NetNado
  Найти на сайте:

Учащимся

Учителям



Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии


О ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ГРУНТОВ
При эксплуатации систем тепло-хладоснабжения, использующих теплоаккумуляционные свойства грунта поверхностных слоев Земли, необходимо учитывать, что грунтовый массив, находящийся в пределах зоны теплового влияния системы теплосбора, вследствие сезонного изменения параметров наружного климата, а также под воздействием эксплуатационных нагрузок, как правило, подвергается многократному замораживанию и оттаиванию. При этом происходит изменение агрегатного состояния влаги, заключенной в порах грунта, которая, в общем случае, может находиться в жидкой, твердой и газообразной фазах одновременно. Грунтовый массив системы теплосбора, включая влагу, независимо от состояния, в котором он находится (в мерзлом или талом), представляет собой сложную трехфазную полидисперсную гетерогенную структуру, скелет которой образован огромным количеством твердых частиц разнообразной формы и величины и может быть как жестким, так и подвижным.

Моделирование процессов тепломассопереноса, участвующих в формировании теплового режима многокомпонентной системы, требует учета и математического описания разнообразных механизмов их осуществления: теплопроводности в отдельной частице, теплопередачи от одной частицы к другой при их контакте, молекулярной теплопроводности в среде, заполняющей промежутки между частицами, конвекции пара и влаги, содержащихся в поровом пространстве и многих других. При моделировании теплового режима систем необходимо также учитывать химико-минералогическую природу грунтового скелета, его механическую структуру, количественные соотношения между фазами среды, заполняющей промежутки между твердыми частицами скелета, и их взаимное расположение в поровом пространстве, а также многие другие физико-химические параметры грунтового массива.

Разработанный ОАО "ИНСОЛАР-ИНВЕСТ" метод математического моделирования основан на сопоставлении двух задач: о нестационарном тепловом режиме системы теплосбора при ее эксплуатации и о естественном тепловом режиме грунтового массива системы теплосбора.

Использование данного метода при построении математических моделей теплового режима систем сбора низкопотенциального тепла грунта позволяет не только обойти трудности, связанные с аппроксимацией внешних воздействий на систему, но и использовать в качестве решения базовой задачи достоверные, экспериментально полученные данные о естественном тепловом режиме грунта. Это является преимуществом данного метода в сравнении с традиционным подходом к моделированию тепловых процессов, поскольку позволяет частично учесть в модели весь комплекс факторов (таких как наличие грунтовых вод, их скоростной и тепловой режимы, структуру и расположение слоев грунта, "тепловой фон" Земли, атмосферные осадки, фазовые превращения влаги в поровом пространстве и многих других), влияющих на формирование теплового режима системы теплосбора.

На основе описанного метода разработан комплекс компьютерных программ, моделирующих пространственный нестационарный тепловой режим систем сбора низкопотенциального тепла грунта в процессе многолетней эксплуатации.

Проведенные с помощью этого комплекса численные эксперименты показали, что потребление тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое в почвенно-климатических условиях большей части территории России не успевает компенсироваться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. В течение следующего отопительного сезона происходит дальнейшее снижение температуры грунта, так далее...

Однако, начиная с пятого года эксплуатации, многолетнее потребление тепловой энергии из грунтового массива системы теплосбора сопровождается периодическими изменениями его температуры.

В связи с этим, при проектировании систем теплохладоснабжения, использующих тепло грунта, представляется необходимым учет падения температур грунтового массива, вызванного многолетней эксплуатацией системы теплосбора, и использование в качестве расчетных параметров, температур грунтового массива, ожидаемых на 5-ый год эксплуатации.

Правильность геокриологического прогноза и оценки количественной интенсивности теплового и механического взаимодействия массивов пород с различного рода сооружениями во многом определяются качеством вводимой информации о теплофизических свойствах пород, о фазовом составе влаги в них, величине температуры замерзания (оттаивания).

Коэффициент теплопроводности  (Вт/(м · °К)) характеризует способность материала (породы) проводить тепло, а объемная Cp (Дж/(м · °К)) или удельная (весовая) теплоемкость C (Дж/кг · °К)) и коэффициент температуропроводности a2/с) - тепловую инерцию и инерцию изменения температурного поля соответственно.

В термодинамическом плане мерзлые породы есть многофазные и многокомпонентные системы. К основным компонентам пород относятся: органоминеральный скелет, поровый раствор и поровый газ. Вода может находиться в жидкой, твердой и газообразной фазах. Поскольку теплоемкость есть величина аддитивная, то теплоемкость породы складывается из теплоемкостей ее составляющих. Таким образом, теплоемкость грунта есть сумма теплоемкостей минералов, из которых сложен скелет грунта, органической составляющей, воды (для влажных грунтов) или водного раствора солей (для засоленных грунтов), льда (для мерзлых грунтов) и газовых включений грунта.

Теплопроводность грунтов, определяется соотношением твердой, жидкой и газообразной составляющих, их химико-минеральным составом, структурными и текстурными особенностями (дисперсностью, пористостью, слоистостью и др.), влажностью, агрегатным состоянием воды и температурой.

Многочисленные экспериментальные исследования, выполненные на дисперсных грунтах нарушенного и естественного сложения, показали уменьшение теплопроводности пород с увеличением их дисперсности в следующей последовательности: крупнообломочные; песчаные; супесчаные; лессовые; суглинистые; глинистые. Возрастание дисперсности сопровождается ростом гидрофильности и ультрапористости, определяющих фазовый состав мерзлых пород, причем процентное содержание незамерзшей воды увеличивается в последовательности, аналогичной приведенному ряду по дисперсности.

Минеральный состав дисперсных пород в целом оказывает влияние на их теплопроводность, хотя и проявляется это лишь через факторы строения породы.

Существенное влияние на теплопроводные свойства горных пород оказывает их плотность, а также любое нарушение сплошности. Коэффициент теплопроводности выше у более плотных, менее пористых пород, так как уплотнение породы сопровождается увеличением доли более теплопроводного скелета, а также улучшением качества контактов между частицами. Эта закономерность подтверждена экспериментальными данными для дисперсных пород различного состава, причем она справедлива в широком диапазоне температур, включая и область интенсивных фазовых переходов.

Теплопроводность резко возрастает по мере увеличения влажности грунта, поскольку теплопроводность воды значительно выше теплопроводности вытесняемого водой воздуха.

Большей части осадочных и метаморфических пород присуща анизотропия по теплопроводности.

Величина теплопроводности зависит от температуры. Особенно сильно зависит от температуры теплопроводность мерзлых грунтов. Для влажных дисперсных пород влияние температуры определяется не только температурными зависимостями теплопроводности отдельных компонентов, но их количественным соотношением, связанным с изменением фазового состава влаги в породах, а также условиями передачи тепла на контактах компонентов породы. Образование льдо-цементационных связей при фазовых переходах в значительной степени увеличивает величину коэффициента теплопроводности пород. Как правило, теплопроводность мерзлых пород выше, чем талых.

Для предварительного анализа возможно использование расчетных значений теплофизических характеристик, рекомендуемых СНиП 2.02.04-88.

В случаях, когда затруднительно найти аналоги, используя имеющиеся в литературе данные по теплофизическим свойствам талых и мерзлых грунтов, следует проводить опытное определение свойств.

Для более точных расчетов необходимо проведение инженерно-геологических исследований, и на их основе определение физико-механических и теплофизических свойств грунта.

ПРИЛОЖЕНИЕ 6
ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ В СИСТЕМУ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ МОСКВЫ
На рисунках 1 и 2 представлены существующие и перспективные электрические и тепловые нагрузки Москвы, соответствующие Генеральному плану развития города.

Рис. 1. Электрическая нагрузка Москвы (млн. кВт)

Рис. 2. Тепловая нагрузка Москвы (Гкал/час)
Основными направлениями теплосберегающей политики (как в области градостроительства, так и в системе теплоснабжения), позволяющей на 5-6% снизить необходимый прирост мощности теплотехнических объектов города и обеспечивающей экономию топлива в размере не менее 20-25%, учтенной при планировании развития системы теплоснабжения города в соответствии с существующим Генпланом, являются:

- строительство новых жилых и общественных зданий из конструкций с более высокими теплозащитными характеристиками;

- сокращение тепловых потерь при транспортировке тепла к потребителям путем использования более эффективных теплоизолирующих материалов и более высокого качества строительства;

- внедрение теплосберегающих технологий;

- повышения теплозащитных показателей существующих зданий и сооружений при капитальном ремонте;

- сокращение подачи тепла от ТЭЦ Мосэнерго в города ближайшего Подмосковья;

- отказ от строительства новых ТЭЦ;

- использование современных децентрализованных тепловых установок для уникальных объектов, центральных районов города и районов, удаленных от существующих тепловых сетей с затрудненной прокладкой новых коммуникаций;

- улучшение теплоснабжения северных и восточных районов города путем прекращения подачи тепла от ТЭЦ № 21 в г. Химки, компенсируемого строительством самостоятельного крупного источника тепла ГТУ-ТЭЦ, и сохранения подачи тепла в район Люберцы от ТЭЦ № 22 на существующем уровне.

В целях ресурсосбережения, повышения надежности и эффективности функционирования, снижения воздействия на окружающую среду и обеспечения растущей электрической нагрузки в объеме 9,5-9,7 млн. кВт Генеральным планом предусмотрены следующие основные направления в области электроснабжения города:

- внедрение электросберегающих мероприятий во всех сферах потребления с введением дифференцированных тарифов за пользование электроэнергией;

- строительство новых и реконструкция существующих питающих центров на напряжение 110, 220 кВ;

- применение в системе электроснабжения Москвы ГТУ-ТЭЦ малой мощности, тепловых насосов и других источников нового поколения, обеспечивающих децентрализацию общей системы, в т.ч. строительство источников малой мощности для обеспечения делового центра "Москва-Сити", свободной экономической зоны в Ново-Подрезково, жилых районов Кожухово, Щербинка, крупных административных центров;

- высвобождение территорий, занятых воздушными ЛЭП;

- развитие существующих Московских теплоэлектроцентралей путем замены турбогенераторов, выработавших свой ресурс, новыми, той же мощности;

- размещение основного объема необходимого строительства источников нового поколения экологически чистых электростанций небольшой мощности на базе парогазовых, газотурбинных и газодизельных установок в городах и крупных поселках городского типа, расположенных в центральной части Московской области, что позволит высвободить электрическую мощность на Московских ТЭЦ для использования потребителями г. Москвы.

На рисунке 3 представлена возможная схема интеграции тепловых насосов в систему энергоснабжения объектов городского хозяйства. Как видно из рисунка, предлагаемая схема обеспечивает экономию 60% первичного топлива.

Рис. 3
В таблице 1 приведены существующие и планируемые Генеральным планом на период до 2020 г. электрические и тепловые нагрузки г. Москвы. Представленный в таблице вариант теплоснабжения Москвы с использованием теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ) предполагает использование для привода тепловых насосов 5000 МВт установленных мощностей ТЭЦ по выработке электроэнергии.
Таблица 1


НАИМЕНОВАНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

1999 г.

2020 г.

Вариант Генплана

Вариант с ТСТ

Электрическая нагрузка, МВт

6700

9500

14500

Тепловая нагрузка, МВт

44900

57200

57200 из них ТЭЦ - 39700

Доля электрической нагрузки, %

13

14

27


В таблице 2 представлены результаты укрупненного технико-экономического сравнения традиционного и "теплонасосного" вариантов теплоснабжения Москвы в 2020 г.

Технико-экономическое сопоставление вариантов проводилось при следующих основных допущениях:

1. Стоимость 1 тонны условного топлива (т у.т.) принята равной 100 $ США.

2. Капитальные вложения в 1 кВт установленной мощности традиционного теплогенерирующего оборудования (РТС, индивидуальные газовые котельные и пр.) приняты равными 100 $ США без учета капвложений в тепловые сети;

3. Капитальные вложения в 1 кВт установленной тепловой мощности ТСТ приняты равными 250 $ США, включая 50 $ США в систему сбора низкопотенциального тепла. При этом капвложения в ТСТ обеспечиваются без издержек для городского бюджета только за счет инвесторов строящихся и реконструируемых объектов.

4. Среднегодовой коэффициент преобразования ТСТ принят равным 3,5.

5. При проведении расчетов рассматривался только зимний режим с продолжительностью отопительного периода 5000 часов, при этом средняя тепловая нагрузка, как на традиционное теплогенерирующее оборудование, так и на ТСТ принималась равной 0,5 от нагрузок, приведенных в таблице 1.
Таблица 2


НАИМЕНОВАНИЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ВАРИАНТ ГЕНПЛАНА

ВАРИАНТ С ТСТ

1

2

3

1. Мощность установленного оборудования, мВт:

66700

66700

- электрооборудование, в том числе:

9500

14500

- тепловые насосы;

-

5000

- тепловое оборудование, в том числе:

57200

57200

- тепловые насосы.

-

17500

2. Экономия энергоресурсов:







- в млн. мВт·часов в год;

-

32,25

- в млн. тонн условного топлива в год.

-

3,84

3. Капитальные вложения в систему теплоснабжения, млн. $ США:







- из городских источников (РТС, котельные и пр.);

1230

-

из внебюджетных источников в теплонасосное оборудование (средства заказчиков объектов).

-

4375

4. Экономия эксплуатационных затрат в городском хозяйстве на приобретение первичного топлива, млн. $ США в год.

-

384


Таким образом, внедрение технологий, использующих тепловые насосы, в городское хозяйство Москвы может позволить обеспечить необходимый до 2020 г. прирост теплогенерирующих мощностей за счет внебюджетных средств, не увеличивая при этом потребления первичного топлива (природного газа и мазута).

ПРИЛОЖЕНИЕ 7
ПРИМЕРЫ ВЫБОРА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ТЕПЛОНАСОСНЫХ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
Теплонасосная система теплоснабжения здания канализационно-насосной станции № 3 в Куркино
Здание канализационно-насосной станции размером в плане 15х12 м сострит из двух этажей для персонала и подземного технологического помещения, содержащего емкость с установленными в ней погружными фекальными насосами.

Тепловой нагрузкой надземной части является система отопления, а подземной - система вентиляции. Централизованное теплоснабжение отсутствует, в проекте рассмотрен вариант традиционного теплоснабжения от электрических бойлеров. Принципиальная схема ТСТ здания КНС-3 в Куркино представлена на рисунке 4. В качестве альтернативы рассматривается энергосберегающая теплонасосная система теплоснабжения (ТСТ) с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Принципиальная схема ТСТ здания КНС-3 в Куркино

1. Тепловой насос;

2. Циркуляционный насос;

3. Электрокотел-догреватель системы отопления;

4. Электрокотел-догреватель системы вентиляции;

5. Вентиль;

6. Обратный клапан;

7. Теплообменник утилизации тепла сточных вод;

8. Термоскважина;

9. Калорифер системы вентиляции;

10. Датчик температуры.

Рис. 4.
Нагрузки теплоснабжения по проекту:


Вид нагрузки

Величина нагрузки, кВт

Температура в помещении °С

Отопление

37,2

+18

Вентиляция

101,6

+5


После рассмотрения проекта рекомендовано для снижения нагрузок применить утепленные ограждения надземной части, а в системе вентиляции установить теплообменник-рекуператор для подогрева приточного воздуха вытяжным, что позволяет повысить минимальную температуру приточного воздуха перед калорифером с -26 до -9 °С и снизить нагрузку вентиляции до 45,9 кВт (на 54%).

Нагрузки теплоснабжения после введения энергосберегающих мероприятий:


Вид нагрузки

Величина нагрузки, кВт

Температура в помещении °С

Отопление

17,8

+20

Вентиляция с рекуперацией

45,9

+5


С учетом этих нагрузок разработана схема ТСТ, использующей низкопотенциальную теплоту грунта, и на основании теплового расчета выбрано основное оборудование.

Состав энергогенерирующего оборудования и распределение нагрузки:


Вид нагрузки

Тип оборудования

Тепловая мощность кВт

Электрическая мощность кВт

Температура теплоносителя °С

Отопление

Тепловые насосы

11,4

4,4

5055

Электрокотел

8,5*

9,0

3585

Вентиляция с рекуперац.

Тепловые насосы

45,3

11,7

30

Электрокотел

11,4*

12,0

35


Технико-экономическим расчетом определены сроки окупаемости капитальных затрат при прогнозируемых тарифах на электроэнергию: на конец 2000 г. - 6,2 года, на конец 2001 г. (с учетом прогнозируемого роста тарифов на энергоносители) - 2,9 года.
Теплонасосная система горячего водоснабжения секции типового жилого дома серии П44
Тепловой узел горячего водоснабжения запроектирован на каждую секцию жилого дома, содержащую 64 квартиры и рассчитанную на 224 жителя. Число этажей - 17.

Тепловой узел горячего водоснабжения предназначен для подогрева водопроводной воды до температуры, предусмотренной СНиП 2.04.01-85*, с использованием теплоты грунта и утилизируемых вентиляционных выбросов.

Нагрузка горячего водоснабжения:

Максимальный часовой расход горячей воды, м3/час - 4,47,

соответствующая тепловая нагрузка, кВт - 282.

Средний за сутки часовой расход горячей воды, м3/час - 1,07,

соответствующая тепловая нагрузка, кВт - 79,2.

Как видно по суточному графику разбора воды, максимальная нагрузка почти вчетверо превышает среднюю.

Из соображения снижения капитальных затрат на наиболее дорогое оборудование (тепловые насосы) принимается схема с суточным аккумулированием.

Расчетный срок окупаемости за счет экономии эксплуатационных затрат 4 года.

Принципиальная схема теплонасосной системы горячего водоснабжения секции жилого дома типовой серии П44 показана на рисунке 5.

Принципиальная схема теплонасосной системы горячего водоснабжения секции жилого дома типовой серии П44
1. Бак-аккумулятор среднетемпературный

2. Бак-аккумулятор высокотемпературный

3. Тепловой насос

4. Коллектор сбора теплоносителя из тепловых насосов

5. Коллектор раздачи теплоносителя в тепловые насосы

6. Коллектор сбора теплоносителя из ССНТГ

7. Коллектор раздачи теплоносителя в ССНТГ

8. Термоскважина ССНТГ

9. Промежуточный теплообменник утилизации вентвыбросов

10. Циркуляционный насос контура теплоносителя

11. Электронагреватель

12. Датчик температуры

13. Теплообменник нагрева воды

14. Циркуляционный насос нагрева воды

15. Таймер

16. Клапан регулирующий трехходовой с электроприводом

17. Циркуляционный насос контура утилизации вентвыбросов

18. Кран трехходовой

19. Циркуляционный насос циркуляции

20. Повысительный насос

Рис. 5.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЗМОЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НИЗКОГО ПОТЕНЦИАЛА И ТЕХНОЛОГИЙ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕПЛОНАСОСНЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

2.1. Теплота окружающего воздуха

2.2. Теплота грунтовых и подземных вод

2.3. Теплота водоемов и природных водных потоков

2.4. Солнечная энергия

2.5. Теплота грунта поверхностных слоев Земли

2.6. Теплота воздуха, выбрасываемого вентиляционными системами

2.7. Комбинированное использование низкопотенциального тепла вытяжного воздуха, условно-чистых стоков и грунта

3. СИСТЕМЫ СБОРА НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ГРУНТА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЗЕМЛИ

3.1. Устройство горизонтальных грунтовых теплообменников

3.2. Устройство вертикальных грунтовых теплообменников

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ С ТЕПЛОНАСОСНЫМИ СИСТЕМАМИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Общие указания по проектированию системы сбора низкопотенциального тепла грунта (ССНТГ)

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Пример расчета коэффициента теплоотдачи от теплоносителя ССНТГ к грунту

Режим кондиционирования

Режим теплоснабжения

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Методика оценки подъема поверхности грунта при образовании в грунтовом массиве областей мерзлого грунта

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Определение необходимого объема заполнения водой герметичных труб термоскважин при их опускании в скважину, заполненную буровым раствором

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 О теплофизических свойствах грунтов

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Перспективы внедрения тепловых насосов в систему теплоснабжения Москвы

ПРИЛОЖЕНИЕ 7 Примеры выбора принципиальных схем теплонасосных систем теплоснабжения

страница 1 ... страница 2страница 3страница 4


скачать

Другие похожие работы:


Паспорт Программы Обоснование

Паспорт программы: 1 стр.