Использование солнечной энергии для теплоснабжения городского района с применением теплового насоса и солнечного бассейна

УДК 662.997:621.472

Использование солнечной энергии для теплоснабжения городского района с применением теплового насоса и солнечного бассейна

А. Л. Петросян,

кандидат технических наук, доцент, Ереванский государственный университет архитектуры и строительства

Изучены и рассмотрены возможности применения систем солнечного теплоснабжения с использованием теплонасосной установки и солнечного бассейна для нужд горячего водоснабжения городского района в условиях г. Еревана за летний и переходный периоды. Приведены актинометрические и метеорологические данные местности и параметры, необходимые величины для расчёта и подбора узлов теплового насоса, насоса для циркуляции воды, теплообменного оборудования системы горячего водоснабжения, а также технико-экономические показатели.

Ключевые слова: солнечный бассейн, тепловой насос, солнечная энергия, горячее водоснабжение.

Для государств, ориентированных на привозное топливо и имеющих благоприятные климатические условия, применение нетрадиционных источников тепла является важной задачей. Зависимость от поставщиков топлива и их цен, цен на транспортировку, частые перебои из-за технических и политических причин ставят перед специалистами отрасли задачу поиска энергосберегающих технологий и решения проблем теплоснабжения. Одной из таких стран является Армения. Несмотря на относительно низкие цены на природный газ, часть населения страны ограничивает себя в потреблении горячей воды и т. п. Один из выходов из создавшегося положения - применение нетрадиционных источников тепла. В данной статье рассмотрен вопрос использования солнечной энергии наиболее эффективным способом - применение тепловых насосов, использующих теплоту солнечной радиации, сконцентрированной в солнечном пруду или бассейне.

Такая система может эффективно использоваться для создания микроклимата в помещениях, при этом солнечный пруд или бассейн заменяет громоздкие дорогостоящие солнечные коллекторы.

Поскольку данный материал является частью исследовательских работ [1, 2], посвящённых применению солнечной энергии для теплоснабжения и ГВС, то в качестве примера взят район г. Еревана с численностью населения 20 тысяч человек. Согласно экспериментальному проекту, горячее водоснабжение должно осуществляться с апреля по октябрь с использованием систем солнечного теплоснабжения с тепловыми насосами и солнечным бассейном при тепловой нагрузке 7 МВт. За оставшиеся месяцы года ГВС осуществляется системой теплоснабжения с традиционными источниками теплоты. Актинометрические и метеорологические данные местности представлены в табл. 1, а характеры изменения суммарной солнечной радиации Яме'

(МДж/м2) в месяц и суммарной солнечной радиации 4 (Вт/м2) за месяц представлены кривыми 1 и 2 (рис. 1 а). Последнее определяется при известной месячной суммарной солнечной радиации ЯС^ и продолжительности солнечного сияния п^ (см. кривую 3 на рис. 1 а) по формуле

Я"

800

600

400

200

I _../..„. I

а ж/м ме Bm/м2 с 1

\2 / V 1

/ 1

3 / { \ 1

4

350

310

270

230

190

апрель май июнь июль авг. сент. окт. а

апрель май июнь июль б

Рис. 1. Ход изменения актинометрических и метеорологических параметров в условиях г. Еревана

0

ШИШИ2Ш

= 28

Энергобезопасность и энергосбережение =

Актинометрические и метеорологические данные для г. Еревана

Таблица 1

Месяцы

Данные местности Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь

Суммарная солнечая радиация, Нмс', МДж/м2 (в мес.) 479,23 641,3 847,95 867,85 726,37 601,77 413,81

Среднемесячная температура наружного воздуха, Та,°С 13,5 17,3 21,1 26,6 24,9 19,8 12,9

Продолжительность солнечного сияния, пмс., ч (в мес.) 202,8 232,1 300,0 366,4 321,1 297,3 233,4

Суммарная солнечная радиация, 1а, Вт/м2 656,4 767,5 785,1 657,9 628,4 562,3 492,5

Из анализа кривой 2 следует, что за март-май, при меньшей месячной суммарной радиации ЯМа и продолжительности солнечного сияния п^ суммарная солнечная радиация за месяц 1а больше, чем за летние месяцы. Это обусловлено меньшими значениями пмс'. За август-октябрь 1а снижается, поскольку значения п^ остаются выше, чем за март-май. Это может означать, что на характер изменений 1а больше влияет п^, чем Нмс'.

Изменение среднемесячной температуры наружного воздуха Та,°С за указанный сезон представлено кривой 1 на рис. 1 б. Последнее обуславливает температуру жидкости Т{ в бассейне, а она, в свою очередь, температуру испарения хладагента в испарителе теплового насоса Т0.

Температура испарения хладагента в испарителе теплового насоса Т0 при перепаде в 50 °С между Т0 и средней температурой жидкости Т{ определится выра жением

То-Т,-5.

~7~

9

16 4^-

=0

-а

.13

2

Температура испарения Т0 и конденсации Тк хладагента характеризует температурный режим теп-лонасосного цикла. А энергоэффективность ТН или коэффициент преобразования |ТН во многом зависят от этих величин. Поскольку температура Тк, в свою очередь, зависит от температуры воды для ГВС, а она почти всегда постоянна, то имеем: |lТН=f(T0). Последнее означает, что в течение сезона горячего водоснабжения энергоэффективность теплового насоса будет меняться.

В качестве альтернативы традиционному источнику теплоты газовому котлу 1 (рис. 2) предлагается установить тепловой насос (1), конденсатор (2), который через линии (3) и (4) подключен к подающим (5) и обратным (6) трубопроводам подачи воды ГВС, а испаритель (7) - линиями (8) и (9) к солнечному бассейну (10). В испаритель (7) НИТ-вода солнечного бассейна, нагретая до температуры окружающей среды, подаётся насосом (11) и охлаждается в нём на

Рис. 2. Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения с тепловым насосом и солнечным бассейном

4-5 С за счёт испарения хладагента. В конденсаторе (2) за счёт теплоты конденсации хладагента водопроводная вода, поступающая по трубопроводу (13), нагревается до необходимой температуры и насосами подаётся к потребителям для нужд ГВС.

Пары хладагента всасываются компрессором (12) для повторного сжатия. При этом повышается температура до температуры конденсации Тк и соответствующего давления рк. Этим теплонасосный цикл и работа теплового насоса завершаются.

Для проведения сравнительных технико-экономических расчётов необходимо определить поверхность солнечного бассейна, произвести расчёт и подбор оборудования: насосов, баков-аккумуляторов и т. д.

Поверхность солнечного бассейна определяется следующим образом. Количество теплоты, поступающее в воду бассейна за счёт суммарной солнечной радиации, определяется согласно [3] по формуле

«=0,8^.

Коэффициент 0,8, характеризующий поглотительную способность воды в бассейне, зависит от альбедо (характеристика отражательных свойств

6

5

ДВИЯ8ИВИИ

поверхности) воды, географического месторасположения, глубины водоёма и состава воды.

Тепловые потери от бассейна обусловлены тепловым отражением части солнечной радиации, поступающей в воду бассейна, тепловой конвекцией от поверхности, испарением воды, теплопроводностью и определяются по формуле

Фт.п. ^+Фконв+Фисп+Ф

т.пр.*

Тепловые потери вследствие отражения части солнечной радиации можно определить формулой Стефана-Больцмана для описания теплового излучения между поверхностью воды и обращенного к нему небосвода:

<2К = 0,96ст I -5-1 + " 400) 1,100,

Температура Тн, согласно [4], определяется формулой

Тн= 0,0552(7^;м)1,5.

«конв+«исп=0,04-0,05дк.

Ят.п=8-1,05Як

Нагрузка на испаритель Qисп теплового насоса, с другой стороны, зависит от термодинамических свойств хладагента, применяемого в ТН, и температуры испарения То, а последнее, в свою очередь, от температуры воды бассейна (2). Задав температурный перепад между температурами испарения и воды бассейна порядка Д<^=4-5 °С, можно найти взаимосвязь между температурой испарения хладагента 10 и температурой воды бассейна перед входом и выходом £ввх. в испаритель. Последнее имеет вид:

С - /

= е

где 0,96 - степень черноты небосвода;

а - постоянная Стефана-Больцмана, о=5,67-10 Вт/м2 °С;

Т{, Тн - абсолютная температура воды бассейна и небосво да.

Температура воды бассейна может быть равна температуре мокрого термометра и может быть определена с помощью диаграммы влажного воздуха при барометрическом давлении местности. Однако с приемлемой точностью можно принимать

где Л£ - среднелогарифмическая разность температур в испарителе ТН.

Пользуясь выражением (10), диаграммой рили Т~в хладагента, например R-22, можно определить действительную удельную тепло- и хладопроизво-дительность, работу теплового насоса. Из равенства его теплопроизводительности и тепловой нагрузки ГВС района можно определить массовый расход хладагента и воды солнечного бассейна, а затем и тепловую нагрузку на испаритель.

Необходимая поверхность солнечного бассейна определится формулой

^исп.

^ = СБ

Имея эти величины, можно определить QR.

Теплопотери конвекцией и испарением зависят от разницы парциальных давлений воды бассейна и водяных паров влажного воздуха, температурного перепада над поверхностью бассейна и т. п. Однако с приемлемой точностью можно принимать

Тепловыми потерями из-за процесса теплопроводности между водой и грунтом можно пренебречь, поскольку теплота, уходящая в грунт, возвращается в воду бассейна, когда температура воды за ночные часы падает.

С учётом вышеизложенных формул теплопос-тупления в воду бассейна от солнечной радиации составят:

Пользуясь формулами (1-9) и данными таблицы, можно определить 1а, QR, QS, а затем и поверхность бассейна FCБ, если известна нагрузка на испаритель теплового насоса Qисп при заданной тепловой нагрузке ГВС района драй. '

а-1,05а

Объём и глубина воды бассейна за сутки, с учётом его аккумулирующей способности, определяется по месяцам сезона исходя из массового и объёмного расхода воды, продолжительности ГВС за сутки и максимальной поверхности бассейна.

Имея КПД, требуемый напор насоса, массовые и объёмные расходы воды, удельную действительную работу и массовую производительность компрессора теплового насоса, можно определить мощности приводов насоса и компрессора и расходы электроэнергии за сезон.

Приняв удельный расход топлива на ТЭС порядка 0,35 кг/кВт-ч (выработка электроэнергии по конденсационному циклу), можно определить сезонный расход топлива на ТЭС для выработки электроэнергии на нужды данной системы для покрытия нагрузки ГВС указанного района.

Значения искомых величин в виде удельных величин qs, дк, а также поверхность солнечного бассейна FСБ, определённые по изложенному методу, представлены в виде кривых на рис. 3.

Из анализа графиков следует, что при большей месячной суммарной радиации Нмс и меньшей продолжительности солнечного сияния Нмс за март-май суммарная радиация 1а значительно больше, что и приводит к большим значениям удельных теплопо-ступлений в воду бассейна д8, несмотря на большие теплопотери 1,05д^ Вследствие этого расчётное значение поверхности ¥СБ за эти месяцы значительно меньше, чем за летние. При резком падении месячной суммарной радиации и продолжительности солнечного сияния происходит снижение 1а и д8, повышение д^ из-за чего расчётное значение поверхности бассейна

гативши

= 30

Энергобезопасность и энергосбережение

за период с сентября по ноябрь резко увеличивается, достигая своего максимума за ноябрь, что составляет примерно 22000 м2, а за октябрь 15600 м2. Незначительное изменение удельных теплопотерь qR обусловлено примерной симметричностью изменения температур воды бассейна Т{ и небосвода Тн.

Имея нагрузку ГВС и поверхность солнечного бассейна, можно произвести подбор оборудования, а затем определить технико-экономические показатели системы. Эти показатели следует сравнить с показателями систем, имеющих традиционные источники теплоты - котлы с разным КПД, зависящим от радиуса теплоснабжения.

Приведённые затраты на систему с тепловым насосом и солнечным бассейном складываются из посезонных долей капвложений на них при нормативном коэффициенте 0,1 и 0,05, эксплуатационных затрат на топливо, расходуемое в котлах ТЭС для выработки электроэнергии, потребляемой приводами компрессора теплового насоса и насоса для циркуляции воды бассейна.

35000 РС м2 - - Я я вт/м2

30000 25000 20000 15000 10000 — = — 1

== 3 —' — — — ==

5000 0 / # / / 2 С / 1 & ? £

Рис. 3. Номограмма определения удельных теплопритоков (д, кривая 1) и теплопотерь (1,05, кривая2), поверхности СБ кривая 3) для жилого района г. Еревана

Расчёт капвложений производится по удельным показателям, которые для ТН составляют примерно 200-500 долл./кВт (для крупных и средних ТН), а на СБ порядка 20-40 долл./м2.

Исходя из этого, капвложения при тепловой нагрузке ЕфгВС'=7 МВт и поверхности СБ ^СБ= = 15 600 м2) составят КтСЕС с ™ и СБ=30х15 600=468 тыс. долл. Годовые доли капвложений на ТН, при нормативном коэффициенте £нСТСсТН=0,08 составят 112 тыс. долл., а сумма на реновацию ТН, при К^ с ТН=0,0627, составит 87 780 долл.

Эти величины на СБ при £^=0,05, К™=0,0112 составят соответственно 23,4 и 5,2 тыс. долл.

Посезонное потребление электроэнергии приводами компрессора ТН и насоса НПТ составляет 2 105 МВт-ч. Соответственно, посезонное потребление условного топлива на ТЭС для выработки этого количества электроэнергии на нужды системы, при удельном расходе топлива 0,35 кг/кВт-ч (если ТЭС работает по конденсационному циклу) составят 736,8 т у.т./сез. При стоимости топлива, принятой в Республике Армении, 215 долл./год м3 (с апреля 2010 г. - 250 долл./год м3), если потребитель потребляет до 10 000 м3/год природного газа, эксплуатационные расходы на топливо составят

158 401 долл./сез. Ориентировочные сезонные расходы на зарплату обслуживающего персонала при численности 3 человека составят:

о гт ССТ с ТН и СБ О 1 с п /

ЗПсез =3 150 долл./сез.

Экологический ущерб от вредных выбросов котлов ТЭС, обеспечивающих электроснабжение ТН и насоса, составит: ЭК<ССзГ с ТН и СБ=1 829 долл./сез. при выбросах двуокиси серы и азота соответственно 39,7 и 8,5 т/сез.

Приведённые затраты на системы с тепловым насосом и солнечным бассейном составят

\^1-)ССТ с ТН и СБ ОП1 ПСП

лЗр =391 760 долл. за год.

Вариант системы с котлом имеет нижеследующие технико-экономические показатели. Удельные капвложения на котёл, включая стоимость здания, насоса, установок химводоочистки и т. п., и в зависимости от теплопроизводительности, могут составить от 100 до 150 долл./кВт исходя из чего капвложения составят 1,05 млн долл., годовые доли капвложений на районный котёл, при нормативном коэффициенте ЕСТ с кот=0,1, составят 105 тыс. долл., а сумма на реновацию котла, при К^ с кот=0,0627, составит 65 835 долл.

При тепловой нагрузке ЕфГВС'=7 МВт и продолжительности ГВС пГВС=2 002 ч/сез. сезонный расход топлива на систему с котлом определится как сумма расходов топлива в котле и на ТЭС для выработки электроэнергии на нужды привода насоса, обеспечивающего циркуляцию воды между котлом и скоростным водонагревателем. Расход топлива в котле, при КПД районного котла пСкТ с кот=0,9, составит 1 676,6 т у.т./сез., и затраты в денежном выражении составят 354 556 долл.

Сезонные расходы на зарплату обслуживающего персонала при численности 3 человека составят: ЗПСТ с кот = 3 150 долл./сез.

Экологический ущерб от вредных выбросов районного котла и котлов ТЭС, обеспечивающих теплоэлектроснабжение систем района, составят: ЭКСТ с кот=3 320 долл./сез.

Приведённые затраты на систему с котлом составят: 1ЗКрСТ с кот=531 862 долл.

Анализ полученных результатов показывает, что по технико-экономическим показателям система с тепловым насосом и солнечным бассейном превосходит систему с котлом. Привёденные затраты для рассмотренного городского района г. Еревана сокращаются на 140 102 долл. за сезон или до 36 %. Последнее исходит из того, что эксплуатационные расходы на топливо при системе с тепловым насосом и солнечным бассейном сокращаются в 2,3 раза, а на возмещение экологического ущерба - в 1,8 раза, несмотря на низкие годовые расходы на основное оборудование более чем в 1,34 раза при системе с котлом. Дальнейшее удорожание топлива приведет к усугублению этих соотношений в пользу описываемых в статье систем.

Выводы

1. Использование солнечной энергии целесообразно при благоприятных актинометрических и метеорологических условиях местности. Для улучшения

ДЕИЯ8ИВИИ

энергоэкологических показателей систем солнечного теплоснабжения следует использовать тепловые насосы, которые в летние месяцы могут работать по комбинированному циклу с одновременной выработкой теплоты для ГВС и холода для создания микроклимата в зданиях микрорайона.

2. Технико-экономические показатели систем с тепловым насосом и солнечным прудом или бассейном выше, чем у других вариантов систем, например с котлом. Применение рассмотренных систем рекомендовано для условий, сходных с условиями г. Еревана.

Литература

1. Петросян А. Л. Об энергоэкономической целесообразности применения теплонасосных установок // Промышленность, строительство и архитектура Армении. - Ереван, 1989. - С. 52-55.

2. Петросян А. Л. Использование солнечной энергии и тепловых насосов для теплоснабжения жилых зданий // Сборник научных трудов Ереванского государственного университета архитектуры и строительства. II том. - 2003. - С. 122-124.

3. Отчет НИР. Испытание моделей солнечных бассейнов и разработка рекомендации по их применению. ГрузНИИЭГС. - Тбилиси. - 1986. - 46 с.

4. Костантиновский Ю. А. и др. Опыт создания комбинированной солнечнотопливной котельной в коммунальном хозяйстве // Жилищное и коммунальное хозяйство. - 1980. - С. 22-24.

Using of solar energy to heat the urban area with a heat pump and solar pool

A. L. Petrosyan, Ph.D., Associate Professor, Yerevan State University of Architecture and Construction

The article aims to explore the possibilities of solar heating systems using heat pumps and solar pool hot water for the needs of the urban area in Yerevan during the summer and transitional periods of the year. Given actinometrical terrain and weather data and parameters necessary to calculate the value and selection of units of heat pump, pump for water circulation, heat exchange equipment hot water system, as well as technical and economic indicators.

Keywords: solar pool, heat pump, solar energy, hot watersupply.

ОБЪЯВЛЕНИЕ

Московский институт энергобезопасности и энергосбережения приглашает на онлайн-курсы подготовки к ЕГЭ по предметам:

- математика;

- физика.

www.ege.mieen.ru Тел. (495) 965-31-56

ШШ8№Ш