Децентрализованные системы теплоснабжения

Децентрализованные системы теплоснабжения

Децентрализованные потребители, которые из-за больших расстояний от ТЭЦ не могут быть охвачены централизованным теплоснабжением, должны иметь рациональное (эффективное) теплоснабжение, отвечающее современному техническому уровню и комфортности.

Масштабы потребления топлива на теплоснабжение весьма велики. В настоящее время теплоснабжение промышленных, общественных и жилых зданий осуществляется примерно на 40+50% от котельных, что является не эффективным из-за их низкого КПД (в котельных температура сгорания топлива составляет примерно 1500 ОС, а тепло потребителю выдается при существенно более низких температурах (60+100 ОС)).

Таким образом, нерациональное использование топлива, когда часть тепла вылетает в трубу, приводит к истощению запасов топливно-энергетических ресурсов (ТЭР).

Постепенное истощение запасов топливно-энергетических ресурсов в европейской части нашей страны потребовало в свое время развития топливно-энергетического комплекса в ее восточных районах, что резко увеличило затраты на добычу и транспорт топлива. В этой ситуации необходимо решить важнейшую задачу по экономии и рациональному использованию ТЭР, т.к. запасы их ограничены и по мере их уменьшения стоимость топлива будет неуклонно расти.

В связи с этим эффективным энергосберегающим мероприятием является разработка и внедрение децентрализованных систем теплоснабжения с рассеянными автономными источниками тепла.

В настоящее время наиболее целесообразным являются децентрализованные системы теплоснабжения, базирующиеся на нетрадиционных источниках тепла, таких как: солнце, ветер, вода.

Ниже рассмотрим только два аспекта вовлечения нетрадиционной энергетики:

• * теплоснабжение на базе тепловых насосов;
• * теплоснабжение на базе автономных водяных теплогенераторов.

Теплоснабжение на базе тепловых насосов. Основное назначение тепловых насосов (ТН) -отопление и горячее водоснабжение с использованием природных низкопотенциальных источников тепла (НПИТ) и сбросного тепла промышленного и коммунально-бытового сектора.

К достоинствам децентрализованных тепловых систем относится повышенная надежность теплоснабжения, т.к. они не связаны тепловыми сетями, которые в нашей стране превышают 20 тыс. км, причем большая часть трубопроводов находится в эксплуатации сверх нормативного срока службы (25 лет), что приводит к авариям [1]. Кроме этого, строительство протяженных теплотрасс сопряжено со значительными капитальными затратами и большими потерями тепла. Тепловые насосы по принципу действия относятся к трансформаторам тепла, в которых изменение потенциала тепла (температуры) происходит в результате подведенной извне работы [2−6].

Энергетическая эффективность тепловых насосов оценивается коэффициентами трансформации, учитывающими полученный «эффект», отнесенный к затраченной работе и КПД.

Полученный эффект — это количество тепла Qв, которое производит ТН. Количество тепла Qв, отнесенное к затраченной мощности Nэл на привод ТН, показывает, сколько единиц тепла получается на единицу затраченной электрической мощности. Это отношение м=0В/Нэлй называют коэффициентом преобразования или трансформации тепла, который для ТН всегда больше 1. Некоторые авторы называют этот коэффициент КПД, но коэффициент полезного действия не может быть больше 100%. Ошибка здесь в том, что тепло Qв (как неорганизованная форма энергии) делится на Nэл (электрическую, т. е. организованную энергию) [8].

КПД же должен учитывать не просто количество энергии, а работоспособность данного количества энергии. Следовательно, КПД — это отношение работоспособностей (или эксергий) любых видов энергии [7, 8]:

з=Еq / ЕN.

где: Еq — работоспособность (эксергия) тепла Qв; ЕN — работоспособность (эксергия) электрической энергии Nэл.

Так как тепло всегда связано с температурой, при которой это тепло получается, то следовательно работоспособность (эксергия) тепла зависит от температурного уровня T и определяется:

Eq=QBxq,.

где ф — коэффициент работоспособности тепла (или «фактор Карно»):

q=(Т-Тос)/Т=1-Тос/.

где Тос — температура окружающей среды.

Для каждого теплового насоса эти показатели равны:

1. Коэффициент трансформации тепла:

м=qв/l=Qв/Nэл¦

2. КПД:

з=СВ (фт)В//=Й*(фт)В>

Для реальных ТН коэффициент трансформации составляет м=3-!-4, в то время как з=30−40%. Это означает, что на каждый затраченный кВт. ч электрической энергии получается QB=3-i-4 кВт. ч тепла. Это является основным преимуществом ТН перед другими способами получения тепла (электрический нагрев, котельная и т. п.).

За несколько последних десятков лет во всем мире резко возросло производство тепловых насосов, но в нашей стране ТН до настоящего времени не нашли широкого применения.

Причин здесь несколько.

• 1. Традиционная ориентация на централизованное теплоснабжение.
• 2. Неблагоприятное соотношение между стоимостью электроэнергии и топлива.
• 3. Изготовление ТН проводится, как правило, на базе наиболее близких по параметрам холодильных машин, что не всегда приводит к оптимальным характеристикам ТН. Проектирование серийных ТН на конкретные характеристики, принятое за рубежом, существенно повышает как эксплуатационные, так и энергетические характеристики ТН.

Выпуск теплонасосного оборудования в США, Японии, ФРГ, Франции, Англии и других странах базируется на производственных мощностях холодильного машиностроения. ТН в этих странах применяются, в основном, для теплоснабжения и горячего водоснабжения жилищного, торгового и промышленного секторов.

В США, например, эксплуатируется свыше 4 млн единиц тепловых насосов небольшой, до 20 кВт, производительности тепла на базе поршневых или ротационных компрессоров. Теплоснабжение школ, торговых центров, бассейнов осуществляется ТН теплопроизводительностью 40 кВт, выполняемыми на базе поршневых и винтовых компрессоров. Теплоснабжение районов, городов — крупными ТН на базе центробежных компрессоров с Qв свыше 400 кВт тепла. В Швеции из 130 тыс. работающих ТН более 100 — теплопроизводительностью 10 МВт и более. В Стокгольме теплоснабжение на 50% производится от ТН.

В промышленности тепловые насосы утилизируют низкопотенциальное тепло производственных процессов. Анализ возможности применения ТН в промышленности, проведенный на предприятиях 100 шведских компаний, показал, что наиболее подходящей сферой для применения ТН являются предприятия химической, пищевой и текстильной промышленности.

В нашей стране вопросами применения ТН начали заниматься с 1926 г. [2]. В промышленности с 1976 г. работали ТН на чайной фабрике (г. Самтредия, Грузия) [4], на Подольском химико-металлургическом заводе (ПХМЗ) с 1987 г. [6], на Сагареджойском молочном комбинате, Грузия, в подмосковном молочно-животноводческом совхозе «Горки-2» с 1963 г. Кроме промышленности ТН в то время начали применяться в торговом центре (г. Сухуми) для теплохладоснабжения, в жилом доме (пос. Бу-курия, Молдова), в пансионате «Дружба» (г. Ялта), климатологической больнице (г. Гагра), курортном зале Пицунды.

В России в настоящее время ТН изготавливаются по индивидуальным заказам различными фирмами в Нижнем Новгороде, Новосибирске, Москве. Так, например, фирмой «Тритон» в Нижнем Новгороде выпускаются ТН теплопроизводительностью от 10 до 2000 кВт с мощностью компрессоров Nэл от 3 до 620 кВт.

В качестве низкопотенциальных источников тепла (НПИТ) для ТН наибольшее распространение находит вода и воздух. Отсюда наиболее часто применяемыми схемами ТН являются «вода-воздух» и «воздух-воздух». По таким схемам ТН выпускают фирмы: «Сагriг», «Lеnnох», Westinghous", «General Electrik» (США), «Нitachi», «Daikin» (Япония), «Sulzer» (Швеция), «ЧКД» (Чехия), «Klimatechnik» (Германия). В последнее время в качестве НПИТ используют сбросные промышленные и канализационные стоки.

В странах с более суровыми климатическими условиями целесообразно применять ТН совместно с традиционными источниками тепла. При этом в отопительный период теплоснабжение зданий осуществляется преимущественно от теплового насоса (80−90% годового потребления), а пиковые нагрузки (при низких температурах) покрываются электрокотлами или котельными на органическом топливе.

Применение тепловых насосов приводит к экономии органического топлива. Это особенно актуально для удаленных регионов, таких как северные районы Сибири, Приморья, где имеются гидроэлектростанции, а транспортировка топлива затруднена. При среднегодовом коэффициенте трансформации м=3−4 экономия топлива от применения ТН по сравнению с котельной составляет 30−5-40%, т. е. в среднем 6−5-8 кг у.т./ГДж. При увеличении м до 5, экономия топлива возрастает примерно до 20+25 кг у.т./ГДж по сравнению с котельными на органическом топливе и до 45+65 кгу.т./ГДж по сравнению с электрокотлами.

Таким образом, ТН в 1,5−5-2,5 раза выгоднее котельных. Стоимость тепла от ТН примерно в 1,5 раза ниже стоимости тепла от централизованного теплоснабжения и в 2−5-3 раза ниже угольных и мазутных котельных.

Одной из важнейших задач является утилизация тепла сбросной воды тепловых электростанций [10]. Важнейшей предпосылкой внедрения ТН являются большие объемы тепла, выбрасываемые в градирни. Так, например, суммарная величина сбросного тепла на городских и прилегающих к Москве ТЭЦ в период с ноября по март отопительного сезона составляет 1600−5-2000 Гкал/ч. С помощью ТН можно передать большую часть этого сбросного тепла (около 50−5-60%) в теплосеть. При этом:

• * на производство этого тепла не надо затрачивать дополнительное топливо;
• * улучшилась бы экологическая обстановка;
• * за счет снижения температуры циркуляционной воды в конденсаторах турбин существенно улучшится вакуум и повысится выработка электроэнергии.

Масштабы внедрения ТН только в ОАО «Мосэнерго» могут быть весьма значительны и применение их на «сбросном» тепле гради;

рен может достигать 1600−5-2000 Гкал/ч. Таким образом, применение ТН на ТЭЦ выгодно не только технологически (улучшение вакуума), но и экологически (реальная экономия топлива или повышение тепловой мощности ТЭЦ без дополнительных расходов топлива и капитальных затрат) [10]. Все это позволит в тепловых сетях увеличить присоединенную нагрузку.

1 — центробежный насос; 2 — вихревая труба; 3 — расходомер; 4 — термометр; 5 — трехходовой кран; 6 — вентиль; 7 — батарея; 8 — калорифер.

Теплоснабжение на базе автономных водяных теплогенераторов. Автономные водяные теплогенераторы (АТГ) предназначены для получения нагретой воды, которая используется для теплоснабжения различных промышленных и гражданских объектов.

АТГ включает в свой состав центробежный насос и специальное устройство, создающее гидравлическое сопротивление. Специальное устройство может иметь различную конструкцию, эффективность работы которой зависит от оптимизации режимных факторов, определяемых НОУ-ХАУ-разработками.

Одним из вариантов специального гидравлического устройства является вихревая труба, включаемая в систему децентрализованного теплоснабжения, работающая на воде [12].

Применение системы децентрализованного теплоснабжения весьма перспективно, т.к. вода, являясь рабочим веществом, используется непосредственно для отопления и горячего во;

доснабжения, тем самым делая эти системы экологически чистыми и надежными в эксплуатации. Такая децентрализованная система теплоснабжения была смонтирована и испытана в лаборатории Основ трансформации тепла (ОТТ) кафедры Промышленных теплоэнергетических систем (ПТС) МЭИ.

Система теплоснабжения состоит их центробежного насоса, вихревой трубы и стандартных элементов: батареи и калорифера. Указанные стандартные элементы являются неотъемлемыми частями любых систем теплоснабжения и поэтому их наличие и успешная работа дают основания утверждать о надежной работе любой системы теплоснабжения, включающей эти элементы.

На рис. 1 представлена принципиальная схема системы теплоснабжения. Система заполнена водой, которая, нагреваясь, поступает в батарею и калорифер. Система снабжена переключающей арматурой (трехходовыми кранами и вентилями), которая позволяет осуществлять последовательное и параллельное включение батареи и калорифера.

Работа системы осуществлялась следующим образом. Через расширительный бачок система заполняется водой таким образом, чтобы из системы был удален воздух, что затем контролируется по манометру. После этого на шкаф блока управления подается напряжение, задатчиком температуры устанавливается температура воды, подаваемой в систему (50−5-90 ОС), и включается центробежный насос. Время выхода на режим зависит от заданной температуры. При заданной tв=60 ОС время выхода на режим составляет t=40 мин. Температурный график работы системы представлен на рис. 2.

Пусковой период системы составил 40+45 мин. Темп повышения температуры составил Q=1,5 град/мин.

Для измерения температуры воды на входе и выходе из системы установлены термометры 4, а для определения расхода — расходомер 3.

Центробежный насос был установлен на легкой передвижной подставке, изготовление которой можно осуществить в любой мастерской. Остальное оборудование (батарея и калорифер) стандартное, приобретаются в специализированных торговых фирмах (магазинах).

Арматура (трехходовые краны, вентили, уголки, переходники и т. д.) также приобретаются в магазинах. Система смонтирована из пластиковых труб, сварка которых осуществлялась специальным сварочным агрегатом, который имеется в лаборатории ОТТ.

Разность температур воды в прямой и обратной магистралях составила примерно 2 ОС (Дt=tnp-to6=1,6). Время работы центробежного насоса ВТГ составляло в каждом цикле 98 с, паузы длились по 82 с, время одного цикла равнялось 3 мин.

Система теплоснабжения, как показали испытания, работает устойчиво и в автоматическом режиме (без участия обслуживающего персонала) поддерживает первоначально заданную температуру в интервале t=60−61 ОС.

Система теплоснабжения работала при последовательном по воде включении батареи и калорифера.

Эффективность системы оценивается:

1. Коэффициентом трансформации тепла м=(П6+Пк)/нн=УП/нн;

Из энергетического баланса системы видно, что дополнительное количество теплоты, выработанное системой, составляло 2096,8 ккал. На сегодняшний день существуют различные гипотезы, пытающиеся объяснить, как появляется дополнительное количество теплоты, но однозначного общепризнанного решения нет.

децентрализованный теплоснабжение нетрадиционный энергетика.

• 1. Децентрализованные системы теплоснабжения не требуют протяженных теплотрасс, а следовательно — больших капитальных затрат.
• 2. Использование децентрализованных систем теплоснабжения позволяет существенно сократить вредные выбросы от сгорания топлива в атмосферу, что улучшает экологическую обстановку.
• 3. Использование тепловых насосов в системах децентрализованного теплоснабжения для объектов промышленного и гражданского секторов позволяет по сравнению с котельными экономить топливо в количестве 6+8 кг у.т. на 1 Гкал выработанного тепла, что составляет примерно 30−5-40%.
• 4. Децентрализованные системы на базе ТН успешно применяются во многих зарубежных странах (США, Япония, Норвегия, Швеция и др.). Изготовлением ТН занимаются более 30 фирм.
• 5. В лаборатории ОТТ кафедры ПТС МЭИ смонтирована автономная (децентрализованная) система теплоснабжения на базе центробежного водяного теплогенератора.

Система работает в автоматическом режиме, поддерживая температуру воды в подающей магистрали в любом заданном интервале от 60 до 90 ОС.

Коэффициент трансформации тепла системы составляет м=1,5−5-2, а КПД равен около 25%.

6. Дальнейшее повышение энергетической эффективности децентрализованных систем теплоснабжения требует проведения научно-технических исследований с целью определения оптимальных режимов работы.

• 1. Соколов Е. Я. и др. Прохладное отношение к теплу. Известия от 17.06.1987.
• 2. Михельсон В. А. О динамическом отоплении. Прикладная физика. Т. III, вып. З-4, 1926.
• 3. Янтовский Е. И., Пустовалов Ю. В. Парокомпрессионные теплонасосные установки. — М.: Энергоиздат, 1982.
• 4. Везиришвили О. Ш., Меладзе Н. В. Энергосберегающие теплонасосные системы теплои хладоснабжения. — М.: Издательство МЭИ, 1994.
• 5. Мартынов А. В., Петраков Г. Н. Двухцелевой тепловой насос. Промышленная энергетика № 12, 1994.
• 6. Мартынов А. В., Яворовский Ю. В. Использование ВЭР на предприятиях химической промышленности на базе ТНУ. Химическая промышленность
• 7. Бродянский В. М. и др. Эксергетический метод и его приложения. — М.: Энергоиздат, 1986.
• 8. Соколов Е. Я., Бродянский В. М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения — М.: Энергоиздат, 1981.
• 9. Мартынов А. В. Установки для трансформации тепла и охлаждения. — М.: Энергоатомиздат, 1989.
• 10. ДевянинД.Н., ПищиковС.И., Соколов Ю. Н. Тепловые насосы — разработка и испытание на ТЭЦ-28. // «Новости теплоснабжения», № 1, 2000.
• 11. Мартынов А. В., Бродянский В. М. «Что такое вихревая труба?». М.: Энергия, 1976.
• 12. Калиниченко А. Б., Куртик Ф. А. Теплогенератор с самым высоким КПД. // «Экономика и производство», № 12, 1998.
• 13. Мартынов А. В., Янов А. В., Головко В. М. Система децентрализованного теплоснабжения на базе автономного теплогенератора. // «Строительные материалы, оборудование, технологии 21 века», № 11, 2003.