацией тепла 32%; при совместной работе газопоршневого ДВС и ТН до 60%.
Ключевые слова: тепловой насос, теплица, газопоршневой двигатель, газовый котел
The effectiveness of innovative technologies for energy supply of green hoses
I.K. Shatalov, I.I. Shatalova; Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University)
Greenhouse industry around the world is actively introducing innovative technology. The suggested way to improve the cost efficiency of greenhouses is to use power supply systems, including heat pumps. The technology of installation and its calculations of heat pumps is well determined at present and widely used for heating houses and other premises. The paper presents the analysis of application of heat pump, working in conjunction with a heat engine for energy supply of greenhouses. We selected gas-piston engine capacity 315 kW of the company “Zvezda-Energetika” and the heat pump capacity of 523 kW of the company “Menergy” in our study. The results are: energy savings compared with traditional energy supply system of the greenhouse if using only the heat pump is 25%; if using a gas engine with heat recovery is 32%; when combined gas engine and TNU to 60%.
Key words: heat pump, greenhouse, gas-piston engine, gas boiler
Затраты энергии на отопление -- основные издержки в тепличном хозяйстве и напрямую влияют на конечную цену выращенного продукта. Именно поэтому необходимо уделять внимание энергоэффективности российских тепличных хозяйств. Необходимо вывести российскую продукцию на конкурентоспособный уровень, чтобы постепенно снизить долю ввозимых фруктов и овощей.
Наряду с традиционными системами энергообеспечения тепличных комплексов, все большее применение находят системы на базе инновационных технологий.
Одной из эффективных и экономичных установок для отопления теплиц служит тепловой насос (ТН). Он способен использовать низкопотенциальную тепловую энергию из различных ресурсов окружающей среды. ТН работает по закрытому контуру, и не выделяет вредных веществ в процессе эксплуатации. Наибольшее распространение получили парокомпрессорные ТН. Для отопления теплиц наиболее приемлемым вариантом является водяной тепловой насос замкнутого или открытого контура [1; 2].
Эффективность работы теплонасосной установки характеризуется отношением теплоты Q, полученной теплопотребителем, к потребленной ТН электрической мощности Мпр. Данную величину называют коэффициентом преобразования ТН:
µ=Q/Nпр
На рисунке 1 представлены схема ТН замкнутого контура для отопления помещений с использованием в качестве источника низкопотенциальной теплоты (ИНТ) теплоты грунта. Для отопления теплиц используются также ТН с погруженным в водоем теплообменником [3].
ТН используются по всему миру и уже успели показать себя в роли надежной и экономичной машины для обогрева помещений, в частности, для отопления теплиц.
В таблице 1 приведено сравнение затрат на покупку и эксплуатацию традиционных систем отопления и ТН [4].
Расчеты проведены на основе результатов эксплуатации двускатной теплицы с высотами конька 5 м и стены 4 м, площадью 5000 м2. Теплица имела однослойное остекление из полиэтилена. Исследование проводилось в г. Сидней, Австралия. Анализ предполагал, что температура не падала ниже 18 °С и относительная влажность оставалась на уровне 75%. Проанализировав сведения (см. табл. 1), можно сделать вывод, что ТН, несмотря на большую стоимость покупки и установки, позволяет существенно экономить на эксплуатационных расходах [4].
Стоит уделить внимание пилотному проекту, описанному в статье журнала «Вестник» ВНИИ электрификации сельского хозяйства. В статье был представлен расчет автономного совместного энергообеспечения теплицы. В качестве источника тепла и электроэнергии использовалась мини-ТЭС с когенерацией тепловой энергии и применением тепловых насосов. В качестве целевого тепличного хозяйства было принято ЗАО «Совхоз имени М. Горького». Проведя расчеты, авторы приходят к выводу, что модернизация теплового оборудования с применением ТН позволит снизить расход топлива и выбросы СО2 в атмосферу в 3,3 раза; уменьшить энергоемкость тепличной овощной продукции в 3,3 раза.
К недостаткам и трудностям применения ТН относятся несколько факторов. Один из таких факторов -- отсутствие подходящих рабочих агентов, которые, с одной стороны, удовлетворяли бы экологическим требованиям (Киотское и Монреальское соглашения), а с другой стороны, обладали высокими термодинамическими свойствами. Второй фактор связан с низкими температурами теплоносителя на выходе из ТН, недостаточными для непосредственного применения в промышленных целях и в целях теплоснабжения. В первом случае ведутся исследования по созданию новых альтернативных рабочих агентов. Вторая проблема может быть решена за счет применения ТН с другими дополнительными источниками для производства теплоты, например, тепловыми двигателями с утилизацией их вторичных ресурсов.
В данной работе рассматриваются различные схемы энергообеспечения тепличного комплекса, включая тепловой насос и тепловой двигатель.
Рис. 1 Простейшая схема ТН, ИНТ-грунт
Таблица 1. Сравнение затрат на покупку и эксплуатацию оборудования для обогрева теплицы с помощью традиционных систем отопления и системы с тепловым насосом, тыс. долл. США
|
Тип отопительной системы и вид топлива |
Затраты на покупку и установку комплекта оборудования |
Стоимость эксплуатации за 10 лет |
Среднегодовая стоимость эксплуатации (за 10 лет) |
Стоимость эксплуатации за 15 лет |
Среднегодовая стоимость эксплуатации (за 15 лет) |
|
|
Котел с жидким теплоносителем (природный газ) |
205 |
2200 |
212 |
3200 |
213 |
|
|
Котел с жидким теплоносителем (сжиженный газ) |
205 |
2273 |
220 |
3222 |
220 |
|
|
Тепловой насос с грунтовым теплообменником (эл.энергия) |
400 |
1151 |
81 |
1412 |
94 |
|
|
Электрокотел (эл.энергия) |
75 |
3313 |
301 |
4446 |
296 |
Сравнительный расчет различных отопительных систем теплиц
Исходные данные для расчета. Площадь теплицы -- 10000 м2 или 1 га; расход энергии на искусственную инсоляцию составляет 20% от всей энергии, расходуемой на выращивание культуры. Именно такой процент энергии в среднем затрачивается на стимуляцию роста растений с помощью искусственного освещения, в течение всего года [5]. Потребность растений в тепле зависит от времени года. Расход энергии на обогрев находится в рамках между 15 и 50 (70) Вт/м2 [6]. Для расчета примем, что потребность в тепловой энергии составляет 50 Вт/м2.
Чтобы провести достоверное сравнение различных типов энергообеспечения теплиц, за основу примем часовой расход условного топлива (у.т.), сжигаемого для получения того или иного количества энергии. Таким образом, можно отказаться от сравнения эффективности оборудования посредством сравнения стоимости эксплуатации, так как стоимость топлива, тепловой и электрической энергии являются динамическими, постоянно меняющимися величинами. В России за единицу условного топлива принята величина, равная 293 000 КДж/кг (за рубежом в качестве единицы условного топлива используется нефтяной эквивалент -- 10 000 ккал/кг).
Таким образом, необходимая тепловая мощность на отопление N = 50 ¦ 10 000 = 500 000 Вт = 500 кВт.
Электрическая мощность на досвечивание
N3 = N ¦ 20% = 500 кВт ¦ 20% = 100 кВт.
Суммарная мощность
N = N + N3 = 500 кВт + 100 кВт = 600 кВт.
Вариант 1. Энергообеспечение теплицы с газовым котлом: тепловая мощность 500 кВт; топливо-природный газ, QPH = 30 000 кДж/кг; КПД газового котла 88%; электрическая мощность 100 кВт.
Часовой расход топлива, необходимый для энергообеспечения теплицы площадью 1 га в течение самого холодного времени года, равен 104,8 кг-у.т./ч.
Вариант 2. Энергообеспечение теплицы от ТН: тепловая мощность 500 кВт; электрическая мощность 100 кВт (рис. 2).
Рис. 2. Схема работы парокомпрессионного ТН: КМ -- компрессор; К -- конденсатор; ПО -- переохладитель; РВ -- регулирующий вентиль; И -- испаритель; te1 -- температура греющей воды на входе в ТН; te2 -- температура греющей воды на выходе из ТН, на входе в теплицу
Проведен расчет ТН с грунтовым теплообменником. Принимаем, что теплообменник заложен на глубине 5 м. Грунт на глубине более 5 м характеризуется невысокой (8-12 °С), но постоянной температурой, что позволяет рассматривать его как эффективный источник энергии для тепловых насосов.
Исходные данные для расчета: тепловая производительность ТН -- Q = 500 кВт; тип рабочего агента -- R134а. Расчетом получено, что коэффициент преобразования теплового насоса равен 4,2. Это означает, что для выработки необходимой тепловой мощности в 500 кВт, тепловой насос затрачивает 119 кВт электроэнергии. Так как мы приняли, что электроэнергия, необходимая для освещения растений в теплице равна 100 кВт, суммарная необходимая электрическая мощность для энергообеспечения теплицы
N = NTHy + N9 = 119 + 100 = 219 кВт.
Затраты на энергообеспечение в расходе условного топлива (обогрев и досвечивание) составляют 69,9 кг-у.т./ч.
Исходя из потребной тепловой мощности выбран тепловой насос Menergy (Канада) (рис. 3).
Рис. 3. Промышленный тепловой насос Menergy
Вариант 3. Энергообеспечение теплицы от ДВС.
Выбран в качестве энергетической установки газопоршневой двигатель внутреннего сгорания QSK 19G фирмы «Звезда -- Энергетика», на номинальном режиме работы: электрическая мощность 315 кВт, тепловая мощность 411 КВт, КПД 35,8%.
Часовой расход топлива, необходимый для энергообеспечения теплицы площадью 1 га равен 70,8 кг-у.т./ч.
Вариант 4. Энергообеспечение теплицы от ДВС с ТН.
Схема использования теплоты, вырабатываемой газовым двигателем с искровым зажиганием, связанным с компрессором ТН, приведена на рис. 4 [7]. Часовой расход топлива, необходимый для энергообеспечения теплицы площадью 1 га в течение самого холодного времени года равен 41,9 кг-у.т./ч.
Рис. 4. Схема использования теплоты в теплонасосной установке с газовым двигателем с искровым зажиганием: 1 -- испаритель; 2 -- компрессор; 3 -- конденсатор; 4 -- переохладитель; 5 -- регулирующий вентиль; 6 -- теплообменник системы охлаждения двигателя; 7 -- теплообменник утилизации теплоты ОГ; 8 -- теплопотребитель, отопление, теплица; ГД -- газовый двигатель
Из приведенных данных разных вариантов энергообеспечения теплицы (табл. 2) следует, что система энергообеспечения теплицы тепловым насосом в сочетании с тепловым двигателем -- самая экономичная (до 60% экономии топлива, по сравнению с газовым котлом).
Таблица 2 Сравнение разных вариантов энергообеспечения теплицы
|
Тип отопительной системы и вид топлива |
Потребности в электрической мощности, кВт |
Часовой расход условного топлива на обогрев, кг-у.т./ч |
Часовой расход условного топлива на досвечивание, кг-у.т./ч |
Общий часовой расход условного топлива, кг-у.т./ч |
Относительный часовой расход условного топлива |
|
|
Газовый котел (природный газ) |
100 |
69,8 |
35,1 |
104,8 |
1,0 |
|
|
Тепловой насос замкнутого контура с грунтовым теплообменником (электро-энергия) |
219 |
41,7 |
35,1 |
76,8 |
0,73 |
|
|
Тепловой двигатель (природный газ) |
100 |
35,6 |
35,1 |
70,7 |
0,68 |
|
|
Тепловой двигатель (природный газ) + тепловой насос |
219 |
6,8 |
35,1 |
41,9 |
0,4 |
Выводы
1. Традиционная система энергоснабжения теплицы имеет простую тепловую схему, хорошую ремонтопригодность, проста в эксплуатации, тем не менее, ее главный недостаток -- малая экономичность.
2. Тепловые насосы дают большие возможности по сбережению энергии на отопление теплиц. Технология расчета и монтажа тепловых насосов хорошо отработана и широко используется в настоящее время для отопления жилых домов и других помещений.
3. Экономия энергоресурсов по сравнению с традиционной системой энергообеспечения (газовый котел) теплицы составляет: при использовании только ТН -- 27%; при использовании только газопоршневого ДВС с утилизацией тепла -- 32%. При совместной работе газопоршневого ДВС и ТН -- 60%.
энергообеспечение теплица тепловой насос
Список литературы
1. Andrew D. Chiasson Geothermal heat pump and heat engine systems. John Wiley & Sons, Ltd., 2016. 473 p.
2. Ruqun Wu. Energy Efficiency Technologies -- Air Source Heat Pump vs. Ground Source Heat Pump // Journal of sustainable development. 2009. Vol. 2. No. 2. Pp. 14--17.
3. John W, Bartok Jr. Geothermal Heat for Greenhouses, Natural Resources Mgt. & Engr. Dept. University of Connecticut, Storrs CT, 2008. Pp. 2--5.
4. Badgery-Parker Jeremy. Ground Source Heat... as an option for greenhouses // Practical Hydroponics & Greenhouses. October 2013. Issue 136.
5. Свентицкий И.И., Алзахова Е.О., Обыночный А.Н. Энергоемкость, КПД тепловых преобразователей энергии и эксергический анализ. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2009. С. 166--187.
6. Круг Гельмут. Овощеводство / пер. с нем. В.И. Леунова. М.: Колос, 2000. 572 с.
7. Шаталов И.К. Теплонасосные установки с приводом от тепловых двигателей: учеб. пособие. М.: РУДН, 2009. 94 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Понятие и перспективы применения вторичных энергетических ресурсов, необходимое для этого оборудование и агрегаты. Классификация вторичных энергетических ресурсов промышленности, их разновидности и оценка эффективности при повторном использовании.
презентация [4,2 M], добавлен 06.02.2010Расчет буксировочного сопротивления судна "Михаил Стрекаловский". Комплектация тепловой схемы главного пропульсивного комплекса. Выбор утилизационного парового котла. Оценка эксплуатационной эффективности судовых энергетических установок и их элементов.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 09.09.2014Состояние систем и сетей энергообеспечения. Расход теплоты на отопление, вентиляцию, горячее водоснабжение. График тепловой нагрузки. Схема внутриплощадочного электроснабжения. Суммирование нагрузок линий. Разработка пароснабжения молочного блока.
дипломная работа [2,0 M], добавлен 05.07.2014Понятие теплового насоса, классификация. Источники низкопотенциальной тепловой энергии. Область применения насосов, нагнетателей и компрессоров. Решение проблемы теплового перекоса с помощью циркуляционного насоса. Пассивное и активное кондиционирование.
реферат [669,9 K], добавлен 26.12.2011Политика России в сфере энергообеспечения и энергосбережения. Использование местных и альтернативных видов топливно-энергетических ресурсов. Энергетические ресурсы России: топливные ресурсы, энергия рек, ядерная энергия. Мероприятия по энергосбережению.
реферат [25,1 K], добавлен 19.12.2009Изучение наиболее простых методов экономии электроэнергии. Преимущества и принцип работы люминесцентных ламп, проблема их утилизации. Различие между лампами накаливания и люминесцентными. Оценка эффективности практического применения данных ламп.
реферат [49,5 K], добавлен 18.01.2011Общее понятие теплофикации и когенерации. Условия эффективности использования газа в процессе теплофикации. Устройство теплофикационного прибора. Возникновение идеи централизованного теплоснабжения. Принцип работы и области применения теплового насоса.
реферат [26,0 K], добавлен 16.09.2010Производственная мощность энергетических предприятий, ее анализ и оценка эффективности, определение капиталовложений в их формирование. Порядок и принципы измерения производственной мощности оборудования, энергетических объектов, электростанций.
лекция [23,9 K], добавлен 10.06.2011Экономия энергии как эффективное использование энергоресурсов за счет применения инновационных решений. Знакомство с особенностями применения современных энергосберегающих технологий в строительстве. Общая характеристика альтернативных источников энергии.
курсовая работа [35,3 K], добавлен 27.03.2019Определение тепловой мощности системы отопления. Выбор и обоснование схемного решения системы отопления. Выбор компрессора. Компоновка теплонасосной установки. Предохранительный клапан в контуре теплового насоса. Виброизоляция оборудования установки.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 25.12.2015Работа энергетических установок. Термодинамический анализ циклов энергетических установок. Изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный и политропный процессы. Проведение термодинамического исследования идеального цикла теплового двигателя.
методичка [1,0 M], добавлен 24.11.2010Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов. Основные причины большого потребления топливно-энергетических ресурсов на предприятиях пищевой промышленности, пути сбережения тепловой энергии. Использование вторичных энергоресурсов.
реферат [98,2 K], добавлен 11.02.2013Система энергообеспечения Санкт-Петербурга. Идентификация рисков "перетопа и недотопа" в процессе теплоснабжения городов. Методы учета неопределенности при принятии адаптационных решений. Влияние социально-климатических факторов на климатические риски.
дипломная работа [2,1 M], добавлен 25.06.2015Методика и основные этапы расчета теплопотребления зданий (на отопление и горячее водоснабжение), определение нормативного потребления горячей и холодной воды. Разработка и оценка эффективности мероприятий по энергосбережению в системе отопления.
задача [354,2 K], добавлен 25.02.2014Оценка стоимости конденсаторных установок и способы снижения потребления реактивной мощности. Преимущества применения единичной, групповой и централизованной компенсации. Расчет экономии электроэнергии и срока окупаемости конденсаторных установок.
реферат [69,8 K], добавлен 14.12.2012Расчет значения среднеинтегрального напора насоса по смеси и соответствующей ему величине среднеинтегральной подачи смеси путем интегрирования подачи от давления у входа до давления на выходе из насоса. Расчет кавитационного режима работы насоса.
презентация [1,9 M], добавлен 04.05.2016Анализ уровня энергообеспечения объекта проектирования. Проектирование систем освещения административного здания. Расчет замедляющего устройства электроустановок. Определение электрических нагрузок линий. Проектирование и расчет системы теплоснабжения.
курсовая работа [155,7 K], добавлен 27.03.2012Основные способы организации энергосберегающих технологий. Сущность регенерации энергии. Утилизация вторичных (побочных) энергоресурсов. Системы испарительного охлаждения элементов высокотемпературных печей. Подогрев воды низкотемпературными газами.
доклад [110,9 K], добавлен 26.10.2013Система отопления в древние времена. Принципы и механизмы обогрева помещений в древнем Риме. Печное отопление: русская печь, камин, оценка их эффективности, влияние на быт человека. Современные системы отопления: паровое, водяное, а также лучистое.
курсовая работа [173,9 K], добавлен 15.05.2014Методы расчета сжигания и расхода топлива, КПД, теплового и эксергетического балансов котельного агрегата. Анализ схем установки экономайзера, воздухоподогревателя, котла-утилизатора с точки зрения экономии топлива и рационального использования теплоты.
курсовая работа [893,0 K], добавлен 21.06.2010
