Дахин С.В. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях

Подождите немного. Документ загружается.

140

при этом темп изменения температуры зависит от утеплѐнно-

сти здания.

В холодное время года может быть допущено снижение

тепловой мощности систем отопления, вентиляции и конди-

ционирования воздуха с понижением температуры воздуха в

нерабочее время (ночное время, выходные и праздничные дни)

до допустимого предела. В промышленных зданиях эта темпе-

ратура равна +5 °С, а в общественных местах зависит от на-

значения помещения.

Охлаждение помещения в нерабочее время зависит от

теплозащиты помещения, поэтому указанное мероприятие

предпочтительно в хорошо утеплѐнных зданиях. В связи с тем,

что в нерабочее время охлаждаются и ограждения, и оборудо-

вание, то для их разогрева к моменту начала эксплуатации

требуется предварительный нагрев за счет работы системы в

форсированном режиме.

Рассмотренное мероприятие возможно применять для

производственных и общественных зданий. Для жилых поме-

щений оно не применимо, так как люди в них могут находятся

постоянно, а снижение температуры ниже +18

С недопустимо

(рис. 44 [33]).

– температура воздуха помещения; t

– радиационная темпе-

ратура помещения

Рис. 44. Изменение температуры воздуха и радиационной тем-

пературы помещения в течение недели

141

Другим способом осуществления экономичного режима

работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования

воздуха как в производственных и общественных, так и в жи-

лых зданиях, служит так называемое «погодное регулирова-

ние». Смысл мероприятия заключается в том, чтобы уравнять

поступление теплоты в помещение с его тепловыми потерями

(без нарушения температурного режима в помещении), кото-

рые напрямую зависят от температуры наружного воздуха.

Для этой цели на прямую магистраль тепловой сети, подходя-

щую к зданию, устанавливается регулятор расхода теплоноси-

теля с обратной связью по температуре наружного воздуха и

температуре внутри помещения. При этом достигается эконо-

мия тепловой энергии за счѐт исключения «перетопа» (превы-

шения необходимой температуры).

Снижение расхода воздуха с учѐтом санитарных норм

Теплопоступления от системы отопления в конечном

итоге входят как одна их составляющих в тепловую нагрузку

на СВ или СКВ. Снижение нагрузки на СВ или СКВ позволяет

в холодное время года сократить воздухообмен до минималь-

ного по санитарной норме, что в свою очередь даѐт ощутимую

экономию энергии [25].

Принцип действия периодической вентиляции основан

на том, что при вентилировании помещения свежим воздухом

концентрация вредности (например, углекислого газа в обще-

ственном помещении) убывает быстро (по экспоненциальному

закону), а при бездействии вентиляции повышение концентра-

ции вредности в воздухе помещения протекает медленнее (по

линейному закону). На этом же принципе основан традицион-

ный и эффективный метод периодического проветривания по-

мещений.

Режим работы системы вентиляции в общественных

зданиях определяется накоплением в воздухе выделяемой

людьми углекислоты, поэтому эффективность периодической

142

вентиляции зависит от интенсивности выделения углекислоты

(количества людей в помещении) и объѐма помещения. Ско-

рость проветривания определяется кратностью вентиляции. Во

всех случаях требуемая продолжительность проветривания

равна в часах кратности воздухообмена, поделѐнной на 3. То

есть при кратности воздухообмена, равной 3, требуется 1 час,

чтобы проветрить помещение. Частота включения вентиляции

не зависит от кратности и целиком определяется объѐмом по-

мещения. Поэтому эффективность периодической вентиляции

особенно велика в помещениях большого объѐма при пере-

менном заполнении помещений людьми. В промышленных

зданиях периодическая вентиляция может эффективно исполь-

зоваться при технологических процессах с переменным выде-

лением вредных газов.

Так как при периодическом включении системы венти-

ляции имеет место колебание температуры и других парамет-

ров воздуха, то там, где такие колебания не допускаются, тре-

буется синхронизация работы вентиляции и регулирования те-

пловой мощности отопления.

При круглогодичном использовании периодической

вентиляции еѐ энергетическая эффективность возрастает. Ра-

бота системы вентиляции в режиме периодического включе-

ния может осуществляться вручную, с помощью таймера или

вестись полностью автоматически. Наиболее удобно автома-

тическое регулирование включения вести по сигналу датчика

концентрации углекислого газа или другой газовой вредности.

6.3.5. Использование дополнительных источников энергии

для систем отопления, вентиляции и кондиционирования

Применение тепловых насосов [33]

Тепловой насос является преобразователем тепловой

энергии, в нем обеспечивается повышение ее потенциала

(температуры). Теоретически тепловым насосом может быть

143

всякая холодильная машина, потому что наряду с холодом она

неизменно вырабатывает и теплоту. Но тепловым насосом хо-

лодильную машину называют лишь тогда, когда она специаль-

но предназначена для получения теплоты. Тепловые насосы

так же, как и холодильные машины, подразделяются на ком-

прессионные, сорбционные, термоэлектрические (рис. 45).

1 – вытяжной вентилятор; 2 – поток удаляемого воздуха; 3 –

регулирующий вентиль; 5 – конденсатор; 6 – компрессор; 7 –

газовый двигатель; 8 – отходящие газы; 9 – теплоутилизатор

отходящих газов; 10 – трубопроводы системы отопления; 11 –

отопительный прибор; 12 – насос

Рис. 45. Принципиальная схема системы отопления с тепло-

вым насосом, использующим газовый двигатель

Показателем эффективности теплового насоса является

коэффициент преобразования энергии, называемый также ото-

пительным коэффициентом, h, который равен отношению ко-

личества теплоты, полученного потребителем, к затратам

144

энергии на привод установки. Так как в тепловом насосе по-

требителю передается не только теплота, затраченная на его

привод, но и теплота, отобранная у низкотемпературного ис-

точника, то, если последняя больше энергопотерь в установке,

отопительный коэффициент больше 1. Существует предельно

допустимая по экономическим соображениям минимальная

величина коэффициента преобразования теплового насоса,

ниже которой использование его в качестве преобразователя

тепловой энергии оказывается невыгодным. Для Москвы эта

среднегодовая величина равна 3. Важным показателем являет-

ся также коэффициент использования первичной энергии, вы-

числяемый как произведение коэффициента преобразования и

коэффициента полезного действия устройства, предоставляю-

щего энергию для привода теплового насоса (электростанции,

котла, дизильного двигателя и т.д.). Например, коэффициент

использования первичной энергии компрессионными и сорб-

ционными тепловыми насосами будут приблизительно равны

0,9, если у компрессионного теплового насоса отопительный

коэффициент будет равен 3, а КПД электростанции равно 0,3

и, если у сорбционного теплового насоса отопительный коэф-

фициент равен 1,4, а КПД котла - 0,65.

Наибольшее распространение в установках утилизации

тепла получили компрессионные тепловые насосы. В них ком-

прессор засасывает из испарителя пары рабочего вещества,

сжимает их и подает в конденсатор. Теплота, получаемая в ре-

зультате конденсации рабочей среды, является полезной энер-

гией и должна быть отведена от конденсатора. Из конденсато-

ра рабочее вещество через регулирующий вентиль поступает в

испаритель. Так как в регулирующем вентиле осуществляется

снижение давления рабочего вещества, испарение в испарите-

ле происходит при более низкой температуре, чем конденса-

ция в конденсаторе. Поэтому теплота на испарение отбирается

от источника с более низкой температурой, чем теплота пере-

даваемая потребителю тепла в конденсаторе.

145

В качестве источника низкопотенциальной тепловой

энергии может использоваться тепло вытяжного воздуха, от-

работанной воды горячего водоснабжения, грунта, подземных

и морских вод, наружного воздуха, солнечной радиации.

Приводами компрессоров в тепловых насосах могут

служить электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания.

Для тепловых насосов большой тепловой мощности исполь-

зуют дизельные и газотурбинные двигатели. Наиболее широ-

кое распространение в качестве привода получили электродви-

гатели. Однако, в последние годы внимание специалистов

привлекают двигатели, работающие на природном газе. Тем-

пература теплоносителя, получаемая в тепловых насосах с

компрессорами, работающими от электродвигателя, обычно не

превышает 50 – 60

С. Более высокую температуру (до 90 – 95

С) получают с помощью компрессора, работающего от газо-

вого двигателя, утилизируя теплоту отходящих газов (10 %) и

теплоту охлаждающей двигатель воды (33%). При этом коэф-

фициент использования первичного топлива можно довести до

80 % (доля энергии топлива, передаваемая в двигателе приво-

ду компрессора, составляет 30 %, утилизированное в системе

теплового насоса тепло, выделяющееся при работе двигателя, -

50 %), а коэффициент преобразования энергии возрастает с 1 -

4 до 3,5 - 6,5. Для привода компрессора используется природ-

ный газ, который сжигается в газовом двигателе. Мощность

двигателя регулируется путем изменения расхода газа.

В конденсаторе вода нагревается до температуры, кото-

рая может использоваться для целей горячего водоснабжения

или напольного отопления помещений, подогрева воды в бас-

сейнах и т.д.

В результате прохождения через водоохлаждающую

рубашку блока газового двигателя вода нагревается до 80-85

С. При этом выхлопные газы охлаждаются от температуры

650

С до 105

С. Затем вода может направляться в теплоути-

лизатор, где догревается теплом продуктов сгорания.

146

К недостаткам поршневых газовых двигателей относит-

ся высокий уровень шума, который может достигать 95 дБ, по-

этому на стадии проектирования таких установок следует уде-

лять внимание мероприятиям по шумоглушению и звукоизо-

ляции.

Для работы теплового насоса большое значение имеет

выбор рабочего вещества. Идеальное рабочее вещество харак-

теризуется химической стабильностью (отсутствием разложе-

ния и полимеризации в рабочем диапазоне температур), хими-

ческой инертностью по отношению к конструкционным мате-

риалам и смазочным маслам, невоспламеняемостью, неток-

сичностью, низкой стоимостью, невысоким давлением конден-

сации (не более 1,2 МПа) и низким давлением кипения, близ-

ким к атмосферному, высокой относительно температуры кон-

денсации) критической температурой замерзания (ниже тем-

пературы кипения), а также высокой эффективностью холо-

дильного цикла. Последнее требование является комплексным.

Поскольку не существует хладагента, который отвечал

бы всем требованиям во всем диапазоне температур от кипе-

ния до конденсации, применяют хладагенты, удовлетворяю-

щие лишь наиболее важным в данной установке требованиям.

Наиболее распространен хладон R-12, который приме-

няют в одноступенчатых среднетемпературных тепловых на-

сосах в диапазоне температур кипения 10 – 25

С. Хладон R-12

позволяет получить температуру в конденсаторе не более 55 –

С. Перспективным считается хладон R-142, с помощью ко-

торого обеспечивается нагрев теплоносителя до 90 – 100

С.

Недостатком хладона R-142 является его горючесть. При

оценке рабочих веществ необходимо обращать внимание на их

объемную теплопроизводительность, степень сжатия и макси-

мальное давление в компрессоре. Наиболее высокой объемной

производительностью обладает хладон R-12, его потребуется

почти в 2 раза меньше, чем хладона R-318 и в 3 раза меньше,

чем хладона R-114 для выработки одного и того же количества

теплоты. Главный недостаток хладона R-12 высокое давление

147

со стороны конденсации, не позволяющее получить более вы-

сокую температуру, чем указано выше.

Коэффициент преобразования компрессионных тепло-

вых насосов зависит от разности температур кипения и кон-

денсации, чем она ниже, тем выше отопительный коэффици-

ент.

Энергосбережение достигается за счет утилизации низ-

котемпературной сбросной или природной теплоты.

Утилизация теплоты сбросного воздуха

С точки зрения теплоснабжения систем вентиляции и

кондиционирования воздуха утилизация теплоты выбросного

воздуха представляет наибольший интерес. Для утилизации

теплоты выбросного воздуха используются утилизаторы раз-

личных видов, имеющих разную эффективность. Наиболее

высокой эффективностью обладают регенеративные теплооб-

менники с вращающейся насадкой (рис. 46) [33].

Вращающиеся регенеративные теплообменники выпол-

няют в виде плоского цилиндра-насадки, разделенного на сек-

торы, заполненные гладкими или гофрированными металличе-

скими или пластмассовыми пластинами разной конфигурации,

сетками, шариками, стружкой и т.д. Поперечное сечение теп-

лообменника разделено на три постоянно меняющие свое по-

ложение части: через одну проходит теплый воздух, через дру-

гую - холодный нагреваемый воздух, а третья небольшая часть

представляет собой продувочную камеру, шлюз, для удаления

некоторого количества загрязненного воздуха, увлекаемого

массой насадки при переходе ее из удаляемого воздуха в при-

точный.

Вращающиеся регенераторы бывают несорбирующие и

сорбирующие. В сорбирующих регенераторах аккумулирую-

щая масса из капилярно-пористого материала (технического

картона, бумаги, целлюлозы и т.д.) пропитана сорбентом (хло-

ристым литием, бромистым литием, и т.д.), обеспечивающим

148

поглощение влаги из удаляемого воздуха и передачу его в

процессе десорбции приточному воздуху. В сорбирующих ре-

генераторах с металлической насадкой сорбент наносят на по-

верхность металла напылением.

Энергосбережение достигается за счет передачи тепло-

ты от вытяжного воздуха приточному.

а – общий вид; б – разрез; 1 – корпус; 2 – электродвигатель с

редуктором; 3 – продувочная камера; 4 – насадка; 5 - вытяж-

ной вентилятор; 6 – приточный вентилятор; 7 – приточный

воздуховод; 8 – вытяжной воздуховод

Рис. 46. Схема регенеративного вращающегося утилизатора

149

6.3.6. Использование теплоты солнечной радиации

Прямое использование солнечной радиации сулит су-

щественные выгоды. Солнечная радиация обладает экологиче-

ской чистотой, доступностью. Однако прямое использование

тепла солнца затруднено из-за относительной сложности по-

глощения и трансформации, а также из-за несовпадения во

времени прихода и потребления энергии.

Все гелиоиспользующие установки подразделяются на

пассивные и активные. Первые – наиболее простые и дешевые

позволяют использовать солнечное тепло за счет архитектур-

но-планировочных мер.

Активные системы имеют разного рода гелиоприѐмни-

ки, в которых нагревается теплоноситель. Такие системы под-

разделяются на воздушные и водяные по виду теплоносителя,

получающего тепло. Вода является удобным теплоносителем,

однако имеет существенный недостаток – замерзает. В мест-

ностях с низкой температурой наружного воздуха используют-

ся системы со спиртовыми растворами в качестве теплоноси-

теля. Воздух в этом отношении обладает преимуществом, од-

нако он имеет малую удельную теплоѐмкость, что требует

увеличенных габаритов установки.

Различают несколько видов гелиоприѐмников.

Концентрирующие гелиоприѐмники состоят из сфери-

ческих или цилиндрических поверхностей, в фокус которых

помещается нагреваемый элемент. Такие приѐмники могут

обеспечивать нагрев теплоносителя до 100 °С. Они эффектив-

но работают только при прямом облучении и требуют перио-

дической очистки.

Наибольшее распространение получили плоские гелио-

приѐмники или солнечные коллекторы, состоящие из стеклян-

ного или пластикового покрытия (одинарного, двойного,

тройного), тепловоспринимающей панели и тепловой изоля-

ции обратной стороны панели. Под действием солнечных лу-

чей поверхность нагревается до 70 – 80 °С. Для увеличения