Тепловые насосы в комплексе «ТЭЦ-Потребитель». Повышение энергетической эффективности административных зданий

Тепловые насосы в комплексе «ТЭЦ-Потребитель». Повышение энергетической эффективности административных зданий

В передовых странах мира на протяжении последних десяти лет одним из приоритетных направлений в развитии технологий энергосбережения остается разработка технологических решений с использованием теплонасосных установок (ТНУ) для обеспечения потребителей тепловой энергией [11,12,15]. Однако в условиях российской энергетики классические зарубежные проекты внедрения ТНУ [2] не могут конкурировать с развитой системой теплофикации на базе ТЭЦ. В связи с этим, наиболее актуальным и многообещающим направлением внедрения ТНУ в России становится повышение эффективности существующих систем централизованного теплоснабжения, в котором предполагается совместная взаимовыгодная эксплуатация теплонаносного оборудования и существующих систем комплекса «ТЭЦ-потребитель» [6,8,14,16].

При этом в текущих экономических и политических условиях интерес исследователей и обычных потребителей в большей степени фокусируется на малозатратных и энергоэффективных системах теплоснабжения [4,5,8,13].

Одним из возможных вариантов внедрения ТНУ при условии минимальных затрат является модернизация систем отопления административных зданий, которые чаще всего имеют высокоразвитые системы автоматического регулирования, позволяющие реализовать изменение режима работы системы отопления с высокой точностью [1,17]. Такие системы, в свою очередь, являются наиболее адаптированными к внедрению ТНУ.

Для административных зданий характерен особый высокоэффективный путь энергосбережения — дежурное отопление. Дежурное отопление позволяет экономить энергоресурсы в ночное время путем сокращения теплопоступлений в здание. Однако наличие в здании помещений, в которых постоянно пребывают люди, ставит под вопрос возможность организации дежурного отопления [18].

Для решения проблемы захолаживания помещений с постоянным пребыванием людей разработана и запатентована система регулирования отопления здания с применением ТНУ [3].

Техническим результатом разработанной системы является поддержание допустимой температуры внутри помещений, в которых находятся люди, в часы работы дежурного отопления (контролируемые помещения).

теплонаносный установка автоматический здание.

Рис. 1. Система автоматического регулирования отопления здания, где: 1 — подающий трубопровод, 2 — обратный трубопровод, 3 — регулятор давления с регулирующим устройством прямого действия, 4 — клапан, 5 — регулирующий клапан, 6 — исполнительный механизм регулирующего клапана, 7 — обратный клапан, 8 — погружной датчик температуры теплоносителя, 9 — циркуляционный насос, 10 — электропривод циркуляционного насоса, 11 — локальный контроллер, 12 — датчик температуры наружного воздуха, 13 — датчик температуры внутреннего воздуха, 14 — ответвление подающего трубопровода к контролируемому помещению, 15 — отопительный прибор, 16 — дополнительный регулирующий клапан, 17 — исполнительный механизм дополнительного регулирующего клапана, 18 — дополнительные датчики температуры внутреннего воздуха, 19 — дополнительные датчики температуры наружного воздуха, 20 — дополнительный датчик температуры внутреннего воздуха контролируемого помещения, 21 — дополнительный контроллер, 22 — компрессор, 23 — электропривод компрессора, 24 — дроссельный клапан, 25 — испаритель, 26 — конденсатор, 27 — группа вентиляторов.

Система автоматического регулирования работает следующим образом (Рис. 1.). В конце рабочего дня, на ночное время или выходные дни, дополнительный контроллер 21 формирует ряд управляющих команд. Во-первых, дополнительный контроллер 21 формирует управляющую команду для перехода системы в режим дежурного отопления, команда передается на локальный контроллер 11. Локальный контроллер 11, согласно программе дежурного отопления, формирует управляющую команду, при которой исполнительный механизм 6 опускает шток регулирующего клапана 5, что приводит к уменьшению расхода теплоносителя из подающего трубопровода 1, подмешиваемого к теплоносителю, циркулирующему в системе отопления, тем самым уменьшается температура теплоносителя в системе отопления. Снижение температуры теплоносителя производится до значения, при котором внутри помещений здания формируется минимальная допустимая температура внутреннего воздуха. Контроль температуры воздуха внутри помещений производится при помощи дополнительных датчиков температуры внутреннего воздуха 18, подключенных к входам дополнительного контроллера 21. При отклонении значений температур от заданных, дополнительный контроллер 21 производит балансировку расходов в системе отопления путем формирования управляющих команд на исполнительные механизмы 17 для изменения положения штоков дополнительных регулирующих клапанов 16. Во-вторых, дополнительный контроллер 21 формирует управляющую команду для сокращения пропускной способности дополнительных регулирующих клапанов 16, управляющая команда преобразуется в электрический сигнал и подается на исполнительный механизм 17, опускающий шток регулирующего клапана. Сокращение пропускной способности клапана 16 производится на величину 20−30% от номинального значения, данное мероприятие позволит локально увеличить расход теплоносителя в систему отопления контролируемых помещений 15 для интенсификации теплообмена без увеличения общего расхода теплоносителя, а также оставляя достаточный диапазон для дальнейшего регулирования. В-третьих, дополнительный контроллер 21 формирует управляющую команду для включения электропривода 23, приводящего в действие компрессор 22. Компрессор 22 обеспечивает работу теплонасосной установки, позволяющей переносить тепло от испарителя 25, частично охлаждая теплоноситель в обратном трубопроводе 2, к конденсатору 26, нагревая теплоноситель в ответвлении подающего трубопровода 14 к отопительным приборам 15 контролируемого помещения, компенсируя снижение температуры теплоносителя вследствие перехода на режим дежурного отопления. В-четвертых, дополнительный контроллер 21 формирует управляющую команду для включения группы вентиляторов 27, установленных на отопительных приборах 15 контролируемого помещения, для увеличения теплоотдачи от поверхностей отопительных приборов 15, что позволит более полно использовать теплоту, отдаваемую отопительными приборами. Перед началом рабочего дня система возвращается в исходное состояние.

Таким образом, перенос тепла при помощи теплового насоса и интенсификация теплообмена при помощи вентиляторов и перераспределения расхода теплоносителя, позволяет поддерживать комфортные условия пребывания людей в контролируемых помещениях при работе дежурного отопления.

В рабочее время, когда система работает в обычном режиме, установленная ТНУ может быть использована для других нужд здания, например, для покрытия нагрузки ГВС, за счет теплоты обратной сетевой воды [10], а в неотопительный период ТНУ может быть использована для покрытия нужд ГВС за счет аккумулированного тепла самого здания [7,9]. Возможность комплексного применения различных способов для одной ТНУ позволит значительно повысить ее эффективность и снизить сроки окупаемости.

Статья подготовлена при поддержке гранта Забайкальского государственного университета № 199-гр.

• 1. Атрошенко Ю. К. Влияние теплового контакта на результаты измерений поверхностных термоэлектрических преобразователей / Ю. К. Атрошенко, И. П. Озерова, П. А. Стрижак // Научно-технические ведомости СПбГПУ. -2015. -№ 1 (214). -С. 97−105.
• 2. Басок Б. И. Поливалентная система теплообеспечения пассивного дома на основе возобновляемых источников энергии / Б. И. Басок, И. К. Божко, А. Н. Недбайло, О. Н. Лысенко // Инженерно-строительный журнал. -2015. -№ 6 (58). -С. 32−43.
• 3. Батухтин А. Г., Кобылкин М. В., Басс М. С. Система автоматического регулирования отопления здания // Патент России № 2 527 186. 2014. Бюл. № 24.
• 4. Батухтин А. Г. Автоматизированная система регулирования расхода теплоносителя для теплоснабжения групп потребителей / А. Г. Батухтин, М. В. Кобылкин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. -2013. -№ 171. -С. 68−72.
• 5. Батухтин А. Г. Анализ методов повышения эффективности систем централизованного теплоснабжения / А. Г. Батухтин, В. В. Пинигин, М. В. Кобылкин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. -2012. -№ 154−2. -С. 45−51.
• 6. Батухтин А. Г. Использование тепловых насосов для повышения тепловой мощности и эффективности существующих систем централизованного теплоснабжения / А. Г. Батухтин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. -2010. -№ 100−2. -С. 28−33.
• 7. Батухтин А. Г. Применение тепловых насосов для развития теплофикации / А. Г. Батухтин, М. В. Кобылкин, М. Г. Барановская // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. -2016. -№ 1 (238). -С. 28−36. DOI: 10.5862/JEST.238.3
• 8. Батухтин А. Г. Современные способы модернизации существующих систем теплоснабжения/ А. Г. Батухтин, М. В. Кобылкин, А. В. Миткус, В. В. Петин // Международный научно-исследовательский журнал. -2013. -№ 7−2 (14). -С. 40−45.
• 9. Батухтин А. Г. Современные технологии энергосбережения в комплексе «ТЭС-потребитель» / А. Г. Батухтин, М. В. Кобылкин, С. Г. Батухтин, П. Г. Сафронов // Международный научно-исследовательский журнал. -2015. -№ 5−2 (36). -С. 20−23.
• 10. Батухтин А. Г. Тепловые насосы в российских системах отопления. Проблемы и перспективные решения / А. Г. Батухтин, М. В. Кобылкин // Nauka-Rastudent.ru. -2014. -№ 11 (11). -С. 42.
• 11. Батухтин А. Г. Энергоэффективная система теплоснабжения. Задачи и проблемы математического моделирования / А. Г. Батухтин, С. Г. Батухтин, М. В. Кобылкин, П. Г. Сафронов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. -2015. -№ 2. -С. 157−160.
• 12. Берзан В. П. Аспекты проблемы стимулирования внедрения тепловых насосов / В. П. Берзан, С. Г. Робу, М. Л. Шит // Проблемы региональной энергетики. -2011. -№ 1. -С. 91−94.
• 13. Волынцев А. В. Опытная теплонасосная установка / А. В. Волынцев // Научные труды Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета. -2015. -Т. 36. -С. 80−85.
• 14. Ильин Р. А. Комплексная модернизация тепловых пунктов в системах централизованного теплоснабжения / Р. А. Ильин, Д. В. Столяров // Символ науки. -2015. -№ 12−1. -С. 42−45.
• 15. Кобылкин М. В. Перспективное направление внедрения тепловых насосов / М. В. Кобылкин, С. Г. Батухтин, К. А. Кубряков // Международный научно-исследовательский журнал. -2014. -№ 5−1 (24). -С. 74−75.
• 16. Кононов Д. С. Примеры использования тепловых насосов в различных отраслях промышленности / Д. С. Кононов, С. В. Лавров, А. В. Мананков, В. В. Шитов, Л. Ю. Лаврова // Актуальные вопросы современной техники и технологии Сборник докладов XVIII-й Международной научной конференции. Ответственный редактор: А. В. Горбенко. Липецк. -2015. -С. 50−54.
• 17. Стрижак П. А. Энергоэффективность системы теплоснабжения зданий при различных методах регулирования теплопотребления / П. А. Стрижак, М. Н. Морозов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. -2014. -№ 3 (202). -С. 88−96.
• 18. Batukhtin A.G. Energy saving measures for public office buildings / A. G. Batukhtin, M. V. Kobylkin, S. G. Batukhtin, P. G. Safronov // The Fifth International Conference on Eurasian scientific development. Vienna. -2015. -С. 115−118.