Повышение уровня централизации теплоснабжения (что характерно для крупных городов) сопровождается двумя опасными рисками - риском серьезного аварийного нарушения процесса теплоснабжения и риском затяжного (сверх допустимого) времени обнаружения и устранения аварий и неисправностей.
Опыт эксплуатации московских систем теплоснабжения показал, что ежегодно на 100 км двухтрубных тепловых сетей приходится от 20 до 40 сквозных повреждений труб, из них 90% случаются на подающих трубопроводах. Среднее время восстановления поврежденного участка теплосети при этом (в зависимости от диаметра и конструкции его) составляет от 5 до 50 ч и более, а полное восстановление повреждения может потребовать несколько суток (табл. 1).
Таблица 1. Среднее время восстановления z р, ч, поврежденного участка тепловой сети
|
Диаметр труб d, м |
Расстояние между секционирующими задвижками l, км |
Среднее время восстановления z р, ч |
Время z p , ч, необходимое для восстановления поврежденного участка магистральной тепловой сети с диаметром труб d, м, и расстоянием между секционирующими задвижками l, км, можно рассчитать также по следующей эмпирической формуле:
Конечно, ждать несколько суток или даже часов в зимних условиях и не предпринимать мер к спасению положения совершенно недопустимо. Поэтому практика эксплуатации систем ЦТ и жилищного фонда выработала важное правило предварительной оценки аварийных ситуаций с учетом теплоаккумуляционных возможностей различных зданий при различных текущих наружных температурах отопительного сезона. Вот это правило:
При подготовке к отопительному периоду рекомендуется теплоснабжающим организациям с привлечением собственников жилых домов или уполномоченных ими организаций-исполнителей коммунальных услуг выполнить расчеты допустимого времени устранения аварий и восстановления теплоснабжения по методике, приведенной в Указаниях по повышению надежности систем коммунального теплоснабжения, разработанных АКХ им. К. Д. Памфилова и утвержденных ОАО «Роскоммунэнерго» 26.06.89, и в рекомендациях СНиП 41-02-2003.
Расчеты следует представить органам управления жилищно-коммунальным хозяйством для использования при подготовке к зиме объектов жилищного фонда.
Эта методика опирается на практический опыт и исследования эксплуатации городского фонда, в условиях нарушенного (прекращения) теплоснабжения жилых строений и промышленных зданий с оценкой темпа падения температуры, °С/ч, в отапливаемых помещениях при различных температурах наружного воздуха.
Линия падения внутренней температуры отапливаемых помещений во времени при этом носит экспоненциальный (нисподающий) характер (рис. 1) и зависит в первую очередь от конструктивных характеристик зданий (конструкции и материала стен и утеплителей, коэффициента остекления, расположения помещений в здании и др.), определяющих аккумуляционную способность строений, а также климатических условий размещения объектов.
Рисунок 1. Линии падения температуры внутреннего воздуха (------) и внутренней поверхности наружной стены (- - - - -) здания после отключения отопления
Примерные кривые изменения температуры внутреннего воздуха при включении отопления - натопе показаны на рис. 2.
Рисунок 2. Кривые изменения температуры внутреннего воздуха и внутренней поверхности наружной стены при включении отопления - натопе
Эмпирически удалось вычислить примерные коэффициенты аккумуляции зданий, темпы падения внутренней температуры и разработать методику расчета, основные положения которой рассмотрим подробнее.
Замораживание трубопроводов в подвалах, лестничных клетках и на чердаках зданий может произойти в случае прекращения подачи теплоты при снижении температуры воздуха внутри жилых помещений до 8 °С и ниже. Примерный темп падения температуры в отапливаемых помещениях (°С/ч) при полном отключении подачи теплоты приведен в табл. 2, по нему определены коэффициенты аккумуляции зданий.
Таблица 2. Темпы падения внутренней температуры здания при различных температурах наружного воздуха
|
Коэффициент аккумуляции, ч |
Темп падения температуры, °С/ч, при температуре наружного воздуха, °С |
|||
|
±0 |
-10 |
-20 |
-30 |
|
Коэффициент аккумуляции характеризует величину тепловой аккумуляции зданий и зависит от толщины стен, коэффициента теплопередачи и коэффициента остекления. Коэффициенты аккумуляции теплоты для жилых и промышленных зданий массового строительства приведены в табл. 3.
Таблица 3. Коэффициенты аккумуляции для зданий типового строительства
|
Характеристика зданий |
Помещения |
Коэффициент аккумуляции, ч |
|
1 |
2 |
3 |
|
1. Крупнопанельный дом серии 1-605А с трехслойными наружными стенами, с утепленными минераловатными плитами с железобетонными фактурными слоями (толщина стены 21 см, из них толщина утеплителя 12 см) |
||
|
верхнего этажа |
||
|
среднего и первого этажей |
||
|
2. Крупнопанельный жилой дом серии К7-3 (конструкции инж. Лагутенко) с наружными стенами толщиной 16 см, с утепленными минераловатными плитами с железобетонными фактурными слоями |
||
|
верхнего этажа |
||
|
среднего этажа |
||
|
3. Дом из объемных элементов с наружными ограждениями из железобетонных вибропрокатных элементов, утепленных минераловатными плитами. Толщина наружной стены 22 см, толщина слоя утеплителя в зоне стыкования с ребрами 5 см, между ребрами 7 см. Общая толщина железобетонных элементов между ребрами 30-40 мм |
Угловые верхнего этажа |
|
|
4. Кирпичные жилые здания с толщиной стен в 2,5 кирпича и коэффициентом остекления 0,18-0,25 |
||
|
5. Промышленные здания с незначительными внутренними тепловыделениями (стены в 2 кирпича, коэффициент остекления 0,15-0,3) |
На основании приведенных данных можно оценить время, имеющееся для ликвидации аварии или принятия мер по предотвращению лавинообразного развития аварий, т.е. замерзания теплоносителя в системах отопления зданий, в которые прекращена подача теплоты.
Если в результате аварии отключено несколько зданий, то определение времени, имеющегося в распоряжении на ликвидацию аварии или принятия мер по предотвращению развития аварии, производится по зданию, имеющему наименьший коэффициент аккумуляции.
Рассмотрим такой случай на конкретном примере.
ПРИМЕР 1. Исходные условия: В результате аварии на распределительной теплосети диаметром 300 мм отключен ЦТП с группой жилых зданий, среди которых имеется крупнопанельный жилой дом конструкции инж. Лагутенко. Температура наружного воздуха - 20 °С.
Требуется: Определить допустимое время устранения аварии на распределительной теплосети при указанной наружной температуре и оценить сложившуюся ситуацию.
Решение: 1. По табл. 3 по п. 2 определяем коэффициент аккумуляции здания по среднему этажу: он равен 40 ч.
2. По табл. 2 для здания с коэффициентом аккумуляции 40 ч находим темп падения температуры (°С/ч) при температуре наружного воздуха -20 °С: он равен 1,1 °С/ч.
3. Определяем время снижения температуры в квартирах с 20 до 8 °С, при которой в подвалах и на лестничных клетках может произойти замерзание теплоносителя в трубах: (20 - 8): 1,1 = 10,9 ч ≈ 11 ч.
4. По табл. 1 находим, что для теплосети диаметром 300 мм время устранения аварии составляет от 5 до 10 ч (без учета времени обнаружения места аварии).
5. Для оценки ситуации можно сделать следующие выводы:
5.1. Время устранения аварии допустимо до 10 ч и при хорошей организации работы аварийной службы опорожнения системы отопления и других систем указанного жилого дома не потребуется, так как теплоснабжение микрорайона будет восстановлено.
5.2. При отсутствии аварийной службы или плохой организации работ по обнаружению и устранению аварийного повреждения теплосети персоналу ЖКХ необходимо в течение 10 ч произвести спуск систем отопления, горячего и холодного водоснабжения не только указанного жилого дома, но и всех других отключенных домов и строений, а в дальнейшем и отключенного участка теплосети, ЦТП и ИТП, во избежание замораживания их и цепочного, лавиноообразного развития аварии, могущих вызвать тяжелые последствия. По сообщениям «Строительной газеты» (№ 49, 50 за 2003 г.) 1 января 2003 г. в пос. Аркуль Нолинского района Кировской обл. в результате падения дерева на высоковольтную ЛЭП произошло аварийное отключение энергоснабжения поселка, в том числе и котельных. По трагическому совпадению в то время, когда перестали работать циркуляционные насосы в котельных и прекратилась циркуляция воды во всех теплосистемах поселка, температура воздуха понизилась от -1 °С до - 24 °С. Из-за отсутствия противоаварийного плана и инструкций персоналу вода на некоторых участках теплотрасс и тепловых системах зданий не была своевременно слита, к тому же не все абоненты котельных были оповещены об аварии (детсад, аптека, общежитие, медицинская лаборатория и др.). Все это привело к замораживанию теплотрасс и теплосистем 14 жилых зданий. В результате было повреждено и уничтожено имущество, восстановление которого обошлось в 690 тыс. рублей, а директор МП ЖКХ поселка А.Г. Сорокин привлечен к уголовной ответственности за преступление по статье 168 ч.1 Уголовного кодекса - уничтожение чужого имущества в крупном размере, совершенное по неосторожности, и приговорен к выплате денежного штрафа. Аварийная ситуация с электроснабжением была ликвидирована лишь через 20 ч 30 мин.
Для этого должен иметься заранее подготовленный и согласованный план ликвидации аварий и инструкции персоналу по выполнению его.
Термохимическое аккумулирование тепла основано на использовании энергии связей обратимых химических реакций
|
химического аккумулирования
|
(иногда определение термохимического аккумулирования включает также аккумулирование теплоты сорбции). Реакция может проходить в присутствии катализатора или без него. Продукты реакции должны быть разделены и храниться порознь.
В табл. 2.4 приведены некоторые реакции, предложенные для термохимического аккумулирования. Реакции зарядки протекают слева направо. Теплота реакции отнесена к 1 кг общей массы реагентов. Температура реакции представляет собой так называемую «обратимую температуру», соответствующую случаю, когда коэффициент реакции равен единице. Про-
дукты реакции газообразные. Если хотя бы один из продуктов реакции хранится в жидком состоянии, то плотность запасенной энергии может быть увеличена. Однако во время конденсации (зарядки) высвобождается теплота испарения, которая обычно не используется и снижает эффективность аккумулирования.
Для перспективных солнечных электростанций с газовыми турбинами было предложено использование диссоциации S03. Плотность запасаемой энергии в этом случае вполне приемлема, несмотря на высокие давления хранения кислорода. Характеристики дополнительно повышаются, если SO2, получаемый во время операции зарядки, закачивается в опорожненный сосуд для хранения S03 (аналогично рис. 2.9,6). Однако проблемы, связанные со сроком службы катализатора и конструкционных материалов, ждут своего решения.
Для аккумулирования и передачи тепла будущих высокотемпературных реакторов, охлаждаемых гелием, была предложена реакция между метаном и водяным паром . Эта реакция не очень перспективна, если иметь в виду лишь цели аккумулирования тепла, потому что продукты реакции газообразны, вследствие чего плотность запасаемой энергии низка.
Диссоциация NH4HSO4 обеспечивает очень высокую плотность запасаемой энергии, так как все продукты могут хра% ниться в жидком состоянии. Эта соль имеет низкую точку плавления (144°С); она сравнительно недорога, а продукты реакции NH3, S03 и Н20 легко разделяются, конденсируется, хранятся и испаряются. Хотя эта схема термохимического аккумулирования представляет интерес, ее разработка еще не завершена.
Одной из важнейших особенностей энергетики в наши дни является всевозрастающая неравномерность потребления энергии. Это обстоятельство в сочетании с высокой стоимостью топлива заставляет энергетиков как в России, так и за рубежом искать новые возможности покрытия переменной части графиков электрических и тепловых нагрузок.
Д ля обеспечения кратковременного повышения нагрузок в энергосистеме можно использовать тепловое, пневматическое, гидравлическое, электромеханическое и другие виды аккумулирования энергии. Весьма успешным, например, оказался первый опыт применения подземного аккумулирования сжатого воздуха. Во многих странах в промышленных масштабах используются гидроаккумулирующие электростанции, потребляющие энергию ТЭС и АЭС в периоды низкой нагрузки в энергосистемах и вырабатывающие электроэнергию в часы пика нагрузки.
В области теплоснабжения также наблюдаются значительные суточные и сезонные колебания графика нагрузок, для покрытия которых все чаще применяют теплоаккумулирующие установки.
Теплоаккумулирующие установки
В качестве рабочих емкостей в установках для внутрисуточного сглаживания графика нагрузок используют в основном секционные резервуары, сварные баки, железобетонные наземные и подземные конструкции. Для покрытия сезонных колебаний нагрузки часто используют не только искусственные резервуары, но и отработанные шахты или разного рода естественные пустоты в водонепроницаемых грунтах.
Небольшие тепловые аккумуляторы, принимая на себя обеспечение тепловой нагрузки, позволяют на время суточных пиков электрической нагрузки отключать отопительные отборы пара на ТЭЦ. В отдельных случаях, при кратковременном увеличении тепловой нагрузки, аккумуляторы позволяют обойтись без пуска пиковой котельной и тем самым сэкономить органическое топливо.
Для аккумулирования теплоты можно использовать, любые нетоксичные вещества, имеющие достаточно высокую теплоемкость или высокую теплоту плавления при хорошей теплопроводности (например, соли, находящиеся в расплавленном или эвтектическом состоянии). Однако чаще всего для аккумулирования теплоты применяется вода.
Широкое внедрение установок для аккумулирования теплоты сдерживается высокой стоимостью этих установок.
Рациональная аккумуляция тепла
Были проведены экономические расчеты, которые показали, что максимальную удельную стоимость имеют теплоаккумуляторы в виде земляных бассейнов с теплоизоляцией. Несколько дешевле обходятся стальные баки-аккумуляторы, которые имеют, как правило, небольшой объем и поэтому чаще используются для внутрисуточного регулирования.
Для создания крупных теплоаккумуляторов, обеспечивающих сезонное регулирование, экономичнее применять искусственные подземные пустоты: их удельная стоимость при вместимости более 100 тыс. м3 существенно меньше, чем у стальных теплоаккумуляторов. Еще ниже удельная стоимость аккумулирования теплоты при использовании подземных водоносных горизонтов. Этот сравнительно новый метод аккумулирования представляется весьма перспективным, так как водоносные горизонты распространены довольно широко, они являются естественными образованиями, и поэтому практически единственным видом капитальных затрат при создании таких аккумуляторов будет стоимость бурения скважин для обеспечения доступа к горизонту. Важным достоинством этого метода является и то, что теплота в данном случае аккумулируется не только в объеме воды, но и в горной породе водоносного горизонта. Природный аккумулятор не изна-шивается, не требует технического обслуживания и ремонта, а срок его использования практически неограничен.
Во многих странах энергетики проявляют интерес к этой проблеме. В Швейцарии, например, при поддержке Международного энергетического агентства сооружен теплоаккумулятор с использованием водоносного горизонта, расположенного на глубине до 36 м. Кроме центральной скважины на глубине от 7 до 24 м, были смонтированы радиальные трубы, через которые осуществлялись нагнетание и отбор теплой воды. Схема предполагала возможность аккумулирования солнечной энергии или сбросной теплоты (температура воды от 30 до 100 °С). Потребителями аккумулированной энергии были системы отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха в жилых домах.
Первая закачка горячей воды состоялась еще в конце прошлого века в июле, а отбор теплой воды температурой 30-55 °С- в январе следующего года. В первом цикле эффективность этого аккумулятора составила 35 %, однако в следующих циклах удалось аккумулировать в водоносном горизонте примерно по 1290 Гкал (при мощности около 0,43Гкал/ч) и извлекать из него по 645 Гкал (при средней мощности 0,258 Гкал/ч).
Во Франции в те же годы были проведены экспериментальные исследования для оценки эффективности сезонного аккумулирования теплоты путем закачки воды температурой 100-180 °С в водоносный горизонт, располо-женный на глубине около 50 м. Особое внимание было уделено регистрации тепловых потерь, а также воздействию аккумуляции на окружающую среду. По итогам этого эксперимента были выбраны направления дальнейших исследований и возможные объемы внедрения.
Перспективы аккумулирования тепла в водоносных горизонтах
Перспективным направлением является сочетание аккумулирования теплоты в водоносных горизонтах с использованием тепловых насосов. Расчеты показывают, что такое сочетание значительно повышает эффективность систем обогрева (в зимнее время) и кондиционирования воздуха (в летнее время) (рис. 1).
Рис. 1. Аккумулирование теплоты в водоносных горизонтах с тепловыми насосами
При определенных климатических условиях аккумулирование теплоты в этом случае (рис. 2) может значительно повысить коэффициент преобразования энергии и сэкономить до 50 % первичной энергии, расходуемой на отопление и охлаждение жилых и производственных помещений.
Рис. 2. Тепловые насосы для систем аккумулирования теплоты в водоносных горизонтах
Большой интерес вызывает аккумулирование теплоты в водоносных горизонтах с использованием гелиоустановок. Понятно, что равномерность солнечной радиации в зависимости от времени суток, сезона или погодных условий требует применения резервной системы теплоснабжения или больших и дорогостоящих аккумуляторов теплоты. Немецкими специалистами на мюнхенском семинаре по проблемам аккумулирования тепловой энергии были приведены такие цифры: гелиотермическая установка без аккумулирования теплоты может в условиях ФРГ удовлетворить лишь 10 % потребностей обслуживаемых ею домов. При наличии плоского гелиоприемника (рис. 3) площадью 2000 м2 с тепловыми трубами в сочетании с центральным тепловым аккумулятором вместимостью 150 м3 можно было бы удовлетворить уже 25 % потребностей 250 односемейных коттеджей в теплоте. Для удовлетворения 70-90 % этих потребностей гелиотермическая установка должна быть дополнена сезонным теплоаккумулятором, соединенным с теплосетью. Использование водоносных горизонтов для этих целей позволит решить проблему с минимальными капитальными затратами.
Рис. 3. Гелиоприемник
Перспективными являются и такие области применения нового метода аккумулирования теплоты, как горячее водоснабжение, обогрев теплиц и т. д. При необходимости получения технологического пара в водоносных горизонтах можно аккумулировать горячую воду под давлением выше атмосферного, что позволит использовать ее в теплообменниках для получения пара.
Большой интерес во многих странах Европы вызывает система обогрева и охлаждения с использованием тепловых насосов. Основным устройством, предназначенным для отбора теплоты из водоносного горизонта или передачи ему тепловой энергии, является тепловой насос. Налажен серийный выпуск самых разнообразных тепловых насосов с отбором низкопотенциальной теплоты из воды производительностью от 1,75 до 7034 кВт, или от 0,5 до 2000 т (1 т охлаждения - единица холодопроизводительности, которая в Великобритании соответствует 13,9 МДж/ч (3,86 кВт), в США - 12,7 МДж/ч (3,53 кВт).
Варианты применения
Основные варианты предлагаемых теплонасосных установок показаны на (рис. 4). В жилых домах на одну семью можно применять небольшие автономные тепловые насосы. В более крупных зданиях может быть создана разветвленная система тепловых насосов, которые обслуживают или большое помещение, или небольшие отдельные комнаты. В высотном здании целесообразно установить центральный тепловой насос для обогрева и охлаждения любых помещений. В жилом или деловом районе города можно также смонтировать центральную теплонасосную установку для отопления и кондиционирования жилых домов, учреждений и предприятий. Тепловой насос повышает качество энергии, аккумулированной в подземных водах, и делает более эффективным ее использование.
Рис. 4. Аккумулирование теплоты в водоносном горизонте с использованием тепловых насосов: 1 - крупные центральные теплонасосные установки в многоэтажных зданиях; 2 - небольшие децентрализованные (внутрикомнатные) тепловые насосы в многоэтажных зданиях; 3 - небольшие отдельные тепловые насосы в индивидуальных жилых домах; 4 - холодная скважина; 5 - глубинный насос; 6 - движение фронта температур; 7 - горячая скважина; 8 - двухтрубная распределительная система
Краткое описание системы
Действие системы с применением тепловых насосов, которая рассмотрена ниже, основано на аккумулировании теплоты для улучшения характеристик отдельных теплонасосных установок. Система накапливает теплоту, выделяемую при кондиционировании воздуха, а затем использует ее для отопления. Следовательно, она служит источником тепловой энергии при обогреве и теплоприемником при охлаждении.
Аккумулирующая система большой емкости создана самой природой в водоносном горизонте. Доступ к этой системе обеспечивается с помощью двух скважин. Если необходим нагрев, теплую воду (27° С для основного варианта системы) извлекают из водоносной формации и повышают ее температуру до 49 °С. В процессе отдачи теплоты окружающему воздуху вода остывает до 16 °С и ее возвращают обратно в горизонт через вторую скважину. Температурный фронт движется по водоносной породе между обеими скважинами. Количество извлекаемой и нагнетаемой воды одинаково; чистый расход подземной воды равен нулю.
При использовании воды для охлаждения весь процесс протекает в обратном порядке. Холодную воду температурой 16 °С откачивают из водоносной формации, и она поглощает теплоту, в результате чего происходит кондиционирование воздуха. Теплая вода температурой 27 °С нагнетается обратно в горизонт. Как и при обогреве поме-щений, чистый расход воды равен нулю. В ходе этого процесса температурный фронт перемещается между скважинами в обратном направлении.
Теплонасосные установки и система аккумулирования тепловой энергии соединены между собой с помощью двухтрубной системы распределения воды. По одной линии поступает теплая вода, по другой - холодная. Если понадобится нагрев, теплонасосная установка отбирает воду из линии теплой воды, а после того, как вода отдала свою теплоту, сбрасывает ее в линию холодной воды. Обогрев и охлаждение могут происходить одновременно. Насосы, находящиеся в обеих скважинах, обеспечивают постоянное наполнение соответствующих магистральных трубопроводов теплой и холодной водой. Для аккумулирования используются местные водоносные горизонты, так что протяженность трубопроводов невелика. Теплоизоляция труб не нужна, поскольку они уложены в траншею, и их температура мало отличается от температуры грунта. Для уменьшения стоимости самих трубопроводов и их прокладки рекомендуется в большинстве случаев использовать трубы из поливинилхлорида (рис. 5). Стальные и чугунные трубы следует применять лишь при очень больших расходах, которые обычно имеют место при обслуживании крупных городских районов.
Рис. 5. Трубы из поливинилхлорида
Чтобы создать действенную аккумулирующую систему с использованием тепловых насосов, надо сделать эту систему коммунальной. Тогда стоимость сооружения двух скважин распределится между несколькими потребителями. По техническим соображениям система аккумулирования тепловой энергии должна иметь емкость выше минимально допустимой, чтобы гарантировались необходимые масштабы накопления энергии. Управление системой следует поручить местной организации, которая обеспечит разработку, сооружение, обслуживание системы и возьмет ее под свой контроль.
Теплонасосные установки могут быть самыми различными - от небольшого теплового насоса (для жилого дома на одну семью или для квартиры крупного здания) до больших центральных установок (для обслуживания многоэтажного здания). Для одновременного отопления и охлаждения помещений можно создать обмен горячей и холодной водой между установками, чтобы вода вообще не циркулировала через скважины и водоносный горизонт. Две скважины или группа спаренных скважин, система с водоносным горизонтом в качестве аккумулятора тепловой энергии и тепловые насосы, находящиеся на определенном участке коммунальной системы обогрева и охлаждения, образуют в совокупности так называемый модуль. Соединяя между собой модули, можно повысить надежность и увеличить размеры всей системы в целом; в результате этого сокращаются расходы на строительство и техническое обслуживание, можно также уменьшить количество людей, занимающихся эксплуатацией системы. Например, вышедший из строя насос можно будет исправить в любое удобное время, а не обязательно сразу, как только он вышел из строя, так как насос другого модуля сможет взять на себя дополнительную нагрузку. Модули можно подключать к системе поочередно в целях планомерного расширения сети теплонасосных установок, принадлежащих населению жилого массива.
Система работает не на дефицитных видах топлива, а на электроэнергии, поступающей с пылеугольных, мазутных, газовых ТЭС, а также с атомных и гидравлических станций. Тепловой насос с отбором низкопотенциальной теплоты из воды, работающий в абсорбционном цикле с нагревом генератора, можно включить в систему, если имеется источник сбросной теплоты.
Предлагаемую конструкцию можно использовать в любой системе отопления и охлаждения, расположенной на незначительном расстоянии от водоносного горизонта, если он обладает достаточно большой водоотдачей. Именно такие условия существуют на территории, составляющей 60 % континентальной части США, с населением, численность которого равна 75 % всего населения страны. Над водоносными формациями, пригодными для аккумулирования, находятся деловые и торговые центры, крупные жилые массивы. Чем выше плотность населения, тем выгоднее сооружать подобные системы. Везде, кроме юга Флориды и отдельных районов Калифорнии, где круглый год тепло, система позволит сэкономить значительные сред-ства на стоимости теплоносителей, особенно с учетом непрерывного удорожания энергии. Даже при современном уровне технологии такими системами могут быть в ближайшие годы охвачены 72 млн домашних хозяйств и 14,6 млн коммерческих предприятий в США.
В странах Западной Европы сложилась следующая ситуация: на 2015 г. в Бельгии эксплуатировалось примерно 1130 таких систем, в Нидерландах их количество увеличилось с 2000 в 2012 г. до 2500 в 2015 г.
Согласно данным Международного энергетического агентства (МЭА), стоимость монтажа систем аккумулирования теплоты в водоносном горизонте с использованием тепловых насосов в 2005 г. составляла от 200 до 1150 евро за 1 кВтт, при снижении ее к 2030 г. на 15 %. В отчете фирмы Terra Energy 2012 г. для большой системы (700 кВтт) было показано, что стоимость ее монтажа составляет 1179 евро за 1 кВтт, а динамический срок окупаемости - 7,5 лет.
Статья из журнала "Аква-Терм", № 3 /2016. Рубрика "Отопление и ГВС"
Имеет определенную величину, и зависит от и .
С той или иной точностью, зная все перечисленные параметры, мы можем рассчитать ожидаемую производительность любого типа солнечного коллектора за произвольный период времени (кВт·ч за единицу времени). При этом, чем дольше расчетный период времени, тем более точны расчеты производительности .
Таким образом, располагая значением суммарного годового , можно относительно точно рассчитать прогнозируемую годовую производительность коллектора. Однако практически невозможно рассчитать такой прогноз на отдельные дни в году или часы. Это и отличает гелиосистемы от других генераторов теплоты (котлы, тепловые насосы и т.д.).
Выработка тепла не совпадает с графиком потребления
Одной из особенностей работы гелиосистемы для бытового сектора является то, что солнечные коллекторы генерируют тепло на протяжении всего светового дня, в отличии от котла, который за короткий промежуток времени может обеспечить потребителя тепловой энергией. Из-за этого время выработки тепловой энергии и потребление не совпадают. Это видно на графике.
График выработки и потребления тепловой энергии при применении солнечных коллекторов
Данные особенности показывают, что для оптимальной работы гелиосистемы необходимо аккумулировать тепловую энергию . Для этих целей, как правило, используют . Их объем должен быть достаточным для хранения полученной солнечной энергии за день. В данном случае мы говорим о суточном аккумулировании тепловой энергии.
Для аккумулирования тепловой энергии чаще всего используют воду
Вода - общедоступный и эффективный теплоноситель, имеющий высокие показатели теплопроводности c = 4,187 (кДж/кг·К) или с = 1,1163 (Вт·ч/кг·К) второе значение чаще используется в расчетах отопительной техники. Расчеты теплоаккумулирующей емкости совпадают как для систем ГВС так и отопительных систем.
Кроме суточного аккумулирования тепловой энергии, можно реализовать аккумулирование тепла на более длительный период времени. Такие системы называют системами с сезонным аккумулированием тепловой энергии. Для реализации таких объектов баки аккумуляторы должны иметь значительные объемы, что бы за летный период накопить тепло, которое будет потребляться за отапливаемый период.
Не всегда объем бака аккумулятора имеет решающее значение . Определяющим параметром служит теплоемкость. Для воды теплоемкость ограничена теплофизическими свойствами. При атмосферном давлении мы можем нагреть воду до 95°С, поэтому при условии, что конечное значение температуры воды после использования теплоты будет 45°С, мы можем получить не более 60 Вт/кг (w=1,1163·(95-45))=58,15 Вт/кг).
Альтернативные способы хранения тепла
Иногда для целей повышения теплоемкости аккумулятора используют другие виды аккумулируемых сред (бетон, галька, металл и т.д.). При равном объеме данные вещества обладают меньшей удельной теплопроводностью, однако их можно нагревать до более высоких температур, что в свою очередь увеличивает теплоемкость аккумулятора. При нагревании на очень высокие температуры можно достичь значения теплоемкости до 400 Вт/кг.
Однако для использования с гелиосистемами температура нагрева аккумулятора тепла ограничена максимальной температурой нагрева солнечных коллекторов. Так же хранение аккумулирующей среды с высокой температурой увеличивает тепловые потери, поэтому, как правило, аккумулятор заряжается до сравнительно невысоких температур (до 95°С) и используется с низко потенциальной системой отопления (теплые полы, фанкойлы).
Эффективно может аккумулироваться и теплота плавления некоторых материалов. Для таких аккумуляторов тепла используют парафин, каустическую соду, и т.д. При фазовом переходе во время плавления значение теплоемкости рассчитывается так:
W = m , где
- W - аккумулированная энергия Дж;
- m - масса аккумулирующего вещества кг;
- ct - удельная теплоемкость в твердом состоянии Дж / (кг·K);
- cs - удельная теплоемкость в жидком состоянии Дж / (кг· K);
- C - теплота плавления Дж/кг;
- ϑ1 - начальная температура °С;
- ϑs - температура плавления °С;
- ϑ2 - температура нагрева °С;
Неравномерное потребление горячей воды требует синхронного изменения отпуска теплоты со станции или соответствующего приготовления ее на месте потребления. Ввиду неосуществимости полного соответствия выработки теплоты на горячее водоснабжение и его потребления наблюдается постоянное нарушение отопительно-вентиляционных режимов, требующих создания на станции излишних резервов теплоприготовительного оборудования.
Рис. 3.10. Графики расхода теплоты на горячее водоснабжение:
а
– суточный; б
– интегральный; 1 – изменение расхода теплоты по часам суток; 2 – среднечасовой расход теплоты за сутки; 3 – фактическое потребление теплоты; 4 – отпускаемая теплота
Установка аккумуляторов горячей воды дает возможность выровнять нагрузку станционных водонагревателей и тем самым уменьшить запас пиковой мощности на тепловой станции, вследствие чего обеспечивается меньшая разрегулировка расходов теплоты на отопление и вентиляцию. Аккумуляторы на абонентских вводах позволяют устранить колебания температуры горячей воды при минимальных и максимальных водоразборах и уменьшить расчетную теплопроизводительность местных подогревателей.
Емкость аккумулятора определяется с помощью интегрального графика, который строится на основе заданного суточного расхода теплоты (рис. 3.10). Для построения интегрального графика необходимо определить по суточному графику произведение часового расхода теплоты Q i по соответствующей продолжительности n i использования теплоты. Полученное произведение, представляющее расход теплоты за время n i , на интегральном графике откладывается на ординате в конце того же отрезка времени. Последующие значения расходов теплоты Q i n i за последующие промежутки времени n i на интегральном графике суммируются с предыдущими. В итоге получается ломаная линия 3 фактического потребления теплоты, каждая ордината этого графика выражает общий расход теплоты от начала потребления до рассматриваемого момента. Ордината графика фактического потребления теплоты в конце суток показывает расход теплоты за сутки.
Так как теплота из тепловых сетей поступает равномерно и непрерывно, тo график сообщенной потребителю теплоты выражается прямой линией 4. Тангенс угла наклона графика сообщенной теплоты численно равен среднечасовому расходу теплоты за сутки
. (3.1)
Меньший наклон участков линии 3 по сравнению с линией 4 означает, что поступление теплоты из сетей превосходит фактическое потребление и, наоборот, при большем наклоне участков линии 3 фактическое потребление теплоты превосходит его поступление из тепловых сетей, что при отсутствии аккумуляторов недопустимо. Разность ординат линий 3 и 4 показывает количество неспользованной теплоты из тепловых сетей, которое могло быть накоплено в аккумуляторе. Если неиспользуемая теплота аккумулируется, то разность ординат графиков поступления и потребления теплоты в каждый момент времени указывает на наличие запаса теплоты в аккумуляторе. Ордината Q макс количественно выражает наибольший запас теплоты.
При определении необходимого запаса теплоты в аккумуляторе среднечасовой расход теплоты, кВт, найденный по формуле (3.1), должен быть не менее значения
, (3.2)
где G и – расход горячей воды за сутки наибольшего водопотребения, м 3 /сут; r – плотность воды, кг/м 3 ; с – теплоемкость воды, кДж/(кг×°С); t г – средняя температура горячей воды в трубопроводах горячего водоснабжения; Т – время потребления горячей воды в сутки, ч; Q т.п – потери теплоты в подающих и циркуляционных трубопроводах, кВт.
Расход горячей воды за сутки наибольшего водопотребления находится по формуле
, (3.3)
где g и – норма расхода горячей воды за сутки наибольшего водопотребления, л/сут; m – количество потребителей (жителей) в здании или группе зданий.
Для жилых домов, общежитий, гостиниц, санаториев, больниц, школ и детских учреждений время потребления горячей воды в сутки принимают 24 ч. Для остальных общественных зданий это время принимают равным числу часов работы их в сутки, но не менее 10 ч, а при наличии аккумуляторов – по числу часов зарядки аккумуляторов. Для вспомогательных зданий промышленных предприятий время потребления горячей воды должно быть равно продолжительности зарядки аккумуляторов в смену.
При отсутствии суточных графиков расхода теплоты на горячее водоснабжение интегральный график может быть построен по безразмерным суточным графикам, приведенным для различных категорий потребителей в справочной литературе. В безразмерных графиках ордината 100% расхода теплоты соответствует среднечасовому расходу теплоты, определенному по формуле (3.2).
Применение аккумуляторов может сократить время потребления теплоты из тепловых сетей. Момент времени и продолжительность отключения тепловых сетей выбирается в зависимости от характера изломов линий интегрального графика. Например, для интегральных графиков на рис. 3.11 целесообразно выбрать продолжительность отключения сетей на время n 1 и n 2 . В период прекращения поступления теплоты из тепловых сетей горячее водоснабжение производится только из аккумулятора. Продолжительность отключения сетей подбирается так, чтобы запас теплоты в начале и в конце суток был одинаковым.
Рис. 3.11. Варианты аккумулирования теплоты:
1 – фактическое потребление теплоты; 2 – поступление теплоты из тепловых сетей;
n
1 и n
2 – продолжительность отключения тепловых сетей; n
– продолжительность зарядки аккумулятора
В период пользования горячей водой запас теплоты в аккумуляторе изменяется от максимального Q м aкс до минимального Q мин значений. Если теплота аккумулируется при переменном объеме воды с постоянной ее температурой, то необходимая емкость акмулятора, м 3 , находится из выражения
, (3.4)
где Q м aкс – запас теплоты, кВт×ч.
Если теплота аккумулируется при постоянном объеме воды за счет изменения ее температуры, то емкость аккумулятора определяется по формуле
, (3.5)
где t макс и t мин – максимальная и минимальная температуры горячей воды, °С.
В аккумуляторе постоянного объема накопление теплоты осуществляется за счет увеличения нагрева воды. Следовательно, большему и меньшему запасу теплоты в аккумуляторе на интегральном графике (рис. 3.11) соответствуют максимальная и минимальная температуры воды. Наибольшая температура воды в аккумуляторе не должна превышать 75 °С, а наименьшая – быть не ниже 40 °С.
При наличии в жилых и общественных зданиях автоматизированных систем горячего водоснабжения, а в производственных зданиях душевых сеток (не более десяти) применение аккумуляторов не обязательно.
Загрузка...
