Дмитренко
Мария
Александровна

АВТОРЕФЕРАТ

---

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Принципы проектирования систем теплоснабжения, заложенные в советское время, на сегодня устарели. Большинство современных работ по повышению энергетической эффективности систем теплоснабжения носит очаговый характер. Отсутствуют обобщающие критерии, обеспечивающие нахождение наиболее оптимальных решений, как при модернизации существующих систем теплоснабжения, так и при создании новых. Программы их развития основываются не на создании многофакторных моделей, а лишь на анализе преимуществ и недостатков тех или иных вариантов, причем в большей степени качественном, чем количественном. Решения о внедрении различных технологий очень часто принимается на основании одного лишь экономического анализа. Таким образом, плохо учитываются особенности и потребности топливно-энергетического комплекса Украины.

В работе на основании исследований разрабатывается методика проектирования источника теплоснабжения учитывающая альтернативные варианты тепловых схем, представляющие собой схемы, в составе которых используются тепловые насосы, а также баки-аккумуляторы, которые могут быть реализованы у потребителя. Разработанная методика позволяет произвести анализ наиболее целесообразных вариантов теплоснабжения в условиях различных типов потребителей с учетом имеющихся ресурсов и потенциала развития, улучшить состояние окружающей среды, повысить энергетическую безопасность, увеличить долю альтернативных и возобновляемых источников энергии и др.

---

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ, КОТОРЫЕ ДОЛЖНЫ РЕШАТЬСЯ

Целью магистерской работы является исследование схемы теплоснабжения с использованием тепловых насосов и баков-аккумуляторов с целью повышения эффективности использования первичных энергоресурсов.

При этом решаются следующие задачи:

• изучение свойств тепловых насосов различных типов;
• рассмотрение использования баков-аккумуляторов при использовании различных тепловых нагрузок;
• рассмотрение возможности и перспективы использования в теплоснабжении различных потребителей;
• разработка системы критериев, условий и показателей, а также методов, которые позволяют определить эффективность систем теплоснабжения;
• определение технико-экономических показателей и перспективы построения таких схем;
• разработать рекомендации на счёт усовершенствования систем теплоснабжения с использованием альтернативных технологий с целью снижения потребления топливных ресурсов, повышения надёжности, безопасности теплоснабжения, улучшения состояния окружающей среды и др.;
• обработка результатов исследования с применением методов математического моделирования;
• разработка методики проектирования схем теплоснабжения.

---

ПРЕДПОЛАГАЕМАЯ НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Разрабатывается методика проектирования источника теплоснабжения. Она учитывает альтернативные варианты тепловых схем с использованием теплового насоса и бака-аккумулятора, которые могут быть реализованы у потребителя. В методике следует оценка всех разработанных вариантов теплоснабжения с позиций: энергоэффективности, экономической целесообразности, воздействия на окружающую среду, надежности, безопасности и др. После этого следует выбор наиболее целесообразного варианта энергоснабжения.

---

ПЛАНИРУЕМЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На основе исследования различных схем теплоснабжения показать возможную эффективность применения таких систем с целью повышения эффективности использования первичных энергоресурсов; разработать комплекс методических рекомендаций и практических предложений к проектированию тепловых схем для условий Украины.

---

ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК ПО ТЕМЕ

В последние десятилетия наблюдается значительный интерес к теплонасосным технологиям практически во всех развитых странах мира. Анализ возможных областей применения в экономике Украины теплонасосных технологий показывает, что на первом этапе в нашей стране наиболее перспективной областью их внедрения являются системы жизнеобеспечения зданий.

Условия в Украине существенно отличаются от других стран, поэтому при проведении реконструкции систем теплоснабжения необходимо учитывать особенности климатических условий, характеристики и свойства потребителей, наличие перспективных энергоресурсов и др.

Применение теплонасосных установок (ТНУ) в теплоснабжении может обеспечить значительную экономию топливных ресурсов. Тепловые насосы дают возможность использовать низкопотенциальную тепловую энергию различных источников: таких, как атмосферного воздуха, грунта, сточных вод и т.д.

Принцип работы теплового насоса состоит в передаче тепловой энергии от источника, имеющего относительно низкую температуру, к источнику, имеющему более высокую температуру. Как следует из второго закона термодинамики, такой процесс не может происходить самопроизвольно и требует компенсации в виде подводимой работы. Термодинамическая схема теплового насоса изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Термодинамическая схема теплового насоса

К рабочему телу, циркулирующему в тепловом насосе (ТН), от холодного источника (ХИТ) передается тепловая энергия в количестве Q1. За счет совершения над рабочим телом работы L, его температура повышается и становится выше температуры горячего источника – ГИТ, что дает возможность передавать ему тепловую энергию в количестве Q2. В соответствии с законом сохранения энергии:

Важнейшим показателем, характеризующим термодинамическую эффективность работы теплового насоса, является коэффициент преобразования энергии, который равен отношению тепловой энергии, передаваемой горячему источнику, к работе, подводимой к тепловому насосу:

Видно, что коэффициент всегда больше единицы. В зависимости от физической сущности процессов, протекающих в тепловых насосах, они подразделяются на:

• компрессионные (паровые и газовые);
• абсорбционные;
• пароэжекторные;
• термоэлектрические и др.

Наибольшее распространение получили парокомпрессионные и абсорбционные тепловые насосы. Остальные виды тепловых насосов являются либо более дорогими и менее эффективными, чем указанные, либо имеют узкий спектр использования.

Парокомпрессионные тепловые насосы (ПТН)

В качестве энергии высокого потенциала ПТН используют механическую энергию электрического, парового, гидравлического либо газотурбинного привода, в качестве теплоты низкого потенциала – возобновляемую природную теплоту термальных, грунтовых и поверхностных вод, грунта, атмосферного воздуха либо техногенную сбросную теплоту технологических процессов энергетических и промышленных производств, сточных вод биологических и других очистных сооружений с температурой 5-50 °С.

Использование в ПТН электроэнергии, вырабатываемой за счет возобновляемой гидравлической энергии на ГЭС и низкотемпературной теплоты грунтовых вод, имеющихся в изобилии особенно в поймах рек, а так же электроэнергии от ветровых, приливных, атомных и других экологически чистых электростанций позволяет производить тепловую энергию для теплоснабжения без загрязнения окружающей среды.

Абсорбционные тепловые насосы (АТН)

В качестве энергии высокого потенциала используют теплоту сжигания топлива или тепловую энергию конденсации водяного пара с давлением не ниже 0,4 МПа (абс.), теплоту охлаждения горячей воды с начальной температурой выше 145 °С; в качестве теплоты низкого потенциала – возобновляемую теплоту термальных вод либо техногенную сбросную теплоту с температурой 20-50 °С. АТН относится к понижающим трансформаторам тепла. Полученное от теплового насоса количество полезной теплоты среднего потенциала равно сумме теплоты низкого (утилизируемого) и высокого потенциалов в одинаковых тепловых единицах, т.е. часть теплоты среднего потенциала получена из природной или сбросной техногенной теплоты. Это определяет энергетическую и, как следствие, экономическую и экологическую слагаемые эффективности тепловых насосов по сравнению с котельными на органическом топливе при одинаковой тепловой мощности.

Отношение полученной потребителем от ТН тепловой энергии к затраченной энергии (в тепловом эквиваленте) характеризует эффективность работы ТН и называется коэффициентом преобразования или трансформации:

где Qn – теплота, полученная потребителем от ТН;
Qз – мощность в тепловом эквиваленте, затраченная на привод компрессора в ПТН или теплота высокого потенциала, израсходованная в АТН.

Рассмотрим бинарную схему, состоящую из теплового насоса и пикового котла. Окружающий воздух является самым доступным источником низкопотенциальной тепловой энергии. При использовании в схеме отопления реверсивного кондиционера, который может работать в режиме теплового насоса, дополнительные капиталовложения будут минимальными.

Принципиальная тепловая схема будет выглядеть, как показано на рисунке 2. Теплонасосная установка является первой ступенью нагрева воды отопительного контура. Это связано с тем, что в тепловом насосе с понижением разницы температур между низкопотенциальным источником и нагреваемым рабочим телом коэффициент преобразования энергии возрастает. Поэтому тепловой насос целесообразно располагать в низкотемпературной части тепловой схемы.

Вода отопительного контура после системы отопления (СО) циркуляционным насосом (ЦН) подается в теплонасосную установку (ТНУ). После теплового насоса вода поступает либо в котел, являющийся пиковым источником тепла, либо через байпас в систему отопления.

Рисунок 2 – Принципиальная тепловая схема совместного использования теплонасосной установки и пикового котла

Эквивалентный коэффициент преобразования первичной энергии в данной схеме будет определяться выражением:

где - доля тепловой нагрузки отопления, которая осуществляется за счет теплового насоса;
- коэффициент преобразования энергии в тепловом насосе;
- коэффициент, характеризующий работу котла. Это коэффициент, при котором эффективность использования первичного топлива в котельной и теплонасосной установках равны между собой.

Возможность удовлетворения тепловой нагрузки отопления тепловым насосом с одной стороны ограничена максимальной температурой сетевой воды, которая может быть получена после ТНУ, с другой – тепловой мощностью ТНУ в данных условиях. Таким образом, рабочие параметры тепловой схемы зависят также от температурного графика системы отопления и установленной тепловой мощности теплового насоса.

---

ВЫВОДЫ

Таким образом, основной задачей магистерской работы является объединение всех исследуемых систем применения тепловых насосов и баков-аккумуляторов в системах теплоснабжения с целью оптимизации и количественного определения показателей рассмотренных видов теплоснабжения. Результатом работы будет разработка методики для оценки эффективности использования различных типов тепловых насосов и баков-аккумуляторов в конкретных схемах теплоснабжения.

---

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Макогон Ю.В., КуденкоГ.Е. Некоторые аспекты реализации политики энергосбережения в Украине: Монография - Донецк: ДонНУ-ДонФ НИСИ, 2006. -200с.
2. Горшков В.Г. Тепловые насосы. Аналитический обзор. Журнал «Справочник промышленного оборудования». М: 2004. №2.
3. Праховник А.В., Соловей А.И., Прокопенко В.В. Энергетический менеджмент - К.: ІЕЕ НТУУ „КПІ”, 2001, 471с.
4. Гохштейн Д.П. Современные методы термодинамического анализа энергетических установок М.: Энергия, 1969. 350 с.
5. Андрющенко А.И. Сравнительная эффективность применения тепловых насосов для централизованного теплоснабжения // Промышленная энергетика. 1997. №6. с. 2-4.
6. А. Г. Корольков, А.В. Попов, А. Влад. Попов Абсорбционные бромистолитиевые водоохлаждающие и водонагревательные трансформаторы теплоты //Проблемы энергосбережения № 1 (14) февраль 2003.
7. http://www.prolin.com.ua/nasosy.html
8. Сафьянц С.М., Колесниченко Н.В. О возможности повышения качеста теплоснабжения путем реконструкции теплового пункта здания / Экологические проблемы индустриальных мегаполисов: Материалы Международной научно-практической конференции. Донецк – Авдеевка. 23-27 мая 2006г., - Донецк: ДонНТУ, 2006 –с. 101-104
9. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. Москва Издательство МЭИ. 1999г.
10. http://heatpumps.com.ua/

---

ЗАМЕЧАНИЕ

При написании данного автореферата магистерская работа ещё не завершена. Дата окончательного завершения работы: декабрь 2010 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.