Удосконалювання комбінованих систем опалення з різнотиповими джерелами енергії

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

Спеціальність 05. 14. 01 - енергетичні системи та комплекси

УДК 620.9 : УДК 697.1 : УДК 621.311.16

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЮВАННЯ КОМБІНОВАНИХ СИСТЕМ ОПАЛЕННЯ З РІЗНОТИПОВИМИ ДЖЕРЕЛАМИ ЕНЕРГІЇ

Баташова Наталія

Анатоліївна

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі енергетичного менеджменту Запорізької державної інженерної академії МОН України.

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК: доктор технічних наук, професор Качан Юрій Григорович, Запорізька державна інженерна академія МОН України, завідувач кафедри енергетичного менеджменту.

ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ: доктор технічних наук, професор Дешко Валерій Іванович,

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» МОН України, завідувач кафедри теплотехніки та енергозбереження;

кандидат технічних наук, доцент Алексахін Олександр Олексійович, Харківська національна академія міського господарства МОН України, доцент кафедри теплохолодопостачання.

Захист відбудеться „ 22 ” січня 2009 р. о год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.050.06 Національного технічного університету „Харківський політехнічний інститут” за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету „Харківський політехнічний інститут”.

Автореферат розіслано „ 15 ” грудня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради А.А. Мінченко

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах постійного зростання цін на енергоносії, а також зміни співвідношення останніх, необхідний перспективний підхід в проектуванні систем опалення. Цей підхід повинен дозволяти вирішити два завдання: забезпечити енергозбереження та дати можливість обирати джерела енергії, або співвідношення джерел таким чином, щоб мінімізувати витрати опалювального сезону. Питання енергозбереження в системах опалення на даний момент дуже актуальне, оскільки в Україні використовуються в основному централізовані системи, що вимагають значних витрат на експлуатацію та модернізацію, пов'язану із зменшенням тепловтрат і створенням можливості регулювання теплопостачання. У зв'язку з цим останнім часом розповсюджується тенденція до децентралізації, причому на такі системи опалення все частіше орієнтовані нові будівлі навіть поблизу котельних. Проте, якщо порівнювати показники нормально функціонуючої системи централізованого опалення з автономною, то по ефективності остання програє. Тому необхідне альтернативне рішення, що дозволить підвищити ефективність системи і в той же час не вимагатиме надто великих капітальних вкладень.

З іншого боку споживання електричної енергії вночі незначне, не дивлячись на існування у її постачальників позапікового тарифу, що означає не раціональне використання великих об'ємів палива для підтримання енергоблоків в гарячому стані. Тому використання електричної енергії навіть в перетвореному вигляді є по суті енергозбереженням. Комплексно вирішити ці дві проблеми енергозбереження можливо при використанні комбінованих систем опалення та при розгляді останніх як складних енергетичних систем.

Таким чином, сучасні системи опалення повинні бути більш складними, комбінувати джерела енергії різного типу, а отже мати й різне енергетичне устаткування. Причому співвідношення об'ємів різнотарифної енергії повинно обиратися з умови мінімізації сумарних витрат опалювального сезону. Вказане завдання не може бути вирішено й без розгляду тенденцій енергоспоживання, а отже й без варіанту зменшення самого теплового навантаження за рахунок використання сучасних засобів енергозбереження в будівлі. Тобто економіко-математичне моделювання систем опалення як складних комбінованих систем є запорукою успіху їх функціонування.

Отже, створення комплексу технічних, методичних та алгоритмічних (програмних) засобів, що дозволяють оптимізувати параметри складної комбінованої системи і об'єкту опалення за економічним критерієм, з урахуванням існуючих тарифів на енергоресурси, цін на комплектуючі та енергетичне устаткування є на даний час актуальним завданням та складає напрямок дисертаційних досліджень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі енергетичного менеджменту Запорізької державної інженерної академії за пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки «Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі» в рамках держбюджетної теми МОН України «Розробка методів розрахунку і проектування автономних систем енергопостачання на базі відновлювальних джерел енергії» (ДР № 0107U001221), де здобувач була виконавцем окремих розділів.

Мета і задачі досліджень. Метою даних досліджень є удосконалювання комбінованих систем опалення будівель для забезпечення комплексного збереження енергетичних ресурсів та зменшення витрат опалювального сезону шляхом вибору оптимальних параметрів системи опалення та об'єкту опалення.

У зв'язку з цим поставлені задачі:

- створити електричний теплоакумулюючий перетворювач, що використовує позапікову, маючу незначний попит в нічний час електричну енергію;

- розробити динамічну модель температурного поля в об'ємі електричного теплоакумулюючого перетворювача, що працює за принципом безпосереднього об'ємного розтікання струму в наповнюючому робочому матеріалі;

- створити методику вибору робочого матеріалу для електричного теплоакумулюючого перетворювача;

- розробити модель теплової потужності комбінованої системи опалення з урахуванням всіх параметрів будівлі, її енергонасиченості, кількості людей, що мешкають або працюють у ній;

- запропонувати перспективну комбіновану систему опалення будівель, що надійно покриває теплове навантаження, враховує склад і потужності енергетичного устаткування, а також параметри будівлі;

- запропонувати методику оцінки ефективності роботи комбінованої системи опалення будівель;

- сформулювати задачу оптимізації параметрів комбінованої системи опалення та об'єкта опалення й обрати спосіб її вирішення.

Об'єкт дослідження - комбінована система опалення будівлі з використанням газу та електричної енергії за позапіковим тарифом в якості доцільних джерел енергії.

Предмет дослідження - оптимальні параметри комбінованої системи опалення будівлі та об'єкту опалення й засоби підвищення ефективності комбінованих систем опалення.

Методи дослідження. Різнотарифні джерела енергії синтезовані в єдиній системі. Для дослідження теплових процесів в електричному теплоакумулюючому перетворювачі використано метод теплових балансів. Перевірка адекватності розроблених моделей здійснювалася на реальних об'єктах на основі теорії кореляції. Вибір оптимальних параметрів комбінованої системи опалення будівлі та об'єкта опалення проводився методом сканування на основі розробленого програмного комплексу, що реалізує створені моделі та використовує язик програмування С++.

Наукова новизна одержаних результатів.

- Вперше запропоновано використання в комбінованих системах опалення, в якості елемента, електричного теплоакумулюючого перетворювача, що працює за принципом безпосереднього об'ємного розтікання струму та споживає позапікову електричну енергію, як засобу енергозбереження.

- Вперше створена динамічна модель температурного поля електричного теплоакумулюючого перетворювача для вирішення задач забезпечення енергоефективності та працездатності останнього при його використанні в системах опалення будівель.

- Вперше розроблена методика вибору робочого матеріалу для запропонованого електричного теплоакумулюючого перетворювача по критерію мінімізації витрат на виготовлення перетворювача.

- Вперше створена методика комплексного вибору параметрів комбінованої системи опалення та об'єкту опалення, що дає можливість забезпечити мінімальні витрати опалювального сезону.

Практичне значення одержаних результатів. Результати роботи дозволяють забезпечувати енергозбереження в існуючих системах опалення за рахунок оцінки ефективності роботи комбінованої системи з джерелами енергії різного типу шляхом визначення витрат опалювального сезону з урахуванням параметрів будівлі, складу та потужностей енергетичного устаткування, коливань температури зовнішнього повітря, діючих цін і тарифів, а також проектувати енергоефективні системи опалення в автоматизованому режимі. Запропоновані методики дозволяють прогнозувати витрати енергоресурсів для опалення будівель, оцінювати різні варіанти реконструкції існуючих систем опалення, а також проводити комплексну оптимізацію параметрів останніх при первинному проектуванні об'єктів.

Разроблена модель теплової потужності системи опалення перевірена на адекватність на прикладі Запорізького обласного центру зайнятості, що підтверджено актом даної організації і протоколом Державного науково-дослідного та проектного інституту „ІНСТИТУТ ТИТАНУ ТІТАНПроект” (м. Запоріжжя), яким була спроектована система опалення цієї будівлі. Вказана модель дозволяє не тільки розрахувати енергоспоживання, але й спростити перевірку енергоефективності системи опалення та є інструментом енергоменеджменту по відношенню до систем опалення. Одержані результати, на прикладі будівлі центру зайнятості, свідчать про енергоефективність спроектованої системи на достатньому рівні, бо розбіг розрахункового енергоспоживання з фактичним становить 0,77%.

Створена методика оптимізації комбінованої системи та об'єкта опалення, яка реалізована у програмному комплексі, гарантує забезпечення мінімальних витрат опалювального сезону. Методика схвалена та прийнята до використання, про що свідчить акт впровадження в Інституті енергетичних досліджень (м. Запоріжжя).

Особистий внесок здобувача. Всі основні положення, які винесені на захист, отримані здобувачем самостійно. Серед них: створення моделі температурного поля електричного теплоакумулюючого перетворювача та теплової потужності системи опалення, проведення необхідних розрахунків і досліджень стосовно перевірок розроблених моделей, створення алгоритму оптимізації параметрів об'єкту опалення і комбінованої системи опалення та його програмна реалізація, розробка методики вибору теплоакумулюючого матеріалу для перетворювача та методики оцінки ефективності роботи комбінованої системи опалення, інтерпретація отриманих результатів та надання рекомендацій щодо їх використання. Постановка мети і завдань досліджень, а також аналіз отриманих даних проведені спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були представлені на: міжнародній науково-технічній конференції «Енергоефективність 2005» (м. Одеса, 2005 р.), XI науково-технічній конференції студентів, магістрантів, аспірантів і викладачів ЗДІА (м. Запоріжжя, 2006 р.), на II міжнародній конференції «Муніципальна енергетика: проблеми, рішення» (м. Миколаїв, 2007), науково-практичних конференціях «Інтегровані технології та енергозбереження» (м. Алушта, 2007, 2008).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 10 наукових працях, серед них 7 - в наукових виданнях ВАК України.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, висновків та 3 додатків. Повний обсяг дисертації складає 196 сторінок, з них 23 рисунки по тексту, 4 рисунки на 4 сторінках; 8 таблиць по тексту, 7 таблиць на 5 сторінках; список використаних джерел із 91 найменування на 9 сторінках; 3 додатки на 47 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено мету та задачі дослідження, наукову новизну та практичну цінність роботи.

У першому розділі викладено аналітичний огляд існуючої інформації, щодо стану сучасних систем опалення та наведена їх порівняльна характеристика. Визначено, що найбільш доцільно при вирішенні питань опалення будівель використовувати комбіновані системи опалення з джерелами енергії різного типу.

Розглянуті альтернативні джерела енергії, які можуть використовуватися для комбінованих систем опалення. При цьому доведено, що найбільш доцільними різнотиповими джерелами є електрична енергія за позапіковим тарифом і газ. Проведено огляд різних засобів акумуляції енергії та дана оцінка раціональності використання кожного з них у системах опалення. Запропоновано використання в системах опалення електричного теплоакумулюючого перетворювача, що працює за принципом безпосереднього об'ємного розтікання струму та споживає позапікову електричну енергію. Останній розглядається як безпосередній засіб енергозбереження та підвищення ефективності систем опалення.

На засадах аналізу використаних літературних даних визначені основні напрямки досліджень.

У другому розділі розглянуто конструкцію та принцип дії перетворювача, як основного засобу енергозбереження та підвищення ефективності систем опалення. Розроблена та перевірена на адекватність динамічна модель температурного поля в наповнюючому робочому матеріалі.

Конструктивно запропонований електричний теплоакумулюючий перетворювач (ЕТАП) є циліндричною ємністю, заповненою теплоакумулюючою речовиною, усередині якої вздовж осі циліндра розташовано три електроди (за кількістю фаз). Така конструкція проста, не викликає труднощів при її технічній реалізації та зручна для використання з огляду обтікання теплоносієм, а також забезпечує рівномірний нагрів всього об'єму використаної речовини. У експлуатації вона не вимагає високої кваліфікації обслуговуючого персоналу.

Принцип роботи перетворювача схожий з принципом роботи печі рудної електротермії. Відмінністю від останньої є необхідність недопущення виникнення фазового переходу теплоакумулюючої робочої речовини (її плавління). Працює ЕТАП в симетричному трифазному синусоїдальному режимі. Нагрів акумулюючого матеріалу відбувається шляхом безпосереднього розтікання електричного струму.

Для можливості оцінки ефективності ЕТАПу, а також контролю головної умови його працездатності (відсутність фазового переходу) необхідно знати динаміку зміни температури в його об'ємі. Для цього в роботі вирішена задача визначення тривимірного нестаціонарного температурного поля в циліндричних координатах методом теплових балансів. Залежно від місця розташування елементарних об'ємів можна виділити їх 9 типів (рис. 1) з гранями I, II, III, IV, V, VI.

Для того, щоб об'єм елементарного сектора , що містить розрахункову точку, залишався незмінним, задамося його значенням і залежно від цього визначимо кожну зміну по осі R

,

де Nц - кількість сегментів на яку розбито площу перетину циліндра; k - номер елементарного об'єму за віссю R.

H0 - висота перетворювача;

R0 - його радіус;

ДR, Дz - сторони сектора;

Дц - кут між ними.

Загальний вигляд рівняння теплового балансу для даного елементарного об'єму

де QI, QII, QIII, QIV, QV, QVI - кількість теплоти, що увійшла, або вийшла з елементарного об'єму за проміжок часу Дф через відповідні індексам грані; QWj - кількість теплоти, що виділилася за проміжок часу Дф усередині елементарного об'єму; ДJj - зміна тепловмісту останнього. Тут індекс i - номер грані елементарного об'єму; j - номер елементарного об'єму.

Залежно від того, де знаходиться розрахунковий об'єм - на межі перетворювача або усередині - рівняння для обчислення QI - QVI будуть різними. Так згідно гіпотези Фурье, кількість теплоти Qi, що проходить через елементарний об'єм усередині циліндра, з боку i-ї грані можна надати у вигляді



де лi - еквівалентний коефіцієнт теплопровідності в i -му напрямку, Вт/(м•К); gradti - скалярна величина градієнта температури в i -му напрямку, К/м; Si - площа i-ї грані, м2.

Для елементарного об'єму, що знаходиться на зовнішній поверхні циліндра (згідно закону Ньютона-Ріхмана), з урахуванням того, що температура циліндра більше температури навколишнього середовища, кількість теплоти, що віддається через i-ту грань визначається рівнянням

де бi - еквівалентний коефіцієнт тепловіддачі в i -му напрямку, Вт/(м2•К); Дti - різниця температур поверхні циліндра і навколишнього середовища в i -му напрямку, К.

Вплив внутрішніх джерел тепловиділення можна подати як

де Рj - об'ємна потужність тепловиділення, Вт/м3.

Зміна тепловмісту елементарного об'єму

де cm - масова теплоємність елементарного об'єму, Дж/(кг·К); с - питома щільність розрахункового об'єму, кг/м3; , - розрахункові температури у момент часу ф и ф+Дф в центрі елементарного об'єму (R,ц,z), К. Тут R, ц, z - координати центру. З урахуванням введених позначень і після відповідних перетворень одержимо



Останнє рівняння дозволяє розрахувати температуру в центрі будь-якого елементарного об'єму у момент часу ф+Дф.

У третьому розділі дана оцінка відповідності запропонованих комбінованих систем опалення будівель складним системам. Запропонована структура моделі комбінованої системи опалення, що включає два різнотарифні джерела теплової енергії. Як основа моделі створена та перевірена на адекватність модель її теплової потужності, що враховує всі необхідні параметри будівлі, її енергонасиченість, кількість людей, що мешкають або працюють у ній.

В якості основних компонентів складної комбінованої системи опалення були обрані: газовий міні-котел, ЕТАП і теплоелектронагрівач. Створена модель враховує всі параметри будівлі і компоненти системи опалення (рис. 2).

Для повної оцінки витрат на створення перетворювача модель ЕТАПу потребує доповнення, яким стала методика вибору теплоакумулюючого матеріалу, що враховує його електричні, теплофізичні параметри, необхідний об'єм та існуючу вартість.

В основу моделі комбінованої системи опалення покладена модель її теплової потужності:

,

де tп - температура повітря, що підтримується усередині опалювальних приміщень, К; tз - температура зовнішнього повітря, К; - коефіцієнт додаткових тепловтрат; Vз - зовнішній об'єм будівлі, м3; P, L - периметр і висота будівлі, м; S - площа будівлі, м2; ц - коефіцієнт застіклення; ш1 и ш2 - корегуючі коефіцієнти на розрахунковий перепад температур для верхнього та нижнього горизонтальних огорож будівлі; kвік - коефіцієнт теплопередачі вікон, Вт/(м2К); , , - коефіцієнт тепловіддачі від внутрішнього повітря стіни, стелі, підлоги, Вт/(м2·К); - товщина i-го шару огорожі, м; - коефіцієнт теплопровідності i-го шару огорожі, Вт/(м·К); , , - коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні стіни, стелі, підлоги до навколишнього повітря, Вт/(м2·К); n - кратність повітрообміну, 1/с; Vв - вентильований об'єм приміщення, м3; cп - об'ємна теплоємність повітря, Дж / (м3K); m - кількість людей, що мешкають або працюють в будівлі; Qлюд - тепловиділення людини, Вт; kт - коефіцієнт рівня тяжкості праці; kч.п. - коефіцієнт часу перебування людей в будівлі; Росв - сумарна потужність освітлювальних приладів, Вт; - ККД останніх; kосв - коефіцієнт часу використання освітлювальних приладів; Gг - годинні витрати газу, м3/ч, Cг - теплотворна здатність газу, Дж/м3; kн.в - коефіцієнт неврахованих втрат тепла.

Дані про температуру зовнішнього повітря для моделі комбінованої системи опалення можуть братися з архівів місцевих Гідрометцентрів або генеруватися. Останній варіант дозволяє прогнозувати температуру на необмежений термін опалювального сезону. Моделювання температури зовнішнього повітря може бути здійснене на основі статистичних даних про середньомісячні та середньодобові значення температур, а також з урахуванням дисперсій їх добових (а можливо й погодинних) значень, що також досить докладно розглядається в існуючих роботах.

Обчислювальні оптимізаційні розрахунки повинні враховувати влив та взаємодію всіх вихідних даних та компонентів складної комбінованої системи на витрати опалювального сезону при умові забезпечення надійного покриття теплового навантаження та працездатності ЕТАПу в умовах його експлуатування в системах опалення.

У четвертому розділі запропоновані методики вибору теплоакумулюючого матеріалу для ЕТАПа та розрахунку добових витрат складної комбінованої системи опалення, що дозволяє оцінювати ефективність роботи системи. Також запропонований алгоритм оптимізації параметрів комбінованої системи і об'єкту опалення з метою мінімізації витрат опалювального сезону.

У питаннях запропонованої акумуляції енергії, окрім конструкції перетворювача, суттєву роль відіграє теплоакумулюючий (робочий) матеріал, теплофізичні параметри якого і визначають кількість накопиченої енергії. Одним з таких параметрів є теплоємність, знаючи яку можна розрахувати температуру, до якої треба нагріти певний об'єм речовини, щоб накопичити необхідну кількість енергії

,

де - кількість накопиченої енергії, Дж; - об'ємна теплоємність матеріалу, Дж/(м3К); - об'єм акумулюючого матеріалу, м3; - початкова температура матеріалу, К.

Розрахунок проводиться для заданого об'єму, виходячи з наявності в опалювальному приміщенні вільного простору, який можна віддати під перетворювач. Це дозволяє розглядати матеріали з нижчою температурою виникнення незворотніх процесів в самій речовині. Якщо ж її значення вище необхідної температури нагріву, то з'являється можливість зменшити об'єм матеріалу до:

, при <,

, при ,

де , - температури виникнення незворотніх процесів в наповнювачі та в елементах перетворювача відповідно, К.

З наданої для розгляду кількості матеріалів n всі, які відповідають умовам щодо температури нагріву і питомої провідності порівнюються за вартістю . З урахуванням необхідного об'єму кожного з матеріалів

,

де - вартість одного метру кубічного матеріалу, грн/м3.

Матеріал, що по завершенню аналізу рекомендується для використання, буде той, показник якого - найменший.

З урахуванням наведених вище залежностей для розглянутих 8 речовин (карбід кремнію, карбід бору, оксид кадмію, оксид ванадію, оксид урану, оксид хрому, оксид цинку, закис кобальту ) було визначено, що в якості теплоакумулюючого матеріалу для ЕТАПа на грудень 2007 р. більш доцільний карбід кремнію. Створена економіко-математична модель визначення витрат складної комбінованої системи опалення враховує коливання температури зовнішнього повітря, а отже і тривалість роботи міні-котла(ів), теплоелектричного нагрівача(ів) і перетворювача(ів) в режимі споживання енергії. Така особливість пов'язана ще і з тим, що накопичення енергії в електричному теплоакумулюючому перетворювачі здійснюватиметься щодобово з різними початковими умовами, які визначаються рівнем розрядження перетворювача на початок дії позапікового тарифу. В основу методики покладено визначення добових витрат складної комбінованої системи опалення:



,

де , - кількості енергії, що забезпечуються за рахунок теплоелектронагрівача(ів) та газового міні-котла(ів), Дж; , - їх ККД; - вартість електроенергії на годину, кВт.год; , - потужність ЕТАПа та теплоелектронагрівача, Вт; - час роботи перетворювача в режимі накопичення енергії, год; - вартість газу, грн/м3; - добові витрати води на технологічні цілі, м3; - ціна на воду, грн/м3;, - ціна одного міні-котла (модуля) та теплоелектронагрівача, грн/ед; ,, - коефіцієнти, що враховують транспортно-заготівельні витрати, витрати на будівельні роботи і установку, монтаж та освоєння устаткування; - частка теплової потужності, що покривається за рахунок міні-котла(ів); Рg - теплопродуктивність одного міні-котла (модуля), Вт; Рe, Рt - потужність одного електричного теплоакумулюючого перетворювача та теплоелектронагрівача відповідно, Вт; , , - вартість наповнювача, бака і електродів, грн; - інші капіталовкладення, що виникають залежно від схеми реалізації запропонованої системи опалення, грн; d - кількість днів в опалювальному сезоні, од; , , - норма амортизаційних відрахувань на устаткування, ізоляцію будівлі та вікна, %; - товщина ізоляції, м; - її площа, м2; - вартість ізоляції (з урахуванням доставки і монтажу), грн/м3; n - загальна кількість використаних типів ізоляції, од; - кількість віконних отворів, що застіклюють, од; - ціна одного склопакета (з урахуванням доставки, установки і демонтажу старого вікна), грн/од.

Теплове навантаження будівлі залежить від його параметрів, енергонасиченості та кількості людей, що знаходяться в ній.

Але витрати на опалювальний сезон при використанні складної комбінованої системи опалення визначаються не тільки тепловим навантаженням, а й частковим співвідношенням теплової енергії, яка отримується за рахунок джерел, що працюють на різнотарифних енергоресурсах. При існуючих цінах на устаткування, ізоляційні матеріали, склопакети, а також тарифах на енергоресурси можна вибрати параметри системи таким чином, щоб мінімізувати витрати всього опалювального сезону. електричний теплоакумулюючий перетворювач опалення

Основними параметрами, що підлягають оптимізації, є товщина ізоляцій огороджуючих конструкцій, коефіцієнт теплопередачі вікон, а також склад і потужності енергетичного устаткування для комбінованої системи опалення. Основою оптимізаційного завдання є динамічний розрахунок добових грошових витрат, а розрахунковою величиною - мінімальне значення сумарних витрат всього опалювального сезону. Тобто, в загальному вигляді задача оптимізації полягає в знаходженні екстремуму функції (14) при наявності обмежень:

1. Сумарна потужність теплоелектронагрівачів і електричного теплоакумулюючого перетворювача не повинна перевищувати допустиму потужність, що визначається умовами використання електричної мережі

,

де - допустима потужність, Вт. Це обмеження обумовлене тим, що робота теплоелектронагрівачів і накопичення енергії в ЕТАПі здійснюється одночасно в позапіковий період часу.

2. Сума часток теплового навантаження, що забезпечуються котлом (а), теплоелектронагрівачем (b), та ЕТАПом (с) у будь-який момент часу повинна дорівнювати одиниці

,

При цьому, враховуючи що під час дії позапікового тарифу ЕТАП лише накопичує енергію, обмеження на цей нічний час прийме вигляд

.

3. Температура нагріву наповнювача ЕТАПу не повинна викликати його структурних змін, тобто

та ,

де - температурний інтервал, що гарантує надійність роботи накопичувача, К.

Рішення задачі оптимізації (14 - 18) здійснюється методом сканування на основі розробленого здобувачем програмного комплексу. Перспективність такого підходу полягає у можливості вирішення 3 завдань:

1. Прогнозування витрат енергоносіїв, а відповідно і витрат опалювального сезону, враховуючи реальні параметри будівлі та системи опалення за умови нульових капітальних вкладень;

2. Оцінка ефективності варіантів реконструкції існуючих систем опалення та будівлі;

3. Визначення оптимальних параметрів щойно спроектованого об'єкту та системи опалення з огляду мінімізації витрат опалювального сезону.

У п'ятому розділі розглянуто рішення задачі оптимізації складної комбінованої системи опалення та об'єкта опалення з різнотиповими джерелами енергії та запропоновані рекомендації по використанню і впровадженню результатів досліджень.

Оцінка ефективності діючої системи опалення зводиться до оцінки раціональності використання енергоресурсів. Сенс полягає у визначенні залежності об'єму енергоносія, що витрачається, від параметрів існуючої будівлі і елементів її утеплення, температури зовнішнього повітря, а також температури усередині приміщення, тобто в безпосередньому прогнозуванні. Запропонований спосіб застосування алгоритму був розглянутий на прикладі системи опалення Запорізького обласного центру зайнятості. Відповідність прогнозованого об'єму витрати газу дійсному становить 0,77% та свідчить про раціональність використання енергоресурсів для потреб опалення. Зворотній висновок можна зробити при розбіжності прогнозованих і дійсних об'ємів. Прогнозуючи витрату енергоносія можна, знаючи ціну останнього, визначити і передбачувані витрати.

Іншим варіантом використання алгоритму оптимізації параметрів комбінованої системи та об'єкта опалення є оцінка ефективності варіантів реконструкції існуючих систем опалення та будівель. Особливістю алгоритму розрахунку витрат опалювального сезону є те, що амортизаційні відрахування приймаються залежно від заздалегідь заданого бажаного періоду окупності капітальних вкладень. А різниця витрат при різних варіантах реконструкції будівлі та системи опалення є чистою економією. У разі негативної різниці витрат опалювального сезону порівнюваних варіантів, можливо шляхом зміни норм амортизаційних відрахувань збільшувати термін окупності до досягнення позитивного значення різниці витрат, або, проаналізувавши максимально допустиму тривалість окупності капітальних вкладень, наново розрахувати передбачувані витрати і вже після цього ухвалювати рішення про доцільність реконструкції.

Вказаний варіант використання розробленого алгоритму було розглянуто на прикладі адміністративної будівлі Запорізького обласного центру зайнятості, з урахуванням всіх її параметрів. Розрахунок виконано для опалювального сезону 2006 - 2007 рр. Температура, що забезпечується усередині приміщень прийнята +20, мінімальна температура зовнішнього повітря склала - -16,9 0С. Було розглянуто 4 варіанта реконструкції: заміна вікон на металево-пластикові; заміна вікон на металево-пластикові енергозберігаючі; додаткова установка теплоелектронагрівачів; додаткова установка теплоелектронагрівачів та ЕТАПу. Виходячи з даних розрахунку на підставі використання алгоритму оптимізації параметрів комбінованої системи та об'єкта опалення, можливо зазначити, що реконструкції системи опалення за варіантами 1, 2, при закладених нормах амортизації, недоцільні, бо різниця порівнюваних витрат опалювального сезону виявляється негативною. В той же час реконструкція по варіанту 3 забезпечить економію в 205,8 грн. за опалювальний сезон, а після закінчення терміну окупності прибуток складатиме 2653,8 грн. в рік. Реалізація 4 варіанту реконструкції існуючої системи опалення забезпечить економію в 648,5 грн. за опалювальний сезон; після закінчення терміну окупності прибуток складе 8703,7 грн. в рік.

Найефективніше проектувати систему одночасно з будівлею, оскільки оптимальні параметри будуть підібрані завчасно. У такому разі рішенням задачі оптимізації комбінованої системи опалення буде склад і потужності енергетичного устаткування, ізоляційних матеріалів огороджуючих конструкцій, їх товщини, а також типів вікон (по коефіцієнту теплопередачі). Ці параметри обираються залежно від існуючих цін і тарифів на енергоринку. Все це і гарантує визначення оптимальних параметрів будівлі, яка щойно проектується і системи опалення з погляду мінімізації витрат опалювального сезону.

Варіант використання алгоритму оптимізації для визначення оптимальних параметрів щойно спроектованого об'єкту та системи опалення з огляду мінімізації витрат опалювального сезону був також розглянутий на прикладі адміністративної будівлі Запорізького обласного центру зайнятості за умови діючих цін та тарифів на енергоринку. Вибір вікон проводився по трьом варіантам: алюмінієві (існуючі) з сумарною на сьогоднішній день вартістю - 334057,1 грн. (коефіцієнт теплопередачі 3,226 Вт/(м2·К)); метало-пластикові - 371214,3 грн. (коефіцієнт теплопередачі 2,89 Вт/(м2·К)) та метало-пластикові енергозберігаючі - 422879,12 грн. (коефіцієнт теплопередачі 1,4 Вт/(м2·К)). В якості варіантів утеплювачів огороджуючих конструкцій було розглянуто три види матеріалів фірми-виготовлювача ROCWOOL: пластер баттс (коефіцієнт теплопровідності 0,042 Вт/(м·К)) вартістю 952 грн/м3 з можливою товщиною 0,05 і 0,18 м; руфф баттс (коефіцієнт теплопровідності 0,043 Вт/(м·К)) вартістю 1458 грн/м3 з можливою товщиною 0,05 і 0,2 м; венті баттс (коефіцієнт теплопровідності 0,043 Вт/(м·К)) вартістю 1502 грн/м3 з можливою товщиною 0,05 і 0,18 м. Були отримані наступні результати використання алгоритму для комплексної оптимізації: капіталовкладення в устаткування - теплоелектронагрівачі -10200 грн., ЕТАП - 15160 грн., додаткові витрати - 10000 грн.; капіталовкладення в вікна - 422879,12 грн.; витрати опалювального сезону - 170988,2 грн.; необхідні потужності устаткування - теплоелектронагрівачів - 255 кВт, ЕТАПу - 448 кВт.

Таким чином, рішення задачі оптимізації параметрів системи та об'єкту опалення за двома першими варіантами є перспективним інструментом енергоменеджменту і дозволяє оцінити ефективність використання енергоресурсів і вибрати найбільш доцільний варіант реконструкції системи. У останньому застосуванні алгоритм є інструментом автоматизованого проектування систем опалення, гарантуючим вибір оптимальних параметрів об'єкту та системи опалення, що забезпечать мінімальні витрати опалювального сезону.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-практичної задачі розробки енергоефективних комбінованих систем опалення будівель та розгляді останніх як складних енергетичних систем. В процесі проведення теоретичних і експериментальних досліджень зроблені такі висновки:

1. Розроблений електричний теплоакумулюючий перетворювач, що працює за принципом безпосереднього об'ємного розтікання струму в теплоакумулюючому матеріалі, дозволяє істотно підвищити ефективність комбінованих систем опалення - на 2 % до збігу п'ятирічного періоду окупності капітальних вкладень та 54,5 % після (на прикладі адміністративної будівлі Запорізького обласного центру зайнятості). Крім того, використання електричної енергії за позапіковим тарифом в якості джерела енергії для комбінованих систем опалення дозволяє не тільки підвищити ефективність останніх, але і вирішує питання попиту електроенергії в електричних мережах в нічну годину, що по суті є енергозбереженням в сучасних умовах.

2. Створена динамічна модель температурного поля дозволяє визначити температуру в будь-якій точці наповнюючої електричний теплоакумулюючий перетворювач робочої речовини в будь-який момент часу, що дозволяє контролювати головну умову його працездатності - відсутність фазового переходу речовини.

3. Створена методика вибору робочого матеріалу для електричного теплоакумулюючого перетворювача, що враховує електричні, теплофізичні параметри матеріалу, його необхідний об'єм, існуючі ціни та дозволяє обрати найбільш доцільний. По створеній методиці як найбільш доцільний наповнювач запропоновано карбід кремнію.

4. Розроблена модель теплової потужності комбінованої системи опалення, що враховує всі необхідні параметри будівлі, його енергонасиченість, кількість проживаючих, або працюючих в ній людей, є основою моделі комбінованої системи опалення.

5. Запропонована складна комбінована система опалення будівель з отриманими за синтезованими методиками параметрами забезпечує надійне покриття теплового навантаження при мінімальних витратах опалювального сезону.

6. Для оцінки ефективності роботи комбінованої системи опалення запропонована методика динамічного розрахунку витрат опалювального сезону, що враховує коливання температури зовнішнього повітря, період роботи теплоелектронагрівачів, міні-котла та електричного теплоакумулюючого перетворювача в режимі споживання енергії.

7. Розроблений алгоритм оптимізації параметрів складної комбінованої системи опалення дозволяє врахувати склад і потужності енергетичного устаткування, параметри будівлі, існуючі ціни і тарифи, а також оптимізувати використання енергії та енергетичних ресурсів.

8. Алгоритм оптимізації параметрів складної комбінованої системи та об'єкта опалення можна використовувати для:

- прогнозування витрат опалювального сезону, враховуючи реальні параметри будівлі та системи опалення за умови нульових капітальних вкладень;

- оцінки ефективності варіантів реконструкції існуючих систем опалення і будівлі;

- визначення оптимальних параметрів будівлі, яка щойно проектується та системи опалення з огляду мінімізації витрат опалювального сезону.

9. Економіко-математично змодельована комбінована система опалення будівель дозволяє обирати параметри об'єкту опалення та самої системи з точки зору мінімізації витрат опалювального сезону.

10. Проведені спостереження та розрахунки прогнозованих і дійсних об'ємів газу для опалення Запорізького обласного центру зайнятості свідчать про достатню адекватність моделі теплової потужності системи та підтверджені актом даної організації. Модель теплової потужності дозволяє спростити перевірку енергоефективності системи опалення, що підтверджено актом Державного науково-дослідного і проектного інституту «ІНСТИТУТ ТИТАНА ТІТАНПроект».

11. Створена методика оптимізації комбінованої системи та об'єкта опалення гарантує забезпечення мінімальних витрат опалювального сезону. Методика схвалена та прийнята до використання, про що свідчить акт впровадження в Інституті енергетичних досліджень.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Качан Ю. Г. Об оценке экономической эффективности комбинированной системы отопления / Качан Ю. Г., Баташова Н.А. // Енергетика: економіка, технології, екологія. Київ. - 2007. - № 1. - С. 92 - 97.

Здобувачем визначено вплив компонентів складної системи опалення та їх комбінацій на економічну ефективність системи шляхом визначення добових витрат.

2. Качан Ю. Г. Об оценке тепловой мощности систем отопления / Качан Ю. Г., Баташова Н.А. // Інтегровані технології та енергозбереження. Харків. - 2007. - № 2. - С. 34 - 38.

Здобувачем проведені теоретичні дослідження впливу параметрів будівлі на теплову потужність системи опалення.

3. Качан Ю. Г. Динамическая модель температурного поля в электрическом теплоаккумулирующем преобразователе / Качан Ю. Г., Баташова Н.А. // Теория и практика металлургии. Днепропетровск. - 2007. - № 6 (61). - С. 63 - 66.

Здобувачем запропоновано вираз для визначення об'єму елементарного сектора, що забезпечує його постійність незалежно від координат, а також описаний вплив способу відбору тепла на коефіцієнти тепловіддачі та на температуру теплоносія після перетворювача.

4. Качан Ю. Г. Оценка адекватности математической модели системы отопления / Качан Ю. Г., Баташова Н.А., Климова Н.И. // Сборник научных трудов Днепродзержинского технического университета (Техническая наука). - 2007. - № 8. - С. 231 - 234.

Здобувачем визначена похибка моделювання теплової потужності системи опалення за допомогою теорії кореляції.

5. Качан Ю. Г. Методика выбора аккумулирующего материала для теплоэлектрического преобразователя / Качан Ю. Г., Баташова Н.А. // Металургія. Запоріжжя. - 2007. - № 16. - С. 126 - 130.

Здобувачем запропоновані залежності для визначення необхідної температури нагріву і об'єму теплоакумулюючого матеріалу, залежно від його теплофізичних властивостей і кількості необхідної енергії, а також методика вибору теплоакумулюючого матеріалу для перетворювача.

6. Качан Ю. Г. Оптимизация параметров комбинированной системы отопления по экономическому критерию / Качан Ю. Г., Баташова Н.А. // Інтегровані технології та енергозбереження. Харків. - 2008.- № 1. - С. 3 - 6.

Здобувачем запропоновані параметри, що підлягають оптимізації і сформульовані обмеження для вирішення даного завдання, створена методика вибору оптимальних параметрів будівлі та складної комбінованої системи опалення.

7. Качан Ю. Г. О результатах использования алгоритма оптимизации параметров комбинированной системы отопления по экономическому критерию / Качан Ю. Г., Баташова Н.А. // Інтегровані технології та енергозбереження. Харків. - 2008 № 2. - С. 56 - 59.

Здобувачем отримані і проаналізовані результати використання алгоритму оптимізації для прогнозування витрат опалювального сезону, оцінки ефективності варіантів реконструкції існуючих систем опалення, визначення оптимальних параметрів знов проектованої будівлі та складної системи опалення.

8. Качан Ю. Г. Применение электрического теплоаккумулирующего преобразователя для повышения эффективности системы горячего водоснабжения / Качан Ю.Г., Левченко С.А., Кононенко Н.А. (Баташова Н.А.) // Сборник научных трудов международной научно-технической конференции «Энергоэффективность 2005» (приложение к журналу «Холодильная техника и технология»). Одесса. - 2005. С. 90 - 94.

Здобувачем запропоновано використання електричного теплоакумулюючого перетворювача для складних комбінованих систем теплопостачання.

9. Качан Ю. Г. Моделирование систем отопления с термоэлектрическим накопителем энергии / Качан Ю.Г., Баташова Н.А., Кищенко П.Ю. // Збірник тез доповідей XI науково-технічної конференції студентів, магістрантів, аспірантів і викладачів. Запоріжжя. - 2006. - С. 47.

Здобувачем описана можливість моделювання і практичної реалізації системи опалення з додатковим джерелом енергії.

10. Качан Ю. Г. Повышение энергоэффективности систем отопления / Качан Ю.Г., Баташова Н.А., Климова Н.И. // Тезисы II международной научно-практической конференции «Муніципальна енергетика: проблеми, рішення» (18 - 19 грудня 2007 р.). Миколаїв. - 2007. - С. 7 - 8.

Здобувачем запропоновано використовувати комбінування різнотарифних джерел енергії як засіб підвищення ефективності складних систем опалення.

АНОТАЦІЇ

Баташова Н.А. Удосконалювання комбінованих систем опалення з різнотиповими джерелами енергії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.01 - енергетичні системи та комплекси. - Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України, Харків, 2008.

Дисертація присвячена підвищенню ефективності існуючих систем опалення за рахунок комбінування різнотипових джерел енергії та різного енергетичного устаткування, а також розробці нових і доповнюючих методик, які дозволяють використовувати електричні теплоакумулюючі перетворювачі в системах опалення.

Обґрунтована раціональність застосування складних систем опалення з різнотипними джерелами енергії, в якості яких на даний час найбільш доцільно використовувати газ і електричну енергію за позапіковим тарифом.

Запропоновано застосування електричних теплоакумулюючих перетворювачів для можливості отримання теплової енергії по низькому тарифу. Доповнені існуючі методики розрахунку активної потужності перетворювача розрахунком температурного поля, а також вперше запропонована методика вибору робочого матеріалу для перетворювача.

Ключові слова: економіко-математичне моделювання, комбінована система опалення, тенденції енерговикористання, комплексне вирішення проблем енергозбереження, методики та засоби підвищення енергоефективності, оптимізація використання енергії та енергетичних ресурсів.

Баташова Н.А. Совершенствование комбинированных систем отопления с разнотипными источниками энергии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.01 - энергетические системы и комплексы. - Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» Министерства образования и науки Украины, Харьков, 2008.

Диссертация посвящена повышению эффективности существующих систем отопления за счет комбинирования источников энергии различного типа и различного энергетического оборудования, а также разработке новых и дополняющих методик, позволяющих использовать электрические теплоаккумулирующие преобразователи в системах отопления.

Обоснована рациональность применения сложных комбинированных систем отопления с источниками энергии различного типа, в качестве которых в настоящее время для Украины целесообразно использовать газ и электрическую энергию по внепиковому тарифу. В качестве основных компонентов сложной комбинированной системы отопления были выбраны: газовый мини-котел, теплоэлектронагреватель, электрический теплоаккумулирующий преобразователь (ЭТАП).

Предложено применение электрических теплоаккумулирующих преобразователей для возможности получения тепловой энергию по низкому тарифу не только в его время действия, а и некоторый период по окончанию действия указанного тарифа. Конструкция предлагаемого преобразователя представляет собой емкость, заполненную теплоаккумулирующим веществом, внутри которой расположены три электрода (по числу фаз). Такая конструкция проста, не вызывает трудностей при ее технической реализации и удобна для использования с точки зрения обтекания теплоносителем. В эксплуатации не требует высокой квалификации обслуживающего персонала.

Дополнены существующие методики расчета активной мощности преобразователя расчетом температурного поля. Это позволяет обеспечить главное условие работоспособности ЭТАПа - недопущение возникновения фазового перехода в его конструктивных элементах и наполняющем веществе, а также долговечность. В основу решения задачи по определению трехмерного нестационарного температурного поля в цилиндрических координатах положен метод тепловых балансов. Проверка адекватности динамической модели температурного поля была проведена на физической модели преобразователя, созданной на кафедре энергетического менеджмента Запорожской государственной инженерной академии. По окончанию экспериментов была подтверждена адекватность модели, погрешность составила 2,56%. Впервые предложена методика выбора материала для преобразователя, учитывающая его теплотехнические и электрические параметры, необходимый объем, существующую стоимость и позволяющая минимизировать затраты на изготовление преобразователя. В качестве теплоаккумулирующего материала на сегодняшний день предпочтителен карбид кремния.

Создана модель сложной комбинированной системы отопления с источниками энергии различного типа, учитывающей все параметры объекта и компоненты системы. Ее основой является модель тепловой мощности, учитывающей параметры здания, энергонасыщенность и количество проживающих либо работающих в нем людей. Проверка адекватности данной модели проводилась совместно с государственным научно-исследовательским и проектным институтом „ИНСТИТУТ ТИТАНА ТИТАНПроект” на примере административного здания Запорожского областного центра занятости, по окончании испытаний была подтверждена ее адекватность, погрешность составила 0,77%.

Усовершенствована методика оценки эффективности сложных комбинированных систем отопления, в основе которой лежит динамический расчет посуточных затрат. Данная методика учитывает колебания температуры наружного воздуха, а следовательно и время работы мини-котла, теплоэлектронагревателя и ЭТАПа в режиме потребления энергии. Синтезирована модель тепловой мощности системы с учетом всех параметров здания, его энергонасыщенности, количества проживающих или работающих в нем людей. Так как затраты на отопительный сезон определяются не только тепловой нагрузкой, а и долевым соотношением разнотарифной энергии, при существующих ценах и тарифах на энергорынке можно выбрать параметры комбинированной системы таким образом, чтобы минимизировать затраты всего отопительного сезона. Основными параметрами, подлежащими оптимизации, являются типы и толщины изоляций ограждающих конструкций, коэффициент теплопередачи окон, а также состав и мощности энергетического оборудования для комбинированной системы отопления. В работе разработан алгоритм оптимизации параметров сложной комбинированной системы и объекта отопления. С помощью указанного алгоритма могут решаться три задачи: прогнозирование расходов энергоносителей, а соответственно и затрат отопительного сезона, учитывая реальные параметры здания и системы отопления при условии нулевых капитальных вложений; оценка эффективности вариантов реконструкции существующих систем отопления и здания; определение оптимальных параметров вновь проектируемых объекта и системы отопления с точки зрения минимизации затрат отопительного сезона.

Ключевые слова: экономико-математическое моделирование, комбинированная система отопления, тенденции энергоиспользования, комплексное решение проблем энергосбережения, методики и средства повышения энергоэффективности, оптимизация использования энергии и энергетических ресурсов.

N.A. Batashova. Improvement of combined heating systems with different types of energy sources. - Manuscript.

This is a dissertation for the degree of Candidate of Engineering Sciences in specialty 05.14.01 - Power systems and complexes. - National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Kharkiv, 2008.

Dissertation is dedicated to the efficiency increase of the existing heating systems by combining different types of energy and different power equipment sources, and also to development of new and complementary methods, allowing to use electric heat-retaining transformers in the heating systems.

Rationality of application of the intricate combined heating systems with different types of energy sources is justified by using gas and electric energy at off-peak rate, which currently is the most expedient for Ukraine to use.

Application of electric heat-retaining transformers is offered for the delivery of thermal energy at low rate (tarrif). Included are existent methods of active-power calculation of transformer by estimation of the temperature field. Also, for the first time, the method of material selection for transformer is offered.

Keywords: economy-mathematical design, combined heating system, tendencies of energy use, complex problem solving of energy-savings, methods and recourses of energy efficiency increase, optimization of energy use and power resources.

Размещено на Allbest.ru