10 лекция. 21 Требований к энергетическому паспорту. При этом тдм делятся на три группы
 Скачать 1.04 Mb.
|
|
6.3.1 Классификация систем отопления По способу подачи воды системы теплоснабжения разделяются на закрытые и открытые, двух- и четырехтрубные и другие. В закрытых системах теплоснабжения вода из теплосети не отбирается, а используется только как теплоноситель в водо-водяных теплообменниках для подогрева холодной водопроводной воды, поступающей в систему горячего водоснабжения. Главные преимущества закрытой системы теплоснабжения: стабильное качество горячей воды и простота контроля плотности системы. Основные недостатки – сложность оборудования и эксплуатации абонентских вводов горячего водоснабжения; коррозия установок из-за поступления в них водопроводной воды, а также образование накипи и шлама в трубопроводах горячего водоснабжения [10]. В открытых системах теплоснабжения вода забирается непосредственно из тепловой сети и подается в систему горячего водоснабжения. Котельная установка в этом случае имеет дополнительные элементы: бак аккумулятор для создания запаса воды на горячее водоснабжение в часы максимального потребления, перекачивающие насосы и др. Основные преимущества открытых систем теплоснабжения: простые и недорогие абонентские вводы горячего водоснабжения, их долговечность; возможность использования однотрубных линий. Недостатки открытых систем теплоснабжения: усложнение и удорожание оборудования водоподготовки и подпиточных устройств; нестабильность воды, поступающей на горячее водоснабжение по санитарным показателям (цветность, запах); усложнение контроля утечек теплоносителя и герметичности системы [10]. Двухтрубные системы теплоснабжения имеют общий подающий трубопровод горячей воды для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения и общий обратный трубопровод и применяются в основном при тепловых нагрузках более 58 МВт. Четырехтрубные системы теплоснабжения применяются при нагрузках до 58 МВт и при небольшом радиусе расположения потребителей. Котельная имеет две водонагревательные установки: одна – для подогрева воды системы отопления и вентиляции, другая – для подогрева воды системы горячего водоснабжения. Тепловые потребители могут присоединяться непосредственно к тепловым сетям через центральные тепловые пункты (ЦТП) или индивидуальные тепловые пункты (абонентские вводы), в которых 220 осуществляется приготовление и подача горячей воды нужных параметров для целей отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. В закрытых системах теплоснабжения подача холодной воды на горячее водоснабжение осуществляется через водо-водяные теплообменники, в которых водопроводная вода подогревается до температуры +60...65 °С. В открытых системах теплоснабжения вода на горячее водоснабжение отбирается непосредственно из тепловой сети. Системы отопления присоединяют к теплосети по одной из схем [5]: • независимой – нагрев воды осуществляется в теплообменнике; • зависимой, при непосредственном подключении к теплосети; • с подключением через элеватор, в котором смешивается вода из подающего и обратного трубопроводов и достигается нужная температура воды, идущей на отопление; • с установкой подмешивающего насоса на перемычке между подающей и обратной линией. Тепловые нагрузки отопления, вентиляции, горячего водоснабжения в теплосетях регулируют централизованно с помощью изменения [5]: • температуры воды в подающем трубопроводе теплосети без регулирования расхода воды (качественное регулирование); • расхода сетевой воды при сохранении постоянной температуры воды в подающем трубопроводе (количественное регулирование); • температуры воды в подающем трубопроводе теплосети с соответствующим изменением расхода воды (качественно-количественное регулирование). Для корректирования регулирования (центрального) в тепловых сетях проводится дополнительно групповое местное регулирование на центральных тепловых пунктах, тепловых пунктах зданий, а также местное, индивидуальное регулирование на отдельных приборах. В рассматриваемых тепловых схемах котельных в тепловых сетях принято качественное регулирование тепловой нагрузки. Потребителей теплоты по надежности теплоснабжения делят на потребителей первой и второй категорий. К первой категории относятся потребители, нарушение теплоснабжения которых связано с опасностью для жизни людей или со значительным ущербом народному хозяйству, ко второй категории – все остальные потребители. Котельные по надежности отпуска теплоты потребителям разделяются также на две категории. К первой категории относятся котельные, являющиеся единственным источником теплоты системы теплоснабжения и обеспечивающие потребителей первой категории, не имеющих индивидуальных источников теплоты, ко второй – все остальные котельные. 221 6.3.2 Примеры разводки труб в системах отопления При организации системы отопления важным моментом является выбор типа разводки труб. Все квартирные приборы теплоснабжения (или водоснабжения) соединяются с общей системой дома по определенной схеме. От того, как разводка выполнена, зависит очень многое. Во-первых, разводка может быть вертикальной или горизонтальной. При вертикальной разводке основная труба спрятана в подвале, а от нее идет через квартиры много вертикальных труб меньшего диаметра. Такая разводка проще и дешевле горизонтальной. Рассмотрим ее варианты. Она может быть однотрубной и двухтрубной. Однотрубная вертикальная система отопления [10]: Рис. 6.1 Однотрубная вертикальная система отопления с верхней разводкой Здесь подающая магистраль проходит по чердаку или под потолком верхнего этажа, а теплоноситель поступает в нагревательные приборы последовательно по вертикальным стоякам. Основное преимущество такой схемы - небольшой расход труб. 222 Что касается недостатков, то это и невозможность отключения отдельных нагревательных приборов, и невозможность регулировки, и перерасход нагревательных приборов. Если при однотрубной разводке вода бежит по одному цельному контуру через все радиаторы, то при двухтрубной системе идёт два стояка: из одного вода поступает в радиатор, а в другой уходит. Подобные системы (нерегулируемые, без замыкающих участков) применяются, если необходимо обеспечить естественную циркуляцию теплоносителя. Двухтрубная вертикальная система отопления с нижней разводкой [10]: Рис. 6.2 Двухтрубная вертикальная система отопления с нижней разводкой При двухтрубной системе отопления с нижней разводкой подающая и обратная магистрали проходят в полу или над полом нижнего этажа, а теплоноситель поступает независимо в каждый радиатор. К преимуществам этого типа разводки можно отнести хорошую регулировку системы, возможность отключения каждого нагревательного прибора, возможность поэтажного подключения системы по мере строительства здания, отсутствие перерасхода отопительных приборов, а также отсутствие на верхнем этаже стояков и подающей магистрали. Главный недостаток - увеличивается протяженность трубопроводов по сравнению с однотрубной схемой. Другой недостаток – практическая невозможность установки квартирных теплосчётчиков, хотя на таких 223 домах ставят общедомовые теплосчётчики, что жильцам намного выгоднее по первичным затратам. При горизонтальной разводке труб основная труба идет сквозь все этажи, и на каждый этаж через все комнаты отдельных квартир от нее идут горизонтальные трубы. При горизонтальной разводке основную трубу необходимо утеплять, например, организовав для нее специальную шахту. Горизонтальные однотрубные схемы используются редко, у них довольно узкая область применения, в основном, для обогрева больших помещений, поэтому здесь рассмотрим варианты двухтрубной разводки. Двухтрубная горизонтальная (поэтажная) система отопления с разводкой по периметру [10]: Рис. 6.3 Двухтрубная горизонтальная система отопления Как можно увидеть на рисунке, от главного стояка магистральные подающий и обратный трубопроводы прокладываются по периметру каждого этажа. Краны для выпуска воздуха устанавливаются на всех нагревательных приборах. Такая схема имеет преимущества, аналогичные двухтрубной вертикальной системе, плюс стояки отсутствуют на всех этажах (кроме главного стояка). Здесь возможно поэтажное отключение системы отопления и применение радиаторов с нижним подключением, что, наряду с прокладкой магистральных трубопроводов в конструкции пола или в плинтусе, позволяет максимально уменьшить количество открытых труб и улучшить эстетику интерьера помещений. Здесь без проблем используются квартирные теплосчётчики. Есть у такой системы и недостатки. Во-первых, это необходимость применения компенсаторов при длинных ветках. А во-вторых, происходит усложнение эксплуатации 224 ввиду наличия воздушных кранов на каждом нагревательном приборе. Рассмотрим еще одну схему. Двухтрубная поэтажная система отопления с коллекторами на каждом этаже [10]: На главном стояке (или нескольких стояках, если нагревательных приборов много) на каждом этаже располагаются коллекторы - подающий и обратный. От коллекторов подающие и обратные трубопроводы подводятся к каждому радиатору на этаже. Такая система применяется при использовании металлопластиковых труб. Она имеет все преимущества двухтрубных горизонтальных систем отопления. Ее недостаток - большая протяженность подводящих трубопроводов. Но он компенсируется тем, что сокращается количество соединений труб. Коллекторная схема, кроме того, позволяет легко увязать отдельные отопительные приборы по давлению. Сегодня такая система приобретает все большую популярность в индивидуальном строительстве. Рис. 6.4 Двухтрубная поэтажная коллекторная система отопления 225 6.3.3 Использование тепловых насосов в системах отопления Продолжающееся сокращение ресурсов жидкого и газообразного топлива вызвало необходимость не только интенсифицировать исследования по во влечению в топливно-энергетический баланс "нетрадиционных" источников тепла, но и заставило вернуться к рассмотрению достаточно хорошо в свое время изученных технологических возможностей и способов теплоснабжения, например, от теплонасосных установок. Быстрый прогресс в области теплоэнергетического и холодильного машиностроения привел в настоящее время к тому, что теплоснабжение при помощи тепловых насосов представляет собой рациональный метод электрификации, который может привести к значительной экономии топлива. В нашей стране теплоснабжение ориентировалось на централизованную систему отопления, которая имеет свои преимущества и недостатки. Однако теплоснабжение в условиях России с ее продолжительными и суровыми зимами требует весьма больших затрат топлива, которые превосходят почти в 2 раза затраты на электроснабжение. Основными недостатками традиционных источников теплоснабжения являются низкая энергетическая, экономическая и экологическая эффективность. Нельзя не учитывать и такой серьезный термодинамический недостаток, как низкий эксергетический КПД использования химической энергии топлива для систем теплоснабжения, который в системах отопления составляет 6-10%. Чрезвычайно велики затраты на тепловые сети, которые являются, вероятно, самым ненадежным элементом в системах централизованного теплоснабжения (строительство и поддержание тепловых сетей в рабочем состоянии требует затрат, соизмеримых со стоимостью ТЭЦ или районных котельных). Тепловые насосы в силу того, что они избавлены от большинства перечисленных недостатков централизованного теплоснабжения, нашли широкое применение за рубежом. Теплонасосные установки широко распространенны во многих развитых странах мира, поскольку позволяют экономить дорогостоящее топливо и снижать вредное воздействие объектов энергетики на окружающую среду. Они выпускаются и широко используются в США, Японии, Германии, Франции, Швеции и других странах. Зарубежный опыт наглядно убеждает в том, что применение теплонасосных установок является экономически оправданным, перспективным направлением в теплоснабжении. Возникает вопрос – каковы перспективы использования тепловых насосов в системах отопления и горячего водоснабжения России, почему столь экономичный 226 агрегат не нашел широкого применения в нашей стране? Каковы причины этого парадокса и как постараться исправить сложившуюся ситуацию? В настоящее время создано и эксплуатируется большое число тепловых насосных установок, отличающихся по тепловым схемам, рабочим телам и по используемому оборудованию. По обозначению различных классов установок в известных нам литературных источниках нет единого установившегося мнения, встречаются различные обозначения и термины. В связи с этим важное значение приобретает классификация установок, позволяющая проводить рассмотрение их характеристик в соответствии с той или иной группой. Все типы тепловых насосных установок можно классифицировать по ряду сходных признаков. Каждый из них отражает только одну характерную особенность установки, поэтому в определении теплонасосной установки может быть два и более признака. Классификацию теплонасосных установок следует осуществлять прежде всего по циклам их работы. Можно выделить несколько основных типов тепловых насосов [2]: газовые тепловые насосы; струйные тепловые насосы; сорбционные тепловые насосы (абсорбционные и резорбционные); термоэлектрические тепловые насосы; компрессионные тепловые насосы. Все тепловые насосы по принципу взаимодействия рабочих тел можно объединить в две основные группы: открытого цикла, в которых рабочее тело забирается и отдается во внешнюю среду; замкнутого цикла, в которых рабочее тело движется по замкнутому контуру, взаимодействуя с источником и потребителем теплоты лишь посредством теплообмена в аппаратах поверхностного типа. Наиболее широкое распространение получили компрессионные тепловые насосы. Кратко остановимся на принципе их работы. Теплонасосные установки (ТНУ) используют естественную возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды (воды, воздуха, грунта) и повышают потенциал основного теплоносителя до более высокого уровня, затрачивая при этом в несколько раз меньше первичной энергии или органического топлива. Теплонасосные установки работают по термодинамическому циклу Карно, в котором рабочей жидкостью служат низкотемпературные жидкости (аммиак, фреон и др.). Перенос теплоты от источника низкого потенциала на более высокий температурный уровень осуществляется подводом механической энергии в 227 компрессоре (парокомпрессионные ТНУ) или дополнительным подводом теплоты (в абсорбционных ТНУ). Применение ТНУ в системах теплоснабжения – одно из важнейших пересечений техники низких температур с теплоэнергетикой, что приводит к энергосбережению невозобновляемых источников энергии и защите окружающей среды за счет сокращения выбросов СО 2 и NO x в атмосферу [2]. Применение ТНУ весьма перспективно в комбинированных системах теплоснабжения в сочетании с другими технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергии) и позволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наиболее высоких экономических показателей. Выберем в качестве рабочего хладагента – R22, имеющего следующие параметры: расход хладагента G а = 0,06 кг/с; температура кипения Т 0 = 3°С; температура конденсации Т к = 55 °С; температура теплоносителя на входе в испаритель от источника низкого потенциала t′ н = 8 °С; температура теплоносителя (воды) на выходе из конденсатора t′′ в = 50 °C; расход теплоносителя в конденсаторе G к = 0,25 кг/с; перепад температур теплоносителя в конденсаторе ∆t в = 15 °C; мощность, потребляемая компрессором, N э = 3,5 кВт; теплопроизводительность ТНУ Q тн = 15,7 кВт; коэффициент преобразования µ тн = 4,5. Принципиальная схема парокомпрессионной ТНУ приведена на рис. 6.5 и включает испаритель, компрессор, конденсатор и дроссель [2]. В бак испарения 6 поступает тепловая энергия низкого потенциала Q 0 из окружающей среды при t′ н = 8 °С. Преобразование рабочей жидкости R22 (аммиака или фреона) теплового насоса в пар происходит в змеевике испарения хладагента 5 при пониженном давлении Р 1 и пониженной температуре Т 0 = 3 °С. Компрессор 1 всасывает из испарителя насыщенный пар со степенью сухости x 1 ≈ 1 и сжимает пар до давления Р 2 . При сжатии хладагента энтальпия i и температура пара повышаются до Т к = 55 °С, а затрачиваемая работа A l = ∆i, кДж/кг. Пар с температурой Т к = 55 °С подается в змеевик конденсации хладагента 2, где тепловая энергия пара передается другому теплоносителю (воде) бака конденсации 3 (схема а) или воздуху (схема б), после чего пар конденсируется при неизменном давлении Р 2 Коэффициент трансформации этого идеального цикла: где q к – теплота конденсации, кДж/кг; A l – работа сжатия, кДж/кг; Т к и Т 0 – температура конденсации и испарения хладагента, °С. 228 Рис. 6.5. Принципиальная схема ТНУ с электроприводом: а – схема ТНУ для системы горячего водоснабжения; б – схема ТНУ для воздушного отопления или сушки; пар; смесь пара и жидкости; жидкость; 1 – компрессор; 2 – змеевик конденсации хладагента; 3 – бак конденсации; 4 – расширительный дроссельный клапан; 5 – змеевик испарения хладагента; 6 – бак испарения; 7 – вода низкопотенциального источника энергии (НИЭ); 8 – сток к НИЭ; 9 – вода из системы отопления или водопровода; 10 – вода на отопление или горячее водоснабжение; 11 – вентилятор В дроссельном клапане 4 происходит понижение давления от Р 2 до Р 1 , жидкий хладагент частично испаряется и образуется парожидкостная смесь со степенью сухости x 0 ≈ 0,05, а в процессе дросселирования (при i = const) температура хладагента снижается от Т к = 55 °С до Т 0 = 3 °С. Парожидкостная смесь поступает в змеевик испарения хладагента 5, где, получая теплоту от источника с низким потенциалом, вновь испаряется, и цикл повторяется. Таким образом, в ТНУ реализуется непрерывный круговой процесс переноса теплоты с более низкого температурного уровня на более высокий (к теплоносителю). Для этого подводится энергия извне, которая затрачивается на повышение давления 229 парообразного рабочего вещества (хладагента). Причем затраченная энергия может быть электрическая, тепловая и любая другая. Количество теплоты, отнятой от источника с низким потенциалом (НИЭ), в идеальном цикле ТНУ равно теплоте испарения жидкого хладагента, поступившего в испаритель: q и = r(x 1 − x 0 ), кДж/кг, где r – теплота парообразования. Холодильный коэффициент этого цикла где q и – теплота испарения хладагента, кДж/кг. Для идеального (теоретического) цикла ТНУ и без учета потерь теплоты выполняется соотношение µ с = ε с + 1. Мерой энергетической эффективности реальной ТНУ служит коэффициент преобразования энергии µ тн , характеризующий отношение отданной потребителю теплоты Q к к затраченной (механической или электрической) энергии N э . Оценки показывают, что для удачно спроектированных систем теплоснабжения коэффициент µ тн изменяется от 2,5 до 6…8, а при µ тн > 2,5…3 использование ТНУ может оказаться выгоднее, чем теплоснабжение от ТЭЦ и индивидуальных котельных. Количество переданной потребителю полезной теплоты, или теплопроизводительность ТНУ зависит от расхода теплоносителя G к , кг/с, средней массовой изобарной теплоемкости с к , кДж/(кг⋅К) и перепада температур ∆t в , °C. Так, при нагреве воды по схеме а (рис. 6.5) При нагреве воздуха по схеме б (рис. 4.1), когда расход холодного воздуха G к = 0,5 кг/с, теплоемкость с к = 1 кДж/(кг ⋅ К) и перепад температур ∆t в = 25 °C, теплопроизводительность ТНУ составит Коэффициент преобразования энергии µ тн , характеризующий отношение отданной потребителю теплоты Q к к потребляемой компрессором электрической энергии N э = 3,5 кВт, составит соответственно: • для воды µ тн = Q к /N к = 15,7/3,5 = 4,5; • для воздуха µ тн = Q к /N к = 12,5/3,5 = 3,6. Следовательно, если на механическую работу компрессора расходуется 1 кВт электроэнергии, то в систему теплоснабжения передается 4,5 кВт теплоты, т.е. в несколько раз больше, чем при чисто электрическом отоплении. Работа электрического компрессора теплового насоса позволяет потреблять в несколько раз меньше электрической энергии, если бы нагревали теплоноситель системы теплоснабжения в теплообменнике простым электрическим нагревателем. Парокомпрессионные тепловые насосы (ПТН) с приводом от теплового двигателя (газовой турбины или дизеля) оказываются еще более экономичными. Хотя КПД этих двигателей не превышает 35 %, при работе 230 в составе ТНУ может быть утилизирована и направлена в общий поток нагреваемой ТНУ среды большая часть потерь, которые воспринимаются охлаждающей двигатель жидкостью и выхлопными газами. В результате коэффициент использования первичной энергии привода возрастает в 1,5 раза, а экономичность ТНУ обеспечивается при µ тн > 2. По конструкции, принципу действия, составу оборудования, используемым рабочим телам ТНУ практически не отличаются от широко распространенных холодильных машин. Тепловые насосы в сравнении с холодильными машинами работают в диапазоне более высоких рабочих температур. Особенно выгодно применение тепловых насосов (ТН) при одновременной выработке теплоты и холода, что может быть реализовано в ряде промышленных и сельскохозяйственных производств, а также в системах кондиционирования воздуха. В условиях реальной рыночной экономики тепловые насосы имеют перспективу теплоэнергоснабжения в основных областях хозяйства: жилищно-коммунальном секторе, на промышленных предприятиях, в курортно-оздоровительных и спортивных комплексах, сельскохозяйственном производстве. 6.3.4 Децентрализованные системы отопления зданий и сооружений Последние два десятилетия энергетическая политика в России характеризовалась бурным ростом доли децентрализованного теплоснабжения в общем объеме обеспечения функционирования теплопотребляющих систем зданий различного назначения. Понятие «децентрализованное» в данном случае подразумевает обеспечение этих систем теплоносителем (как правило, горячей водой) от собственного теплогенератора (водяного котла), установленного непосредственно на потребляющем теплоту объекте. Это может быть отдельное здание или комплекс функционально связанных строительных объектов. Теплогенератор (один или несколько) со всем необходимым другим технологическим оборудованием в этом случае размещается в специальном помещении (в котельной), расположенном в самом здании или в непосредственной близости от обслуживаемого объекта. Помимо этого осуществляется проектирование системы отопления на основе различного оборудования [4, 5, 10]. Широкое распространение децентрализованного теплоснабжения в настоящее время в России объясняется несколькими причинами. Во- первых, это значительный рост индивидуального пригородного жилищного строительства. Как это принято на Западе, одноквартирный жилой дом (коттедж) и в России, как правило, оснащается собственным теплогенератором. Во-вторых, из-за возросшей, чаще всего, точечной застройки в крупных городах возникает проблема теплоснабжения новых зданий от существующих городских централизованных тепловых сетей, |