Эффективность использования тепловых насосов в централизованных системах теплоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru

Эффективность использования тепловых насосов в централизованных системах теплоснабжения

Вопросы энергосбережения являются весьма актуальными как для промышленности, так и для ЖКХ. ГУП «Мосгортепло» эксплуатирует более 5000 тепловых пунктов, 5000км тепловых вводов и разводящих тепловых сетей, обеспечивает более 22000 жилых домов и административных зданий отоплением, холодной и горячей водой, затрачивая более 35,5млн. Гкал/год теплоты и 410млн. 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.

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.

теплоснабжение теплонасосный установка энергосбережение

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, реализована в 1981г. 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 КТНУ, конденсируются и затем конденсат охлаждается в ПО (Рис. 1). Количество полученной теплоты для системы ГВС (кДж/кг):

В зависимости от величины tВ2 (рис. 1), охладитель конденсата ПО может не использоваться или выполняться воедино с конденсатором. При таком включении возможны варианты: когда:

tВ4 = tВ5,

т.е. вода для ГВС полностью нагревается в ТНУ до требуемой температуры, или частично до некоторой величины tВ4 и далее догревается до tВ5 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 qГВС к затраченной работе lКМ:

где:

lКМ = 1в/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)

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

ЦЭ - 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(tВ4, tВ2, tИСТ),

Э'тну = cp(tB4, tВ2, tИСТ)

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 = (tВ4-tИСТ)

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:

tВ4 = tВ5,

т.е. О'тну = 1.

Но с уменьшением температуры tВ4 возникает необходимость догревать воду для системы ГВС до требуемой tВ5, используя теплоту сетевой воды стоимостью ЦТ. 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:

ЦЭ = 1,1 руб./кВт.ч,

tИСТ = 15 ОС,

tВ5 = 55 ОС,

tВ2 = 25 ОС.

Из графиков следует, что максимальное значение Эф достигается при:

О'тну = 1.

При уменьшении ЦТ эффективность Эф падает и при определенной стоимости замещаемой теплоты от теплосети может стать отрицательной.

Рассмотрим вариант использования теплоты сетевой воды из обратной линии с температурой:

tИСТ = tВС,

при:

tВ4 = tВ5.

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 ЦТ. 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 ЦЭ, 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, грунта земли, воды рек и водоемов, 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. 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. - 160с.

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. - 288с.

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. - 128с.

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. - 200с.: 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

14. Журнал «Новости теплоснабжения» №07, 2004г.; http://www.ntsn.ru

Размещено на Allbest.ru