Совершенствование режимных и технологических характеристик систем теплоснабжения малоэтажных жилых зданий при использовании источников низкопотенциальной теплоты

На правах рукописи

ГРИШКОВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

МАЛОЭТАЖНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ

ИСТОЧНИКОВ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ

Специальность 05.23.03 Теплоснабжение, вентиляция,

кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Волгоград 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Пермском государственном техническом университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

БУРКОВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор	КАЛАШНИКОВ МИХАИЛ ПЕТРОВИЧ, ГОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный технологический университет»
кандидат технических наук, доцент	ГВОЗДКОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ, ГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Ведущая организация

Учреждение Российской академии наук Горный институт Уральского отделения РАН, г. Пермь

Защита состоится 07 октября 2010 г. в 1300 на заседании Диссертационного совета Д 212.026.01 в ГОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 07 сентября 2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Пшеничкина В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время на территории РФ широкое распространение получила малоэтажная жилая застройка (коттеджи, таунхаусы) пригородных районов, значительно отдаленных от центральных районов городов и поселков. В большинстве случаев в таких районах отсутствуют подведенные тепловые и газовые сети, недостаточны мощности электрических сетей, что заставляет применять современные энергоресурсосберегающие технологии для теплоснабжения зданий.

При строительстве жилья в районах со слаборазвитой инфраструктурой надежным современным источником тепловой энергии являются тепловые насосы (ТН), использующие теплоту возобновляемых природных источников (массив грунта, грунтовые воды, воды водоемов, наружный воздух и др.).

Существующие нормы и рекомендации по проектированию теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ) для малоэтажной жилой застройки в РФ не учитывают особенностей климатических условий района, удельные тепловые нагрузки на систему, тарифы на энергоносители и т.д. Это сказывается на эффективности работы и вложении инвестиций в подобные системы.

Экономическая эффективность применения ТСТ определяется выбором источника теплоты, режимными (бивалентная температура, температура теплоносителя первичного и вторичного контуров) и технологическими характеристиками системы (объем аккумулирующих емкостей, мощности насосного оборудования, а также основного и пикового источников теплоты).

Таким образом, использование энергоресурсосберегающих технологий в теплоснабжении вызывает необходимость совершенствования систем теплоснабжения малоэтажных жилых зданий, использующих природные источники низкопотенциальной теплоты.

Цель работы – разработка научно-обоснованных решений по повышению эффективности работы системы теплоснабжения малоэтажных жилых зданий с использованием природных источников низкопотенциальной теплоты на основе совершенствования ее режимных и технологических характеристик.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• анализ зарубежного опыта проектирования ТСТ малоэтажных жилых зданий при использовании источников низкопотенциальной теплоты;
• модернизация существующей схемы ТСТ;
• разработка комплексных имитационных математических моделей ТСТ для различных вариантов использования теплоты: массива грунта, грунтовых вод и вод водоемов;
• натурные исследования влияния режимных характеристик на энергопотребление ТСТ, использующей теплоту массива грунта;
• численные исследование влияния режимных характеристик на энергопотребление ТСТ при использовании теплоты массива грунта, грунтовых вод и вод водоемов;
• исследование влияния режимных характеристик на экономическую эффективность инвестиций в ТСТ при использовании теплоты массива грунта, грунтовых вод и вод водоемов;
• определение целесообразности применения ТСТ по сравнению с другими системами теплоснабжения.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные исследования и обработку экспериментальных данных методами математической статистики и корреляционного анализа с применением ПЭВМ и сертифицированных программ.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических положений теоретического анализа, подтверждена сходимостью результатов численных и натурных экспериментальных исследований, удовлетворяющей требуемым критериям.

Научная новизна работы состоит в том, что:

• разработаны комплексные имитационные математические модели ТСТ жилого здания, позволяющие спрогнозировать энергопотребление всей системой при использовании различных источников низкопотенциальной теплоты;
• установлены зависимости, характеризующие энергопотребление ТСТ для вариантов использования низкопотенциальной теплоты массива грунта, грунтовых вод и вод водоемов;
• получены аналитические зависимости, позволяющие оценить экономическую эффективность инвестиций в ТСТ при использовании теплоты массива грунта, грунтовых вод и вод водоемов.

Практическое значение работы:

• разработана и экспериментально испытана модернизированная схема ТСТ, позволяющая снизить энергопотребление и повысить экономическую эффективность инвестиций в систему;
• получены зависимости, позволяющие определить энергопотребление ТСТ при использовании различных источников низкопотенциальной теплоты;
• предложены зависимости для оценки экономической эффективности ТСТ, позволяющие определить наиболее целесообразный вариант использования природного источника, а также рациональные режимные характеристики системы;
• разработаны методика расчета и рекомендации по проектированию ТСТ с низкотемпературной системой напольного отопления для малоэтажных жилых зданий, учитывающие климатические особенности региона, варианты использования источников низкопотенциальной теплоты и критерии их экономической эффективности.

Реализация результатов работы:

• рекомендации по проектированию ТСТ используются на предприятиях ЗАО «АСВ» и ОАО «ПЗСП», г. Пермь, при разработке проектной документации;
• материалы диссертационной работы используются кафедрой теплогазоснабжения, вентиляции и охраны воздушного бассейна ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет» при подготовке инженеров по специальности 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция».

На защиту выносятся:

• комплексные имитационные математические модели ТСТ, использующей теплоту массива грунта, грунтовых вод и вод водоемов;
• экспериментальные зависимости, характеризующие энергопотребление ТСТ, использующей различные источники теплоты: массив грунта, грунтовые воды и воды водоемов;
• аналитические зависимости для определения основных критериев экономической эффективности инвестиций в ТСТ.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение: на научно-практической конференции аспирантов, молодых ученых и студентов строительного факультета ПГТУ (Пермь, 2007 2008); Всероссийской конференции с международным участием «Перспективы развития инноваций в энергоресурсосбережении» (Пермь, 2007); международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды» (Волгоград, 2009); научно-практической конференции «Современные технологии в строительстве. Теория и практика» (Пермь, 2009), международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции» (Москва, 2009).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации изложены в 9 статьях, в том числе 2 статьи опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы: 125 страниц машинописного текста, включая 34 рисунка, 12 таблиц и список литературы из 133 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведения исследований, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость, а также приведены данные о реализации основных положений диссертации.

Первая глава посвящена анализу возможности применения ТН в качестве основного источника теплоты для систем теплоснабжения малоэтажных жилых зданий в современных условиях. Дан аналитический обзор применяемых в мире ТСТ и используемых природных возобновляемых источников тепловой энергии. Проанализированы особенности использования низкопотенциальной теплоты в инженерных системах жилых зданий. Сформулирована цель и определены задачи исследования.

Значительный вклад в развитие теоретических основ теплонасосной техники и ее практическое использование внесли ученые: А.И. Андрющенко, В.М. Бродянский, О.Ш. Везиришвили, В.И. Гомелаури, А.Г. Ионов, В.С. Мартыновский, Ю.В. Николаев, Л.А. Огуречников, Е.И. Янтовский, G. Heinrich, J.W. Lund, H. Najork, W. Nestler, D. Reau, L. Rybach, W. Thomson и др. Проведенный анализ их работ показал, что применение ТН в качестве основного источника теплоты для систем теплоснабжения жилых объектов в условиях РФ перспективно в комплексе с низкотемпературными системами отопления.

Широкое распространение для теплоснабжения жилых зданий получили ТН на базе герметичных поршневых компрессоров с регулированием теплопроизводительности способом «включения/выключения», что предполагает использование аккумулирующих емкостей в системе. Применение ТСТ требует больших капитальных затрат, поэтому целесообразно использовать бивалентный режим работы (ТН с дополнительным нагревателем). Значение температуры наружного воздуха, разделяющее расчетную тепловую нагрузку здания на основную и пиковую, называется бивалентной температурой. Её выбор существенно влияет на годовое энергопотребление системой теплоснабжения.

Существующие методики проектирования ТСТ обладают определенными недостатками, к которым относятся широкие диапазоны рекомендуемых режимных характеристик (температура и расход теплоносителя, бивалентная температура и др.). При определении энергопотребления системой не учитываются энергозатраты насосами первичного и вторичного контуров, а также продолжительность стояния температуры наружного воздуха в течение отопительного периода для конкретного региона.

Для эффективного применения ТН в качестве основного источника теплоты необходимо модернизировать существующую бивалентную схему ТСТ, что позволит снизить энергопотребление и повысить экономическую эффективность инвестиций в систему. Следовательно, необходимо совершенствовать режимные и технологические характеристики ТСТ с учетом вышеуказанных недостатков, что предопределяет необходимость и актуальность выполнения данной работы, цели и задачи исследования.

Во второй главе представлены структура и режим работы модернизированной схемы ТСТ (рис. 1), которая позволяет регулировать температуру теплоносителя на выходе из конденсатора теплового насоса и распределять тепловую мощность или на контур отопления, или на контур горячего водоснабжения (ГВС).

Модернизированная схема ТСТ жилого здания включает в себя тепловой насос 1, первичный контур 2 отбора теплоты от источника низкопотенциальной энергии и вторичный контур, состоящий из распределительного контура 3, системы напольного отопления 4 и системы ГВС 5.

Работа ТН на контур системы отопления и ГВС производится поочередно, при этом приоритетным направлением является обеспечение требуемой тепловой нагрузки на систему отопления. Переключение расхода теплоносителя на контур отопления и ГВС осуществляется трехходовым клапаном 9 с электроприводом.

Рис. 1. Модернизированная схема теплонасосной системы теплоснабжения:

1 – тепловой насос; 2 – первичный контур; 3 – распределительный контур; 4 – контур системы напольного отопления; 5 – контур системы ГВС; 6 – контроллер; 7 – буферная емкость; 8 – бак-аккумулятор; 9 – трехходовой клапан; 10 – распределительный насос; 11, 12, 13 – циркуляционные насосы; 14 – 21 – датчики температуры теплоносителя; 22, 23 – датчики температуры воздуха; 24 – реле давления; 25, 26 – дополнительные нагреватели

При работе ТН на контур отопления регулирование температуры теплоносителя в подающей магистрали системы производится в зависимости от температуры наружного воздуха путем изменения расхода теплоносителя в первичном и распределительном контурах системы. Для этого насосы 10 и 11 оснащены электронным управлением производительности. При температуре наружного воздуха ниже бивалентной в работу системы отопления включается электрокотел 25, который производит догрев теплоносителя, поступающего в систему, до необходимой температуры.

При работе на систему ГВС температура теплоносителя распределительного контура поддерживается постоянной и определяется санитарно-гигиеническими требованиями к температуре горячей воды. С учетом наличия конечной разности температур при передаче теплоты в теплообменнике контура ГВС температура теплоносителя выходе и входе в конденсатор ТН составляет соответственно = 55 °С и = 10 °С.

Зависимости для определения требуемой температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах системы напольного отопления, полученные на основании использования работы А. Миссенара, имеют вид

(1)

(2)

где м коэффициент теплопроводности массива стяжки пола, Вт/(м°С); tвн температура воздуха в помещении, °С; D наружный диаметр трубы, м; qСО – требуемый удельный тепловой поток с поверхности пола, Вт/м2; s шаг укладки труб, м; разность температуры теплоносителя в системе напольного отопления, °С; е – толщина слоя заделки между трубой и поверхностью пола, м; е’ – условная толщина слоя заделки, эквивалентная внешнему термическому сопротивлению, м, , где коэффициент теплоотдачи поверхности пола, Вт/(м2°С); е” – условная толщина слоя заделки, эквивалентная термическому сопротивлению стенки трубы, м, где Rст.тр. – термическое сопротивление стенки трубы, (м2°С)/Вт.

Коэффициент теплоотдачи поверхности пола определяется с помощью зависимости, полученной на основании аппроксимации результатов исследования А. Миссенара,

(3)

Требуемый удельный тепловой поток с поверхности пола определяется по формуле

(4)

где F – площадь отапливаемых помещений, м2; Qр – расчетная тепловая нагрузка на систему отопления, Вт; – средняя температура наиболее холодной пятидневки, °С; tн – текущая температура наружного воздуха, °С.

Текущая разность температуры теплоносителя в системе отопления

(5)

где расчетная разность температуры теплоносителя в системе напольного отопления, °С.

Результаты теоретического исследования основных характеристик ТСТ: температуры теплоносителя на входе и выходе из конденсатора, температуры теплоносителя в подающем трубопроводе системы отопления , действительного коэффициента преобразования (КОП) теплового насоса и эксергетического КПД системы теплоснабжения , работающей по традиционной и модернизированной схемам, приведены на рис. 2.

Рис. 2. Влияние температуры наружного воздуха на требуемую температуру

теплоносителя системы отопления (а, б); коэффициент преобразования

теплонасосной системы (в); эксергетический КПД теплонасосной системы (г)

Изменение температуры теплоносителя и с ростом температуры наружного воздуха для рассмотренных схем определяется тепловой нагрузкой на систему напольного отопления, поэтому производится одинаково. Однако, регулирование температуры теплоносителя , поступающего в систему отопления, при модернизированной схеме осуществляется непосредственно в распределительном контуре, что позволяет увеличить коэффициент преобразования теплового насоса по сравнению с традиционной схемой (см. рис. 2, а, б, в). Это достигается снижением средней температуры теплоносителя в конденсаторе ТН и отсутствием перегрева теплоносителя распределительного контура при повышении температуры наружного воздуха.

При расчете эксергетического КПД определяющим фактором является КОП теплового насоса , поэтому эксергетический КПД модернизированной схемы выше, чем при использовании традиционной схемы (рис. 2, г). Это свидетельствует о том, что модернизированная схема позволяет повысить степень термодинамического совершенства системы теплоснабжения.

Третья глава посвящена разработке комплексных имитационных моделей для рассматриваемых вариантов использования природных источников теплоты на основе результатов предварительного теоретического исследования потребления электрической энергии отдельными элементами ТСТ.

Потребление электрической энергии ТСТ (кВтч) имеет вид

(6)

где ЕТН – энергопотребление тепловым насосом; ,,– энергопотребление циркуляционным насосом соответственно первичного контура, распределительного, системы отопления и ГВС; , – энергопотребление пиковым нагревателем соответственно системы отопления и ГВС.

Поскольку энергопотребление системой теплоснабжения зависит как от температуры наружного воздуха, так и от продолжительности ее стояния в течение отопительного периода, учитывается изменение текущей температуры наружного воздуха для рассматриваемого региона. Для климатических условий Пермского края впервые получена зависимость

(7)

где ztн – продолжительность стояния текущей температуры наружного воздуха, ч.

Электропотребление оборудованием (кВтч) определяется по формуле

(8)

где Z – продолжительность отопительного периода, сут; Nоб – мощность, потребляемая оборудованием, на текущий час работы, кВт; kраб – коэффициент загруженности оборудования работой.

Мощность, потребляемая оборудованием, описывается зависимостью

(9)

где ztб – продолжительность стояния температуры наружного воздуха, равной бивалентной, ч.

Определение энергопотребления системой по модели производится в следующей последовательности:

• определение расчетных и требуемых тепловых нагрузок на систему отопления и ГВС в зависимости от продолжительности стояния текущей температуры наружного воздуха;
• определение характеристик ТН (потребляемая электрическая мощность, КОП, теплопроизводительность) при заданной бивалентной температуре;
• расчет характеристик первичного контура, распределительного контура, системы отопления и ГВС (тепловая нагрузка, температура и расход теплоносителя, гидравлические потери и др.);
• определение коэффициентов загруженности оборудования работой на контур отопления и ГВС;
• нахождение технологических характеристик оборудования ТСТ (объем аккумулирующих емкостей, мощности насосного оборудования, а также основного и пикового источников теплоты);
• определение текущего потребления электрической энергии и мощностей теплового и насосного оборудования, зависящих от продолжительности стояния температуры наружного воздуха и бивалентной температуры;
• вычисление общего энергопотребления ТСТ.

Полученный алгоритм позволяет определить энергопотребление ТН, первичным и вторичным контурами, а также всей системой.

Разработаны комплексные имитационные математические модели для вариантов использования теплоты грунтовых вод, вод открытых водоемов и массива грунта, позволяющие спрогнозировать энергопотребление всей системой за расчетный период в зависимости от изменения режимных и технологических характеристик системы.

В четвертой главе проведены натурное исследование энергопотребления ТСТ с целью подтверждения адекватности разработанных моделей, а также численные исследования энергопотребления ТСТ.

Натурное исследование проведено на специально разработанной теплонасосной установке (ТНУ), имитирующей работу ТСТ малоэтажного жилого здания (см. рис. 1). Особенностью установки является наличие отдельных узлов учета потребляемой электрической энергии для ТН, а также для нагревательного и насосного оборудования первичного и вторичного контуров. Результаты натурного эксперимента представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты натурного эксперимента

№ опыта	t1, °С	t21, °С	t2, °С	Е, кВтч	№ опыта	t1, °С	t21, °С	t2, °С	Е, кВтч
1	4,0	40,0	5,0	31,1/29,3	9	3,43	45,0	7,5	33,5/31,8
2	4,0	40,0	10,0	27,1/25,6	10	8,57	45,0	7,5	37,3/35,0
3	4,0	50,0	5,0	42,3/38,8	11	6,00	38,6	7,5	28,6/27,0
4	4,0	50,0	10,0	37,8/35,3	12	6,00	51,4	7,5	42,4/39,1
5	8,0	40,0	5,0	34,2/32,0	13	6,00	45,0	4,3	38,7/36,3
6	8,0	40,0	10,0	30,0/28,5	14	6,00	45,0	10,7	34,1/31,4
7	8,0	50,0	5,0	44,9/41,1	15	6,00	45,0	7,5	35,4/33,2
8	8,0	50,0	10,0	40,1/37,8	16	6,00	45,0	7,5	35,9/33,2

П р и м е ч а н и е. В числителе указаны данные натурного эксперимента, в знаменателе результаты вычислений с помощью математической модели

На начало проведения опыта процесс теплообмена в грунте был установившимся, буферная емкость системы отопления заполнена нагретым теплоносителем, температура воздуха внутри помещения +18 °С. Время проведения одного опыта составляло 24 часа. Энергопотребление ТНУ определялось по показаниям электросчетчиков.

Сравнение результатов, полученных при натурном эксперименте и с помощью математической модели, представлено на рис. 3.

Рис. 3. Диаграммы энергопотребления ТНУ

Относительное отклонение теоретических значений от полученных при натурном эксперименте не превышает 10 %, что свидетельствует об удовлетворительной сходимости математической модели с натурным экспериментом.

Оценка адекватности разработанной модели была подтверждена по критерию Фишера, который по результатам исследования составил F = 1,51, что меньше его критического значения Fкр = 9,3.

На рис. 4 показано изменение энергопотребления ТСТ в зависимости от температуры теплоносителя в подающем трубопроводе системы напольного отопления и разности температуры теплоносителя t2.

Рис. 4. Графики изменения энергопотребления от температуры теплоносителя в подающем

трубопроводе системы отопления (а) и разности температуры теплоносителя (б):

1 – экспериментальные; 2 – рассчитанные по модели

Уменьшение температуры теплоносителя (рис. 3, а) и увеличение разности температуры теплоносителя t2 (рис. 3, б) приводит к снижению энергопотребления системой.

На основании теоретических исследований определены рациональные режимные характеристики ТСТ при использовании различных источников низкопотенциальной теплоты.

В качестве примера приводится исследование ТСТ, использующей теплоту массива грунта. Функцией отклика является энергопотребление системы

(10)

где tб – бивалентная температура, °C; – расчетная температура теплоносителя первичного контура на входе в испаритель, °C; t1, t2 – расчетная разность температуры теплоносителя соответственно первичного и вторичного контуров, °C.

В результате эксперимента получена регрессионная зависимость, описывающая энергопотребление ТСТ, использующей теплоту массива грунта

(11)

Рациональное энергопотребление достигается при минимальной температуре бивалентности и температуре теплоносителя , а также при разности температуры теплоносителя = 4,7…5,2 °C и = 10,0 °C.

В пятой главе проведены исследования экономической эффективности применения ТСТ при использовании теплоты массива грунта, грунтовых вод и вод водоемов, а также экономическая оценка целесообразности использования ТСТ по сравнению с другими системами теплоснабжения.

Капиталовложения (руб) в оборудование определяются по формулам:

• при использовании теплоты грунтовых вод

(12)

• при использовании теплоты вод водоемов и массива грунта

(13)

где индексы СО, ГВС, ПК, РК соответственно обозначают контур системы отопления, ГВС, первичный и распределительный; КТН – стоимость теплового насоса; Кто – стоимость устройства теплообменника первичного контура; Кскв – стоимость устройства скважины; Кскв.н – стоимость скважинного насоса; Кц.н – стоимость циркуляционного насоса; Кпик.н – стоимость пикового электронагревателя; Ктр – стоимость трубопроводов; КБА – стоимость бака-аккумулятора.

Для определения всех составляющих, входящих в выражения (12) и (13), путем аппроксимации данных производителей оборудования были получены математические зависимости средней стоимости оборудования от его основной технической характеристики (мощности насосного, теплового оборудования, объема аккумулирующих емкостей и т.д.).

Эксплуатационные затраты (руб) определяются как

(14)

где Тсл – расчетный период, год; Е – энергопотребление ТСТ, кВтч/год; wэл – базовый тариф на электрическую энергию, руб/кВтч; rэл – средний годовой рост тарифа на электроэнергию, %; r – расчетная норма дисконта; эобсл – годовые затраты на обслуживание системы теплоснабжения, руб/год.

Рационализация режимных и технологических характеристик ТСТ должна отвечать требованиям экономической эффективности, поэтому были проведены теоретические исследования влияния главных факторов на показатели экономической эффективности.

Функции отклика на примере использования массива грунта имеют вид

(15)

где ДЗ – дисконтированные затраты, руб; СО – срок окупаемости, год; ИД – индекс доходности инвестиций; qто – линейный тепловой поток с одного метра грунтового теплообменника, Вт/м.

В результате численных экспериментов получены следующие регрессионные зависимости:

дисконтированные затраты

(16)

срок окупаемости

(17)

индекс доходности

(18)

В полученных уравнениях факторы и tб относятся к режимным характеристикам ТСТ, поэтому на их основе были построены графические зависимости экономических показателей. На рис. 5 приведены зависимости срока окупаемости ТСТ от бивалентной температуры tб и расчетной температуры теплоносителя в подающем трубопроводе системы отопления .

Полученные регрессионные зависимости позволяют определить целесообразный вариант использования источника теплоты и рациональные значения режимных характеристик и tб (табл. 2), при которых достигается максимальная экономическая эффективность инвестиционного проекта теплоснабжения.

Рис. 5. Изменение срока окупаемости в зависимости от температуры теплоносителя

в подающем трубопроводе системы отопления (а) и температуры бивалентности (б)

Таблица 2

Рациональные значения режимных характеристик при использовании

различных источников теплоты

Критерий оценки	Грунтовые воды		Воды водоемов		Массив грунта
	,°С	tб, °С	,°С	tб, °С	,°С	tб, °С
ДЗmin	35,0	35,0…24,0	35,0	35,0…23,5	43,2	25,6…21,8
СОmin	35,0	29,1…16,1	35,0	15,9…0,6	49,8	12,0…+8,0
ИДmax	44,5…48,5	27,9	47,2	28,0…16,1	47,5	17,9…1,0

Найденные на основании регрессионных зависимостей режимные характеристики ТСТ позволяют определить соответствующие им рациональные технологические характеристики оборудования системы: объем аккумулирующих емкостей, мощность насосного оборудования, теплопроизводительность ТН, тепловая нагрузка на первичный контур, мощность дополнительных нагревателей вторичного контура и др.

Экономическая оценка целесообразности использования ТСТ по сравнению с другими системами теплоснабжения произведена по величине срока окупаемости. Для исследования выбрана система теплоснабжения типового проекта малоэтажного жилого здания с расчетной тепловой нагрузкой 15 кВт. Анализ проведен по отношению к ТСТ, использующей теплоту массива грунта, при различной температуре бивалентности и удаленности от инженерных коммуникаций.

Эксплуатационные затраты при использовании ТСТ выше, чем при централизованном теплоснабжении и теплоснабжении на основе котельных установок, работающих на природном газе. Это объясняется высокой стоимостью электрической энергии, потребляемой ТСТ. В этом случае применение ТСТ может быть целесообразно лишь при более высоких капитальных затратах, связанных с прокладкой трубопроводов до абонента и его подключения к соответствующей сети, для сравниваемых вариантов систем теплоснабжения. Поэтому при оценке целесообразности применения систем удобно использовать величину протяженности трубопровода от абонента до ближайшей точки подключения к тепловой или газовой сети.

В результате анализа получены значения срока окупаемости систем на основе централизованного теплоснабжения (см. рис. 6, а); котельных установок, работающих на природном газе (см. рис. 6, б) и сжиженных углеводородных газах (см. рис. 6, в) в зависимости от удаленности объекта от инженерных коммуникаций l и температуры бивалентности tб. На рис. 6, г показано изменение срока окупаемости ТСТ относительно системы на основе котельной установки, использующей электрическую энергию, в зависимости от температуры бивалентности.

Рис. 6. Срок окупаемости систем теплоснабжения

при использовании различных источников теплоты

В сравнении с теплоснабжением от централизованных сетей и котельных установок, работающих на природном газе, применение ТСТ позволяет достичь лучших экономических показателей для абонентов, удаленных от тепловых и газовых сетей соответственно не менее чем на 2500 м и 1200 м (см. рис. 6, а, б).

Использование теплогенерирующих установок на сжиженных углеводородных газах по сравнению с ТСТ при бивалентной температуре tб +1,5 °С является экономически нецелесообразным (см. рис. 6, в).

Эффективность применения ТСТ по сравнению с системами на основе котельных установок, работающих на электрической энергии, выше, поскольку ТСТ позволяет окупить себя в течение срока службы при любом значении бивалентной температуры (см. рис. 6, г).

ОСНОВЫЕ ВЫВОДЫ

В результате выполнения комплекса исследований решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в совершенствовании режимных и технологических характеристик системы теплоснабжения при использовании источников низкопотенциальной теплоты.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований предложена модернизированная схема ТСТ малоэтажного жилого здания и разработано ее технологическое оснащение, позволяющее повысить эффективность работы системы теплоснабжения. Установлено, что использование предлагаемых решений позволяет снизить энергопотребление системой на 20 %.
2. Разработаны алгоритмы, математические модели и программное обеспечение прогнозирования энергопотребления ТСТ при использовании различных вариантов природных источников теплоты (массива грунта, грунтовых вод и вод водоемов) в зависимости от изменения режимных и технологических характеристик системы.
3. Подтверждена удовлетворительная сходимость результатов натурного эксперимента с результатами расчетов по математической модели. Относительное отклонение теоретических значений энергопотребления ТСТ от полученных при натурном эксперименте не превышает 10 %, что является вполне приемлемым.
4. Получены зависимости, характеризующие энергопотребление ТСТ для различных вариантов использования природных источников. Установлено, что минимальное энергопотребление достигается при разности температуры теплоносителя в системе напольного отопления t2 = 10,0 °C. При использовании теплоты вод водоемов и массива грунта рациональное значение разности температуры теплоносителя первичного контура t1 составляет 4,7…5,2 °C, а при использовании теплоты грунтовых вод t1 = 5,0…10,0 °C.
5. Установлены зависимости критериев экономической эффективности (ДЗ, СО, ИД) от основных режимных характеристик системы теплоснабжения. Определены рациональные значения режимных характеристик температуры бивалентности tб и температуры теплоносителя , при которых наблюдается экстремумы экономических показателей и достигается максимальная экономическая эффективность инвестиций в ТСТ.
6. Установлена целесообразность использования ТСТ по сравнению с системами на основе централизованного теплоснабжения, котельных установок, работающих на природном газе, сжиженных углеводородных газах и электрической энергии.
7. Разработаны и внедрены на предприятиях ЗАО «АСВ» и ОАО «ПЗСП», г. Пермь системы теплоснабжения на основе рекомендаций по выбору схемы ТСТ для малоэтажных жилых зданий, а также рациональных режимных и технологических характеристик системы теплоснабжения. Суммарный экономический эффект внедрения одной системы составил 515637 рублей.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ОТРАЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях определенных ВАК РФ:

1. Гришков, А. А. Совершенствование режимных и технологических характеристик систем теплоснабжения малоэтажных жилых зданий на основе источников низкопотенциальной теплоты / А. А. Гришков // Вестник Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Строительство и архитектура. Волгоград : ВолгГАСУ, 2009. Вып. 15 (34). – С. 123–129.
2. Гришков, А. А. Совершенствование выбора параметров теплоносителей в системах теплоснабжения малоэтажных жилых зданий при использовании тепловых насосов / А. А. Гришков // Известия высших учебных заведений. Строительство. Новосибирск : НГАСУ, 2009. N 9 (609). – С. 59–63.

Публикации в других изданиях:

3. Гришков, А. А. Эффективность использования низкопотенциальной теплоты вод водоемов для теплоснабжения малоэтажных жилых зданий / А. А. Гришков // Наука и технологии : краткие сообщ. XXIX Рос. шк. Екатеринбург: УрО РАН, 2009. – С. 113–115.
4. Гришков, А. А. Определение оптимальных параметров оборудования и работы систем теплоснабжения с применением тепловых насосов / А. А. Гришков // Качество внутреннего воздуха и окружающее среды : матер. VII Междунар. науч. конф. Волгоград : ВолгГАСУ, 2009. – С. 219–223.
5. Гришков, А. А. Исследовательская установка для определения энергетического потенциала грунтового массива и заглубленных строительных конструкций при использовании теплонасосных систем в целях климатизации зданий / А. А. Гришков, А. И. Бурков, В. М. Кротов // Качество внутреннего воздуха и окружающей среды : матер. VII Междунар. науч. конф. Волгоград : ВолгГАСУ, 2009. – С. 243–249.
6. Гришков, А. А. Оптимизация параметров работы системы отопления с использованием теплового насоса для индивидуальной жилой застройки в климатических условиях Пермского края / А. А. Гришков, А. И. Бурков // Строительство, архитектура. Теория и практика : матер. науч.-практ. конф. – Пермь : ПГТУ, 2008. – С. 192–195.
7. Гришков, А. А. Оценка эффективности использования низкопотенциальной теплоты грунтовых вод для теплоснабжения малоэтажных жилых зданий / А. А. Гришков // Современные технологии в строительстве. Теория и практика : матер. науч.-практ. конф. – Пермь : ПГТУ, 2009. – С. 180–183.
8. Гришков, А. А. Модель работы теплового насоса в системе теплоснабжения жилого здания с использованием системы низкотепературного отопления / А. А. Гришков // Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции : матер. III Междунар. науч.-техн. конф.– М. : МГСУ, 2009. – С. 156–158.
9. Гришков, А. А. Применение тепловых насосов в системах теплоснабжения жилых зданий – один из путей снижения энергозатрат / А. А. Гришков // Строительство и образование. – Екатеринбург : УГТУ, 2009. – N 12. – С. 235–238.

ГРИШКОВ АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РЕЖИМНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

МАЛОЭТАЖНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ

ИСТОЧНИКОВ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОТЫ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция,

кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Подписано в печать 06.09.10. Формат 6090/16.

Усл. печ. л. 1,0.

Тираж 100 экз. Заказ № 1133/2010.

Издательство

Пермского государственного технического университета.

Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.

Тел. (342) 219-80-33.