17.06.2012 21:25
Осадчий Г.Б., инженер
Поскольку до 85 % затрат в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ) приходится на теплоснабжение, то это требует особого отношения ко всей его инфраструктуре.
Теплоэнергетика ЖКХ больших городов все большего числа субъектов России и, в первую очередь, её тепловые сети входят в полосу деградационного отказа, обусловленного естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и усталости при соблюдении всех установленных правил и норм проектирования, изготовления, постройки и эксплуатации. Отказы магистральных и сетевых трубопроводов связаны, в том числе с большой номинальной нагрузкой, под которой они находятся (давление, перепады давления). Под высокой нагрузкой находятся также теплогенерирующие мощности (котлы) и насосные станции.
При замене труб на ограниченном участке теплотрассы повышается надежность только замененного участка. Замена не дает возможности поднять давление теплоносителя, т.к. остальная часть теплотрассы осталась в прежнем, изношенном состоянии.
Снизить нагрузку на трубы теплотрасс, а значит увеличить (продлить) срок их эксплуатации можно за счет рекуперации (возвращения) теплоты, канализационных стоков. Причем рекуперацию наиболее выгодно проводить в пределах зданий, т.к. в этом случае нерациональное снижение температуры стоков минимальное. Ведь тепло, произведенное энергетиками и поступившее в помещение, покидает его не только через ограждения (стены, окна, двери) и при проветривании, но и за счет циркуляции воды.
Особенно большие потери тепла из зданий наблюдаются при наличии в них горячего водоснабжения, т.к. на его осуществление расходуется огромное количество теплоты, которая практически вся уносится канализационными стоками. Удельный вес горячего водоснабжения систем теплоснабжения зданий составляет в среднем 20 %, достигая в южных районах страны 30 – 40 %. Связанные с этими услугами тепловые потери необходимо включать в общий энергобаланс, т.к. это результат выполнения части требований по санитарно-гигиеническим и комфортным условиям проживания людей. Житель современного города расходует на санитарно-бытовые нужды 300 – 500 литров воды в сутки, в том числе в ночное время от 19 до 26,5 литров. Хотя воды по объему используется значительно меньше, чем воздуха на одного человека (воздуха — 30 м3/ч), однако её плотность в 800 раз выше плотности воздуха, а удельная теплоемкость в 4 раза больше, чем у воздуха. Если воздух поступает в здания, в течение отопительного периода, с температурой от +8 и выше до минус 30 ⁰С, а покидает их с температурой 18 – 20 ⁰С, то вода поступает с температурой 2 – 8 ⁰С а стекает в канализацию с температурой 20 – 30 ⁰С.
С учетом того, холодная вода, поступающая зимой в здания, нагревается: в трубопроводах; водяных затворах; сливных бачках; посудомоечных и стиральных машинах; в чайниках и кастрюлях, а значит, потери тепла есть и тогда, когда нет горячего водоснабжения, и даже тогда когда нет расхода воды, из-за утечек, например, через поплавковые клапаны.
В Омске ежесуточное потребление холодной и горячей воды составляет 640 тыс. м3 (в Москве – 6,2 млн м3). На нагрев холодной воды, проходящей через здания в Омске за отопительный период, расходуется порядка 12,5 млн ГДж теплоты, для производства которой сжигается до 400 тыс. тонн мазута или 1 млн тонн угля. Для Москвы соответственно – 125 млн ГДж, 4 млн тонн мазута или 10 млн тонн угля. Эти расходы составляют 10 – 15 % от всего топлива, используемого в этот период для теплоснабжения этих городов.
Приведенная зависимость уноса тепловой энергии из зданий со стоками, характерна для всех регионов России.
Не вызывает сомнения, что составляющей частью итоговых тепловых потерь, аналогично учитываемым потерям от проветривания, должны стать тепловые потери, образующиеся за счет циркуляции воды.
Указанные потери тепла из помещений, если температура в них опускается слишком низко, компенсируют, в основном, за счет электронагревательных приборов, что еще более усугубляет дефицит бюджета, поскольку дотации на электроэнергию, в бюджетной сфере и для населения, составляют не один десяток миллионов рублей.
Существующие системы теплоснабжения и дополнительного обогрева далеки от оптимальных, поскольку игнорируют предыдущий опыт цивилизации по использованию различных видов энергии.
Так, еще на 1 Общероссийском Съезде инженеров-электротехников в 1901 году было принято решение о НЕДОПУСТИМОСТИ использования электроэнергии на отопление и рекомендовалось повсеместное применение электроприводных тепловых насосов (ТНЭП). Однако как показала практика существующие электроприводные теплонасосные станции (ТНЭП, например, АО “Энергия”, г. Новосибирск), использующие на привод компрессора, например, 300 кВт дорогой электроэнергии, вырабатывают, при температуре стоков (в большую часть отопительного периода) плюс 8 – 10 ⁰С, 1000 кВт дешевой теплоты на отопление. Низкая температура стоков, в сравнении с той, которой они обладают на выходе из здания, объясняется тем, что стоки переохлаждаются в грунте на пути к сборным коллекторам.
Стоимость 1 кВт∙ч электроэнергии, как правило, в 3 – 5 раз выше стоимости 1 кВт∙ч тепловой энергии. Получается, что стоимость выработанной теплоты электроприводной теплонасосной станции зимой-весной, выше стоимости затраченной на ее производство электроэнергии (деньги, потраченные на оплату 1 кВт∙ч электроэнергии, обеспечивают выработку продукции (12 МДж теплоты) стоимость которой ниже стоимости 1 кВт∙ч электроэнергии). Только по этому показателю при трансформации электроэнергии в теплоту убыток доходит до 10 % на каждый кВт∙ч использованной электроэнергии.
С учетом сметной стоимости ТНЭП с теплотрассой, линией электропередачи, трансформатором и дополнительных постоянных расходов: электроэнергии на прокачку стоков через испаритель и циркуляцию по системе отопления горячей воды; сырья и материалов на эксплуатацию и ремонт; заработной платы и т.д., электроприводные теплонасосные станции, удаленные от мест, где стоки имеют наибольшую температуру, для Западносибирского экономического региона с озвученной разницей стоимости электрической и тепловой энергии относятся к категории дотационных (планово убыточных) источников энергии на весь отопительный период (по сравнению с теплотой ТЭЦ, котельных).
Электроприводные теплонасосные станции должны применяться когда:
температура стоков большую часть года выше 20 ⁰С (коэффициент трансформации ТН электроэнергии в теплоту более 5);
потребитель теплоты децентрализован;
отопительный сезон краток (когда строительство разветвленных теплотрасс экономически не выгодно);
имеется значительный избыток дешевой электроэнергии (ГЭС, ВЭС);
производство электроэнергии не связано со сжиганием органического топлива, с параллельным производством теплоты, например, на ГЭС, ФЭС, ВЭС.
Исходя из изложенного, один из путей снижения затрат на теплоснабжение — создание на существующих системах теплоснабжения второго контура отопления.
Рассмотрим предлагаемые [2] варианты рекуперации теплоты сбросных вод (канализационных стоков).
Первый вариант.
Для Северо-Западного экономического района России, имеющего среднюю продолжительность отопительного сезона — 243 дня; Центрального — 215; Волго-Вятского — 231; Уральского — 227; Западносибирского — 235; Восточносибирского — 254; Дальневосточного — 255, предлагается в качестве энергосберегающего устройства — теплопроводной тепловой насос (ТНТП).
Человечество с незапамятных времен использует незначительный перепад (разницу потенциалов) в состояниях различных сред для получения удобной для потребителя вида энергии. Например, перепад высот воды (потенциальная энергия рек, приливов) используется для выработки как механической, так и электрической энергии. Аналогично используется энергия ветра — перепад, но давлений (температур) воздуха в сопредельных географических зонах, и т.д.
До настоящего времени, пожалуй, единственный вид потенциалов, самый доступный, не используется – это температурный перепад воды в узле управления центрального отопления, находящегося в подвале здания, и воздуха обогреваемого помещения. Если в узле управления теплоноситель — горячая вода, имеет температуру 90 ⁰С, а в помещении воздух 20 ⁰С, то этот температурный напор 90 — 20 = 70 ⁰С не используется — при традиционном отоплении нерационально происходит деградация тепловой энергии.
Для снижения затрат на теплоснабжение, путем возврата в помещения тепловой энергии, уносимой стоками, предлагается ТНТП (рисунок 1), у которого компрессор приводится в действие не от электроэнергии или ДВС, а от теплоты горячей воды системы отопления. Его компрессор с двигателем Стирлинга (хладомёт) работает от самого доступного перепада температур — в системе отопления и воздуха помещения. Коэффициент трансформации теплоты такого ТНТП может достигать 2,5. Ночная работа насоса обеспечивается за счет аккумулирования теплоты стоков днем.
Работа ТНТП протекает следующим образом, принципиально не отличаясь от тепловых процессов, происходящих в традиционных ТН. В испарителе 10 за счет теплоты, воспринятой от стоков 11 и влажной засыпки 9, происходит парообразование низкокипящего рабочего тела — хладагента. Образующийся в испарителе 10 пар хладагента сжимается в хладомёте 1 (компрессоре, приводимом в действие от двигателя Стирлинга) с повышением температуры (зависит от степени сжатия). Затем горячий пар хладагента поступает в конденсатор 7, в котором конденсируется, отдавая теплоту фазового перехода в помещение; образующийся при этом конденсат хладагента направляется в дроссель 8, где происходит понижение его давления, после чего он поступает в испаритель 10, и цикл повторяется. В процессе работы ТНТП и зарядки днем аккумулятора теплоты 9 температура стоков снижается, то есть происходит рекуперация теплоты, находящейся в стоках. Аккумулирование теплоты влажной засыпкой 9 обеспечивает более равномерную работу ТНТП в течение суток. Рекуперация теплоты из стоков в подвале здания наиболее целесообразна, т.к. здесь их температура наибольшая, а значит эффективность холодильного цикла повышенная. Теплоотдача конвектора 5 равна количеству теплоты, поступающей из радиатора 2 — теплоты, не использованной в термодинамическом цикле хладомёта (двигателя Стирлинга). Охлаждающая радиатор 2 жидкость циркулирует по контуру конвектора самотеком за счет разности в плотностях масла (жидкости) в трубах 4 и 6. Работа хладомёта осуществляется за счет прокачки горячей воды системы отопления через его парогенератор 3 (показано стрелками).
Необходимость предлагаемой организации аккумулирования теплоты стоков аккумулятором 9 вытекает из данных таблиц 1 и 2.
Таблица 1 –Коэффициент неравномерности потребления горячей воды в жилых зданиях
Таблица 2 –Примерное распределение расходов воды (горячей и холодной) по часам суток (в %)
По данным [3] в шестиэтажном здании общежития для аспирантов КиевЗНИИЭП (150 проживающих) первые жильцы просыпались в 5 ч 45 мин, и начинался активный водоразбор до 10 – 11 часов. Вечерний период активного водоразбора начинался примерно в 16 ч 30 мин и заканчивался к полуночи.
А по данным Л.А. Шопенского, в жилых зданиях наблюдается относительно стабильный период минимальных расходов воды в промежутке между 1 и 5 часами ночи (в гостиницах — от 2 до 6 ч). В ночные часы полезный расход воды составляет не более 0,2 л/(ч∙чел.). В практике эксплуатации систем внутреннего водопровода такие расходы наблюдаются весьма редко. Гораздо чаще величина ночных расходов различных зданий колеблется от 3 до 18 л/(ч∙чел.), но для одного и того же здания она остается относительно постоянной.
Немаловажным обстоятельством для эффективной рекуперации является изменение скорости стоков, в зависимости от наполнения канализационной трубы, таблица 3.
Таблица 3 – Зависимости расхода и скоростей стоков в трубе с уклоном 0,02 от наполнения трубы
Как видно из таблицы 3 при малых расходах стоков уменьшается и скорость, что будет обеспечивать более глубокое их охлаждение в испарителе ТНТП.
Ниже, в таблицах 4, 5, 6 приведены данные доказывающие, что использование ТНТП будет востребовано в жилых и общественных. Температура сетевой воды, зависящая от температуры наружного воздуха, может обеспечить его работу.
Таблица 4 – Усредненные расчетные температуры воздуха в жилых и общественных зданиях и помещениях, °С
Таблица 5 – Температура сетевой воды в подающем трубопроводе (⁰С) при температуре воздуха внутри помещения 20 ⁰С, температурный график 130 – 70 ⁰С
При температурном графике 150 – 70 ⁰С температура выше ~ 10°С.
Расчетная температура наружного воздуха для Омска минус 37 ⁰С при продолжительности отопительного периода 220 суток
Таблица 6 – Число часов за отопительный период со среднесуточной температурой (⁰С) наружного воздуха, час
ТНТП — это экологически чистый источник энергии, осуществляющий тепловую очистку стоков. Рекуперация энергии санитарно-бытовых стоков по предлагаемой технологии уменьшает загрязнение окружающей среды.
В случае выхода ТНТП из строя обогрев помещения осуществляется только энергией горячей воды теплоцентрали за счет открытия ограждения, охватывающего парогенератор хладомёта, и батарей центрального отопления, находящихся в этом помещении.
При рекуперации тепловой энергии важнейшим из факторов, определяющих эффективность работы установки, является то, сколько энергии затрачено на ее изготовление и сколько первичной энергии расходуется при эксплуатации – по сравнению с тем, сколько энергии возвращено. По этому, технико-экономическому показателю ТНТП, на порядок превосходит ТНЭП.
Благодаря тому, что по конденсатору ТНТП движется хладагент, а по конвектору масло с температурой замерзания ниже минус 40 ⁰С, то их оптимальное размещение иное, чем у батарей отопления мощных традиционных ТНЭП. Это могут быть подъезды жилых и административных зданий, проходные, входные двери магазинов, вокзалов, там, где периодически осуществляется естественное поступление холодного наружного воздуха, с температурой намного ниже, чем в обогреваемом помещении. При таком размещении, в случае если входные двери оказались по какой-либо причине не закрытыми, размораживание конденсатора и конвектора исключается даже в Якутии, при температуре поступающего воздуха минус 40 ⁰С. Зато увеличивается теплоотдача при минимальных их габаритах, а значит и ценах. Размещение обогревателей на “сквозняках” увеличивает теплоотдачу (удельную) в 5 – 10 раз. Обеспечивается сверхглубокое охлаждение хладагента перед дросселем (значительно ниже температуры стоков, на 5 – 10 ⁰С) что повышает энергетическую эффективность ТНТП (коэффициент трансформации).
При подогреве поступающего воздуха в подъезды, проходные по такой схеме уменьшаются тепловые потери из помещений, образующих эти подъезды, проходные.
Термодинамические расчеты показывают, что при отработанной конструкции хладомёта коэффициент трансформации теплоты ТНТП достигает значения 2,5. Так 1 кДж теплоты из теплоцентрали, затраченный на привод в работу хладомета (на сжатие хладагента и его циркуляцию по рабочему контуру), и остающийся в отапливаемом помещении, обеспечивает, через конденсатор ТНТП, поступление в это же самое помещение дополнительно до 1,5 кДж теплоты, изъятой из стоков.
Применение ТНТП позволяет, при достатке низкопотенциальной энергии (стоков), для поддержания той же температуры в помещениях первого этажа резко сократить потребление ими тепловой энергии из системы отопления.
Размещение ТНТП последовательно под каждым подъездом, в местах где высокая температура «бросовой» энергии, позволит на 5 – 15 ⁰С снизить температуру стоков, покидающих здание, приблизить ее к температуре поступающей холодной воды, что обеспечит значительную экономию топлива.
По данным В.Ф. Гершковича [3] при эксплуатации первой опытной установки с ТН, использующим теплоту канализационных стоков жилого дома, удалось добиться понижение температуры стоков в теплообменнике теплового насоса от 0,5 до 5 ⁰С.
Энергетическая “стоимость” предлагаемого ТНТП мощностью 2,5 кВт, количество энергии затраченной на изготовление, доставку и монтаж на месте эксплуатации составляет около 16,7 ГДж, из них 12,5 — затраты на материалы (сталь, бронза, резина и т. п.). За 15 лет работы ТНТП способен рекуперировать до 500 ГДж теплоты, т.е. в 30 раз больше “ энергетической стоимости”, затраченной на изготовление ТНТП и его эксплуатацию.
Себестоимость тепла является определяющим показателем, т.к. от нее зависит сдерживание темпа увеличения оплаты за теплоснабжение, составляющей порой большую часть платежей за услуги ЖКХ. Работа ТНТП за счет деградирующей энергии малой части воды, системы отопления может обеспечить, после окончания срока окупаемости получение сверхприбыли или до 10 % экономию затрат на отопление из бюджета города, дома, «подъезда».
Второй вариант
На рисунке 2 приведена схема обогрева комнаты и террасы коттеджа или частного дома традиционной постройки с помощью ТНТП.
Рисунок 2 – Схема обогрева помещения и террасы с помощью ТНТП.
Принцип работы этого ТНТП:
Обогрев помещения осуществляется за счет поступления тепла через радиатор 3 хладомёта 4 и секций конденсатора 1 (за счет конденсации паров хладагента), в подвале происходит глубокое охлаждение жидкого хладагента перед дросселем 5. А обогрев террасы (зимнего сада, мастерской, гаража) — за счет теплоты окончательной конденсации хладагента в секциях конденсатора 1, расположенных на террасе и охлаждение жидкого хладагента под её полом. Обогрев осуществляется теплотой, воспринимаемой испарителем 6 от охлаждающейся и частично замерзающей в бассейне 7 воды (стоков). Для уменьшения потерь теплоты водой из бассейна его изолируют от окружающего холодного воздуха пенопластовыми плитами 8. Глубокое охлаждение хладагента перед дросселем (близкое к температуре грунта) увеличивает энергетическую эффективность ТНТП (коэффициент трансформации). Работа хладомёта (двигателя Стирлинга с компрессором) осуществляется за счет прокачки горячей воды центрального отопления через его парогенератор 2 (стрелками показаны подвод и отвод теплоносителя).
В качестве источника энергии окружающей среды замерзающая вода бассейна выбрана, исходя из того, что в частном доме (коттедже) стоков всегда мало. А удельная теплота фазового перехода воды в лед, при замерзании составляет 334 кДж/кг, в то время как удельная теплоемкость окружающего воздуха 1 кДж/кг∙⁰С. Плотность воды в 800 раз больше плотности воздуха, а её температура зимой при замерзании значительно выше температуры окружающего воздуха. Использование ТНТП особенно эффективно при наличии подсобного хозяйства. Так как корова дойная в сутки выпивает 80 – 100 литров воды, бык — 25 – 30, свиноматка с приплодом — 60 – 80, хряк — 40 – 45, овца — 8 – 12, птица (куры, утки, гуси) от 1 до 2,5.
Преимущество использования воды ещё и в том, что коэффициент теплоотдачи у пары «вода — испаритель» в десятки раз выше, чем у пары «воздух — испаритель».
ТНТП (второй контур обогрева) экономит потребление тепловой энергии.
Для обогрева помещений воздухом, с интенсивным теплообменом за счет вентилятора, температура конденсатора может быть 25 – 35 ⁰С.
Предлагаемое дополнение систем отопления существенно снижает нагрузку на трубопроводы теплоснабжения, расход топлива при печном отоплении. ТНТП может работать от теплоты, отходящих газов и аккумулированной кладкой печи.
На летний период ТНТП легко преобразовывается в гелиокондиционер.
Возможности ТНТП, использующих для рекуперации «бросовую» теплоту, приведены в таблицах 7, 8, 9.
Это — сводный анализ наиболее эффективных с точки зрения минимизации: энергетических потерь; расхода создаваемых человеком материалов; отрицательного воздействия на окружающую среду и человека использования в России ТНТП для рекуперации «бросовой» теплоты. К рекуперируемой «бросовой» теплоте относится в первую очередь теплота санитарно-бытовых стоков.
Таблица 7 – Достоинства и недостатки ТНТП для различных широт России
Таблица 8 – Эксплуатационные характеристики ТНТП в России
Таблица 9 – Социальные и экологические характеристики ТНТП в России
Технико-экономические характеристики ТНТП -2,5 для обогрева
вестибюлей, холлов, подъездов, тамбуров
(Первый вариант в первом приближении)
• Номинальная мощность теплового потока:
– через конденсатор, кВт 1,6
– через конвектор, кВт 0,9
• Источник привода хладомёта (компрессора)
ТНТП в работу — горячая вода (пар)
с температурой 80 – 150 ⁰С
• Номинальная мощность теплового потока
для привода в работу хладомёта, кВт 1,0
• Источник тепловой «бросовой» энергии,
подлежащей рекуперации — санитарно-бытовые стоки с температурой 10 – 35 ⁰С
• Резервный (ночной) источник
«бросовой» теплоты — аккумулятор теплоты — засыпка, охватывающая канализационную трубу
• Номинальная интенсивность теплоотдачи
(охлаждения) стоков, кВт 1,5
• Температура поверхности конденсатора, ⁰С 35 – 50
• Температура поверхности конвектора, ⁰С 35 – 50
Изложенное показывает, что в сфере ЖКХ есть игнорируемые сегодня немалые резервы без загрязнения окружающей среды энергосбережения теплоты, основного вида потребляемой населением энергии.
Список литературы
1. Свинцов А.П. Определение величины утечек воды в системах водоснабжения // Жилищное строительство. 2001. № 11. С. 10 – 11.
2 Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ). Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.
3 Гершкович В.Ф. Исследование работы теплового насоса // Энергосбережение. 2007. № 5. С. 32 – 41.
4 Онищенко В.Я. Риск в структуре результатов деятельности // Машиностроитель. 2000. № 12. С. 34 – 39.
Автор:Осадчий Геннадий Борисович, инженер, автор 140 изобретений СССР
Тел дом. (3812)60-50-84, моб. 8(962)0434819, E-mail: genboosad@mail.ru
Для писем: 644053, Омск-53, ул. Магистральная, 60, кв.17.
1 – хладомёт (двигатель Стирлинга с компрессором); 2 – радиатор хладомёта; 3 – парогенератор хладомёта; 4 – труба опускная; 5 – конвектор; 6 – труба подъемная; 7 – конденсатор; 8 – дроссель; 9 – аккумулятор теплоты; 10 – испаритель; 11 – стоки.
Тепло городов повышает зимнюю температуру Аляски, Канады и Сибири
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.