Применение зданий как краткосрочных аккумуляторов тепловой энергии

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Применение зданий как краткосрочных аккумуляторов тепловой энергии

(доклад на 14 международном симпозиуме по централизованному теплоснабжению и охлаждению, 7-9 сентября 2014 г., Стокгольм, Швеция, публикуется в сокращении, перевод на русский Е.А. Левченко)

Йохан Кенсби, Андерс Трушель, Ян-Улоф Даленбек

Введение

Производство тепла в централизованных системах теплоснабжения (ЦСТ) напрямую зависит от спроса на тепловую энергию. При повышении потребления тепловой энергии потребителями поставщик тепловой энергии должен адекватно увеличивать мощность, чтобы избежать падения температуры в сети.

В течение суток тепловая нагрузка может сильно варьироваться на достаточно коротких промежутках времени, как следствие, вызывая пуски и остановы пиковых источников тепла, что, очевидно, не выгодно поставщику теплоэнергии. Увеличение амплитуды пиков потребления тепла влечет за собой рост нагрузки на пиковые мощности, которые, как правило, обеспечиваются сжиганием ископаемого топлива, стоимость которого достаточно высока, не говоря уже о пагубном воздействии на окружающую среду продуктов их горения (в Швеции перерабатывается 96% мусора, то, что нельзя вторично переработать, сжигается на ТЭЦ, Швеция даже закупает ТБО в соседних странах, главным образом в Норвегии - около 800 тыс. т бытовых отходов в год - для использования его в качестве топлива, чтобы исключить из топливного баланса страны дорогие ископаемые виды топлива. - Прим. ред.).

Краткосрочное запасание тепловой энергии может изменить прямую зависимость потребления тепла от его производства в централизованных системах теплоснабжения. Положительные эффекты аккумулирования тепла в системе теплоснабжения следующие:

¦ сглаживание пиков нагрузки;

¦ экономия топлива;

¦ уменьшение количества пусков и остановов оборудования;

¦ экономия на инвестировании в пиковые мощности;

¦ управление комбинированным производством на ТЭЦ тепло- и электроэнергиями в соответствии с тарифом на электроэнергию.

Существует четыре основных технологии аккумулирования тепловой энергии, которые можно применять в ЦСТ:

¦ хранение нагретого теплоносителя в баках- аккумуляторах;

¦ запасание тепловой энергии в материалах с изменением их фазового состояния;

¦ варьирование температуры теплоносителя в ЦСТ;

¦ применение тепловой инерции зданий.

Данная статья сосредоточена на последнем методе.

Целью исследования являлось определение потенциала снижения пиков тепловой нагрузки для зданий, которые использовались как краткосрочные теплоаккумуляторы в ЦСТ. В данном случае определение «краткосрочные» подразумевает характерные периоды экспериментов порядка нескольких часов, однако, как показали исследования, данная методика может применяться и на временных промежутках вплоть до нескольких суток. Аккумулирование энергии в таких зданиях обуславливается возможностью изменения температуры теплоносителя относительно температуры окружающей среды, что на данный момент является широко распространенной технологией.

Предшествующие экспериментальные данные

Использование термически инертных зданий в качестве краткосрочных тепловых аккумуляторов в ЦСТ не ново. Первые известные эксперименты в этой области относятся к 1982 г. Целью этих экспериментов было увеличение надежности поставок тепловой энергии потребителям, расположенным дальше всего от ТЭЦ, в случае нехватки мощности. В испытаниях были задействованы восемьдесят жилых и офисных зданий, расположенных в Стокгольме. Амплитуда и длительность снижения поставки тепловой энергии рассчитывались на основе скорости падения температуры в зданиях и максимально допустимом перепаде температур равном 3 ОС. Исследование показало, что метод не выходит за рамки принятых условий на временных отрезках вплоть до 48 ч.

Другой тест проводился в течение отопительного периода 2002-2003 гг. на двух железобетонных зданиях в Финляндии, которые были оборудованы радиаторной системой отопления. Эксперимент показал, что поставка тепло- энергии в здания может быть уменьшена на 2025% в течение 2-3 часов, при этом температура внутри здания опустится лишь на 2 ОС. Эксперимент проводился при температуре наружного воздуха в интервале -10-0 ОС. В других условиях удавалось добиться максимального уменьшения пиков нагрузки на 35%.

Похожее исследование в Маннхейме (Германия) показало несколько меньший потенциал снижения тепловой нагрузки для комплекса зданий, включающего в себя офисные здания и трамвайное депо. Снижение пиковой нагрузки на комплекс при аналогичных условиях достигало лишь 4,1%. Основной причиной такого низкого значения являлось то, что система отопления зданий была воздушная.

Эксперимент в Готтенбурге с 5 зданиями

В течение 2010-2011 гг. были отобраны и исследованы пять зданий в Готтенбурге (Швеция). Информация о зданиях представлена в таблице.

Отобранные здания имеют между собой отличия, и их можно разделить на два класса: легкий и тяжелый в зависимости от массы здания и оценочной удельной теплоемкости. Одно легкое здание, представленное в эксперименте, было построено из дерева и стали. Тяжелые здания в своей основе имели железобетон, и в отличие от легких имеют более высокий потенциал к аккумулированию теплоты. Все здания потребляют примерно 150 кВт.ч/м2 тепловой энергии в год. Это вполне стандартный показатель для таких типов зданий в Готтенбурге, где среднегодовая температура воздуха составляет 8 ОС. Основная доля жилого фонда города, которая была построена в 1960-1970 годы, по показателям теплопотребления не отличается от протестированных.

В течение эксперимента подача тепловой энергии в здания изменялась на заранее определенные периоды времени. Температура внутри зданий контролировалась по показателям термометров в двух квартирах в каждом доме. Важно, что все эти здания имели радиаторную систему отопления и были оборудованы контроллерами регулирования подачи теплоносителя относительно температуры окружающего воздуха.

В ходе эксперимента температура в подающем трубопроводе регулировалась по показателям температуры окружающей среды и заранее заданной зависимости, по которой система регулирования изменяла подачу тепловой энергии в здания. Регулирование происходило при помощи внесения поправки в показания датчика внешней температуры u (рис. 1), что в конечном итоге влияло на уровень температуры внутри здания, который устанавливался контроллером. Например, чтобы разгрузить здание, к показаниям датчика наружного воздуха добавлялось 7 ОС, хотя реальная температура на улице составляла 3 ОС. В результате система регулирования подачи тепла в здание получала значение 3+7=10 ОС. В соответствии с управляющей контроллером зависимостью, снижалась подача тепловой энергии в здание. В радиаторах отопления циркулировала вода с меньшей температурой, чем требовалось для поддержания температуры Т внутри квартир при реальной внешней температуре. Внутри помещений температура медленно начинала падать, оказывая влияние на тепловую сеть схожим образом, как и тепловой аккумулятор - бак с водой.

В эксперименте регулирование показаний датчика внешней температуры производилось по 21-часовым циклам. Большинство протестированных циклов включали в себя один девятичасовой период разгрузки, один девятичасовой период повышения нагрузки и трехчасовой период функционирования системы в базовом режиме. Причина, по которой был выбран именно 21-часовой цикл, а не 24-часовой, связана с тем, что нагрузка и разгрузка системы в этом случае происходила в разное время суток, что позволило отработать все возможные варианты влияния суточных циклов на окружающую температуру.

Всего в течение 52 недель было протестировано пять различных сценариев разгрузки-нагрузки (рис. 2). Наиболее исследуемым в течение эксперимента был цикл II. Суммарно на всех пяти зданиях он тестировался в течение 19 недель. Этот цикл имел наибольшее изменение поправки Дu среди других (от -7 до +7 ОС), и, как ожидалось, должен был показать максимальные показатели аккумулирования теплоты. Естественно, перепад температуры внутри помещений тоже ожидался наивысшим.

аккумулятор тепловой энергия здание

Расчетная модель для жилого района

Для более широкомасштабного применения технологии использования зданий в качестве краткосрочных теплоаккумуляторов необходимо было проанализировать большее количество зданий. Для этой цели был выбран жилой район Vastra Gardsten в Готтенбурге. В районе находилось 13 ЦТП, снабжающих теплом по 2-3 здания каждый. Средняя площадь квартиры в районе составляла 76 м2. Всего в исследуемом районе примерно 1000 квартир. Среднее суммарное годовое потребление тепловой энергии - 12,1 ГВт.ч (10,4 тыс. Гкал/год). Все здания в комплексе железобетонные, от 3 до 5 этажей в высоту, что соответствует «тяжелому» классу зданий из предыдущего теста.

Основываясь на данных, полученных из первого испытания, и данных, накопленных за период 2010-2012 гг., была построена математическая модель теплопотребления района Vastra Gardsten. Данная модель показала, что при повышении наружной температуры на 1 ОС, генерируемая тепловая мощность снизится на 0,13 МВт для всего района. Также, как и искусственное увеличение показаний наружной температуры Дu на 1 ОС позволит снизить мощность на те же 0,13 МВт. В модель были внесены ограничения по величине добавочного значения к температуре окружающей среды |Дu|<7 ОС, что является следствием применения II цикла нагрузки-разгрузки. В этом случае, максимальная энергия, полученная зданием за 9 ч периода нагрузки, рассчитывалась как 7 °Сх9 ч=63 ОС.ч, т.е. суммарно за это время во всем районе запасалась энергия 0,13 МВт/ОСх63 ОС.ч = 8,19 МВт.ч, что соответствует удельной величине 0,1 кВтч/м2.

Было получено, что запасание 0,1 кВт.ч/м2 тепловой энергии в редких случаях вызывает изменения в температуре внутри помещения более чем на 0,5 ОС применительно к тяжелому классу зданий.

Имеющиеся в моделируемом районе ЦТП уже автоматизированы, следовательно, все, что требуется для реализации исследуемой технологии - это настройка 13 ЦТП таким образом, чтобы можно было удаленно изменять значение уличной температуры на Ды. Поскольку Vastra Gardstenи - довольно типичный для Готтенбурга район (и других городов тоже), это делает возможным масштабирование технологии до масштабов целого города, что также было смоделировано на основе накопленных за 2010-2012 гг. данных.

Модель была протестирована для четырех случаев аккумулирования энергии: в номинальном режиме, при аккумулировании 10% средней годовой энергии, 20% и 30%. Результат симуляции представлен на рис. 3. Видно, что при увеличении доли запасаемой энергии, эффект сглаживания пиков проявляется более выраженно. Однако, температура внутри зданий колеблется в пределах ±0,5 ОС в любом из рассмотренных вариантов, даже при отсутствии аккумулирования.

Перенастройка около 500 ЦТП для обеспечения работы зданий как теплоаккумуляторов в режиме «20%» позволит в условиях Готтенбурга запасать тепловую энергию эквивалентную строительству водяного бака-теплоаккумулятора объемом 14200 м3. Это позволило бы на 50% снизить потребности в пиковых мощностях и уменьшить число пусков и остановов теплотехнического оборудования. Ожидаемая сумма перенастройки каждого ЦТП не превысит 6-12 тыс. евро, что гораздо более экономично, чем строительство водяных теплоаккумуляторов, стоимость которых, по оценкам, будет составлять 3-6 млн евро.

Несмотря на очевидную выгоду рассмотренной методики, для широкого практического применения еще нужно рассмотреть ряд следующих неразрешенных вопросов:

¦ Под чью ответственность попадает контроль температуры внутри зданий?

¦ Выгодно ли сочетать применение зданий как аккумуляторов тепла с мероприятиями по энергосбережению?

¦ Из каких средств должны восполняться инвестиционные затраты?

¦ Как, какие и должны ли собственники здания получать компенсацию за использование его как теплоаккумулятора?

Размещено на Allbest.ru