Обоснование применения утилизации теплоты вытяжного воздуха с учетом её влияния на систему теплоснабжения

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ВЫТЯЖНОГО ВОЗДУХА С УЧЕТОМ ЕЁ ВЛИЯНИЯ НА СИСТЕМУ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

THE FEASIBILITY STUDY OF EXHAUST AIR HEAT UTILIZATION IN VIEW OF ITS EFFECT ON HEAT SUPPLY SYSTEM

О.Д. Самарин, Ю.В. Ильинский

O. Samarin, Y. Ilyinsky

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

Рассмотрено энергопотребление в системе вентиляции с теплоутилизационным оборудованием с учетом режима ее работы и климатических параметров. Дана оценка окупаемости утилизации при существующей плате за подключение к теплосети.

The energy consumption in ventilation with heat utilization equipment in view of its operating performance and climatic conditions is studied. The payback of utilization in view of current charge for heat-supply system connection is estimated.

Необходимость комплексного подхода к осуществлению энерго- и ресурсосберегающих мероприятий при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и в первую очередь систем обеспечения их микроклимата не подлежит сомнению и обусловлена главным образом сокращением запасов минерального сырья и ископаемого органического топлива и, как следствие, их постоянным удорожанием.

Целью предлагаемой работы является решение чрезвычайно важной научной и практической проблемы энергосбережения в гражданских зданиях за счет применения малозатратных и быстроокупаемых технических решений при обязательном обеспечении теплотехнической безопасности.

Для решения этой проблемы в работе предусматривается решение следующих основных задач: разработка методики оценки энергосбережения в системах механической вентиляции и кондиционирования воздуха (В и KB) при наличии утилизации теплоты вытяжного воздуха с учетом реального режима работы систем в течение суток и фактической продолжительности отопительного периода, использование данной методики для расчета энергозатрат на систему, применяющуюся в конкретном проекте систем обеспечения микроклимата здания, и ТЭО применения теплоутилизации (ТУ) в условиях рыночной экономики с учетом влияния ТУ на установленную мощность оборудования системы теплоснабжения, а также рисков капиталовложений, уровня инфляции и изменения цен и тарифов на оборудование и материалы.

Научная новизна работы состоит в следующем: - учет влияния ТУ на систему теплоснабжения (компенсация дополнительных затрат на ТУ за счет экономии на оборудовании ИТП: трубах, арматуре, возможно - на теплообменнике, если калориферы приточной установки (ПУ) присоединяются не напрямую к сети, на оплате за подключение);

7/)П11 ВЕСТНИК _1/2011_МГСУ

- учет влияния особенностей процессов в помещении на фактические характеристики отопительного периода для системы В и КВ, а значит, и на расчет энергозатрат;

- учет некруглосуточной работы системы В и КВ при выборе параметров наружного климата (по инженерной методике).

В результате данного расчета предполагается сопоставить дополнительные капитальные затраты на теплоутилизационное оборудование и снижение таких затрат на оборудование системы теплоснабжения и произвести ТЭО применения ТУ с учетом этого обстоятельства и использования реального режима работы системы в течение отопительного периода (ОП).

Рассмотрим расчет указанных параметров на примере многофункционального здания, предназначенного для размещения автомобильного учебно-технического центра. Вычисления будем производить для двух вариантов устройства системы вентиляции: с теплоутилизацией (Вариант 1) и при ее отсутствии (Вариант 2).

Затраты, связанные с потреблением тепловой энергии системой В и КВ за ОП, вычисляется по формуле (1):

2Р°пСв{1 - кэф )ст 10 6/4,19 , руб./г^

где: 2р - продолжительность работы отопительного или вентиляционного оборудования в течение суток, ч; Оп - массовый расход нагреваемого воздуха по зданию, кг/ч;

Оп = ЬРв,

где: Ь - воздухопроизводительность системы, тыс. м3/ч; рв = 1,2 кг/м3 - плотность воздуха;

вп = 60000  1,2 = 72000, кг/ч; се = 1,005 кДж/(кг-К) - удельная теплоемкость воздуха.

Для учета того, что у нас система работает не круглосуточно, мы рассчитываем условные градусо-сутки отопительного периода по формуле:

пг 4в - с „ ,

где: 4 - средняя температура внутреннего воздуха в здании, °С [1] (считаем, что = 4 в течение ОП, т.к. отопительные приборы оборудованы терморегуляторами и Quзб.я = 0); 2'0П - продолжительность ОП, сут, в районе строительства [2]; Ст - стоимость единицы тепловой энергии, руб./ГДж, принимаемая в зависимости от типа потребителя [4]; 4,19 - удельная теплоемкость воды, кДж/(кг-К); = + Д?оп - условная средняя температура наружного воздуха в течение ОП за время работы систем, она будет выше, чем обычная круглосуточная, на величину поправки Л1оп, °С. Параметр кэф представляет собой коэффициент температурной эффективности те-плоутилизатора (при наличии в рассматриваемом варианте утилизации теплоты), определяемый по расчету теплоутилизационного оборудования. На стадии предварительных вычислений можно принимать кэф = 0,4 - 0,5 для систем с промежуточным теплоносителем, 0,5 - 0,55 - для пластинчатых перекрестно-точных теплообменников и 0,7 - 0,8 - для вращающихся (роторных) регенераторов [3].

Эту поправку можно определить, исходя из амплитуды суточных колебаний температуры наружного воздуха и моментов начала и конца рабочего времени по формуле [5]:

А, = 12

2К -15 ^ . ( 2Н -15

sш| —--я I- sшl —--я

12 I { 12

где: Zн и Zк - моменты начала и конца рабочего времени, ч; Ат - 3,25 - средняя суточная амплитуда температуры воздуха за ОП, °С (половина значения, указанного в [2]);

18 - 15 Л . (9 - 15 sm\--л \ - sinl--я

12 ) У 12

12  3,25

^ п„ =

ж

= 0,72  3,25 = 2,34 °С.

Более того, мы можем дополнительно еще уточнить эту величину, если в качестве базовой (средней) температуры за ОП будем принимать величину для фактического ОП, который получается при функционировании данной системы с учетом реальной величины теплопоступлений и теплопотерь. Для этого нам следует определить фактическую граничную температуру начала и конца ОП, т.е. там, где реально нужно прекращать и возобновлять подогрев приточного воздуха. Она может отличаться от значения +10°С, указанного в качестве граничного в [6].

Тогда требуемая граничная температура для рабочего времени суток будет равна: ^гр(раб) = tn -1 (на один градус ниже с учетом подогрева в вентиляторе).

Требуемую температуру притока определяем, исходя из имеющихся теплоизбыт-ков в переходный период (ПП) и расхода воздуха:

3 6Qпп

tn — tу--изб.^ (в дд Quзбя ф 0, т.к. система отопления уже не работает, а теп-

лопоступления обычно выше, чем теплопотери);

где: ^ - температура уходящего из помещения воздуха, °С; - избытки явной

теплоты в ПП, Вт; Gn - массовый расход нагреваемого воздуха по 3-ему этажу, кг/ч. Для нашего примера

Gn = 10217 • 1,2 = 12500 кг/ч;

t= t. + 1 = 18 + 1 = 19 °С; t„ = 19 - 3 6 ' 25940 = 12 °С, следовательно, у в " 12500  1,005

t' - 12 -1 = 11 °Г

гр( раб) 1 11

Находим для этого момента среднесуточную температуру наружного воздуха при

t' -11

гр( раб) 11

= ) = 11 - 2,34 = 8,66 °С.

Это ниже, чем указанное в [6] нормативное граничное значение, равное 10 °С. Следовательно, имеющееся соотношение теплопоступлений и теплопотерь в данном здании в ПП года позволяет сократить фактическую продолжительность ОП, повысить его среднюю температуру по сравнению с нормативной и, тем самым, добиться дополнительного энергосбережения.

Фактические параметры ОП определяются по величине безразмерного коэффициента 0гр [7]:

Г -1

П _ гр Xм (Л\

вгР ~ '

гр хм

где: 1ХМ = -10,2 - средняя температура наружного воздуха наиболее холодного месяца, "С, [2]; и, - 10 °С [5];

„ 866 + 102 __

гр

20,2

t — t —

lon - 1гр ^гр

пгуллл вестник _7/20ГТ_МГСУ

Теперь можно вычислить фактическую среднюю температуру наружного воздуха за ОП:

I09 it -1 )

гр \гр lon!' v-v

где: ton = -2,2 - средняя температура наружного воздуха за ОП, °С, при tzp = 10 °С [2];

t'on = 8,66 - 0,9340,9 (10 - (- 2,2)) = -2,81 °С.

После этого определяем фактическую продолжительность ОП, которую впоследствии используем при расчете количества градусо-суток:

Zon ~ Zon@zp ,

где: Zon - продолжительность ОП, сут, в районе строительства [2];

Z'm = 231 • 0,9340,8 = 219.

Отсюда окончательно:

Dydcn = (18 + 2,81)219 - 4557 Ксут;

Эт.вент1 = 9  72000  1,005  4557  0,55  1433,11  10~6 / 4,19 = 558275 руб./г.

эм.венм2 = 9  72000  1,005  4557  1  1433,11  10~6 / 4,19 = 1015045 руб./г. Кроме затрат на тепловую энергию для подогрева воздуха, в состав эксплуатационных издержек входят также амортизационные отчисления. Мы вычисляем их, исходя из капитальных затрат на сооружение данной системы и систем теплоснабжения:

1.5^ту

^ам ~ T '

ам

где: Tom - расчетный срок службы оборудования, год; Кту - общие капитальные затраты на теплоутилизационное оборудование, руб.

Кту = 1.6\кпу0.33-(1 + 0.3)), руб.,

где: 1.6 - коэффициент, учитывающий монтажно-наладочные работы; 0.33 - доля стоимости теплоутилизационного оборудования по отношению к стоимости ПУ в базовом исполнении; 0.3 - коэффициент, учитывающий расходы на систему автоматики; Кпу — 27L , где Кпу - общая стоимость приточной установки, тыс.руб.; L - воздухо-

производительность системы, тыс.м3/ч; 27 - удельная стоимость приточной установки в базовой комплектации, руб./(м3/ч), при величине L, использованной в нашем примере, по таблице 3 [8]. Отсюда:

Кпу = 27 • 60 = 1620 тыс. руб.; Кту = 1.6  (1620000  0.33 -(1 + 0.3)) = 1111968 руб.;

Э, = -111196,8 Ру6./,

Суммарные годовые эксплуатационные затраты:

= Эт.вент.1 + Эам - С ТеПЛОуТИЛИЗаТОрОМ;

Э1 = 558275 + 111196.8 = 669471,8 руб./г.;

э2 = эт.вент.2 - без теплоутилизатора;

Э2 = 1015045 руб./г.; При использовании ТУ мы можем уменьшить мощность теплообменного оборудования и соответственно капитальные затраты на него. Такое уменьшение возможно, поскольку в соответствии с п.11.10 [6] при расчете такой мощности не требуется обязательное резервирование на случай выхода из строя системы ТУ и, таким образом, при ее наличии мощность будет ниже. Возможно, это окажется сопоставимым с дополнительными затратами на само теплоутилизационное оборудование. А эти затраты мы определяем, исходя из расчетной нагрузки на вентиляцию:

Qía2 = Gncв

где: 1н5 = -28 °С - средняя температура воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 [2]; кэф - коэффициент температурной эффективности теплоутили-затора; кэф = 0,45 - для теплоутилизатора с промежуточным теплоносителем; кэф = 0 -без теплоутилизатора. Следовательно, в нашем примере получаем:

= 72000 • 1,005(18 - (- 28))(1 - 0.45)/ 3,6 = 508,53 кВт;

0£Г2 = 72000 -1.005(18 - (- 28))/3,6 = 924,6 кВт;

Считаем, что затраты на подключение системы к тепловой сети составляют 15 тыс. руб. за 1кВт расчетной нагрузки. Отсюда для нашего случая имеем:

К1 — К"одкл + - капитальные затраты на установку с теплоутилизатором, руб.;

К?одкл = 508,53  15000 = 7627950 руб.; К1 = 7627950 + 1111968 = 8739918 руб.;

ТУ Тгподкл г

К 2 = К 2 - капитальные затраты на установку без теплоутилизатора, отсюда

К"20дкл = 924,6  15000 = 13869000 руб.; К2 = 13869000 руб.

Общую технико-экономическую оценку (ТЭО) в условиях рыночной экономики следует определять по совокупным дисконтированным затратам СДЗ [9]:

,т

СДЗ = К\1 + э

1 100 1

1I -1

100

^, Ру6 .

Здесь: Т - расчетный срок, для которого вычисляются СДЗ; р - норма дисконта. Рекомендуется принимать ее значение на уровне не ниже ставки рефинансирования ЦБ РФ. Действующая величина данной ставки в настоящее время составляет 7.75 % годовых.

Однако, как показывают выполненные расчеты, в рассматриваемом варианте имеет место абсолютная окупаемость ТУ, поскольку ее применение приводит не только к снижению эксплуатационных издержек, но и к уменьшению капитальных единовременных затрат, поскольку сокращение платы за подключение к теплосети вследствие падения установленной тепловой мощности оборудования систем В и КВ оказывается более существенным, чем дополнительные расходы на теплоутилизационное оборудование. Следовательно, расчет СДЗ в течение срока эксплуатации оборудование и их сопоставление по сравниваемым вариантам уже не требуются.

7/)П11 ВЕСТНИК _^/2OTT_МГСУ

Литература

1. ГОСТ 30494-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. - М.: ГУП ЦПП, 1999.

2. СНиП 23-01-99* «Строительная климатология». - М.: ГУП ЦПП, 2004.

3. В.Н.Богословский, М.Я.Поз. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. - М.: Стройиздат, 1983.

4. Источник: www.oaomoek.ru

5. О.Д.Самарин. О соотношении температурной эффективности теплоутилизаторов и снижения энергопотребления в системах вентиляции. // Энергосбережение и водоподготовка., 2009, № 2. - с. 40 - 42.

6. СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование».- М.: ГУП ЦПП,

2004.

7. О.Д.Самарин. Интегральные характеристики отопительного периода. // «СОК», 2010, № 2. - с. 38 - 40.

8. О.Д.Самарин. Технико-экономическое обоснование энергосберегающих мероприятий. Учебное пособие. - М.: МГСУ, 2011. - 55 с.

9. В.Г.Гагарин. Методы экономического анализа повышения уровня теплозащиты ограждающих конструкций зданий. Часть 1. // Журнал АВОК, 2009, № 1, с. 10 - 16.

Literature

1. National standard 30494-96. "Residential and public buildings. Indoor conditions". State Unitary Company Center of Design Products, Moscow 1999.

2. Building code 23-01-99 «Building climatology». State Unitary Company Center of Design Products, Moscow, 2004.

3. V.Bogoslovsky, M.Poz. "Thermophysics of heat utilization devices in heating, ventilation and air conditioning". . - Stroyizdat, Moscow 1983.

4. Moscow United Energy Company, www.oaomoek.ru.

5. O.Samarin. "Relationship between temperature efficiency of heat utilization units and decrease of energy consumption in ventilation". Energy efficiency and water treatment, 2009, №2, p. 4042.

6. Building code 41-01-2003. "Heating, ventilation and air conditioning". State Unitary Company Center of Design Products, Moscow, 2004.

7. O.Samarin. "Integral conditions of heating season". Sanitary engineering, heating, air conditioning, 2010, №2, p. 38-40.

8. O.Samarin. "The feasibility of energy saving measures". - Moscow, MSUCE, 2011. - 55 p.

9. V.Gagarin. "Methods of economic analysis of enclosure thermal protection level increase. Part 1". Nonprofit partnership ABOK magazine, 2009, №1, p.10-16.

Ключевые слова: энергосбережение, системы вентиляции, утилизация теплоты, граничная температура, градусо-сутки, капитальные затраты, эксплуатационные издержки

Key words: energy saving, ventilating systems, heat recovery, limit temperature, degree-day, investment costs, annual costs

e-mail: samarin1@mtu-net.ru