Оптимизация температурного графика централизованного теплоснабжения по критерию минимума затрат эксергии

УДК 697.341

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАФИКА ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПО КРИТЕРИЮ МИНИМУМА ЗАТРАТ ЭКСЕРГИИ

© Е.Э. Баймачев1, Л.М. Манзарханова2, М.В. Туфанова3, А.И. Левицкий4

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

В настоящее время при центральном теплоснабжении используются различные температурные графики. Одним из способов повысить эффективность использования энергии в системах теплоснабжения может служить применение эксергетического метода. Его применение для оптимизации температурных графиков систем теплоснабжения позволяет методами термодинамического анализа, без учета конъюнктурных экономических условий снижать затраты на функционирование систем поддержания микроклимата.

Ключевые слова: эксергия; теплоснабжение; температурный график; методы термодинамического анализа; снижение затрат.

CENTRALIZED HEAT SUPPLY TEMPERATURE CHART OPTIMIZATION BY MINIMUM EXERGY CONSUMPTION CRITERION

E.E. Baimachev, L.M. Manzarkhanova, M.V. Tufanova, A.I. Levitsky

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St, Irkutsk, 664074, Russia.

At present, different temperature charts are used under central heating. One of the methods to improve the efficiency of energy use in heat supply systems is the application of the exergy method. Its application for heat supply system temperature chart optimization allows to lower the operation costs of climate control systems by means of the methods of thermodynamic analysis without regard to short-term economic conditions. Keywords: exergy; heat supply; temperature chart; methods of thermodynamic analysis; cost saving.

В настоящее время при центральном теплоснабжении используются различные температурные графики, основывающиеся, в основном, на возможности теплоисточника поддерживать тот или иной режим теплоснабжения. С точки зрения потребителя, разумным видится подключение по более высоким температурам теплоносителя в прямом и обратном трубопроводах, так как это позволяет существенно снизить инвестиционные и эксплуатационные затраты. А с точки зрения поставщика энергии, температуры «подачи» и «обратки» должны быть возможно более низкими. В настоящее время все шире распространяется практика подключения потребителей к системе теплоснабжения по схеме из «обратки» в «обратку» с температурным графиком 70/40°С. При подобном подключении потребитель оказывается в условиях ограниченного выбора схем отопления объекта при неизменной стоимости тепловой энергии [1].

При температуре подачи теплоносителя на теплоисточнике, превышающей максимальную температуру, допускаемую в системах отопления по пути до отопительного прибора, происходит ее снижение в тепловом пункте. Таким образом, можно наблюдать неэффективное использование энергии, связанное с излишней ее тратой для нагрева теплоносителя до избыточной температуры.

Одним из способов повысить эффективность использования энергии в системах теплоснабжения и отопления может служить, в сочетании с другими, применение эксергетического метода [2, 3, 4]. Эксер-гией материи (в нашем случае теплоносителя) является ее максимальная способность к совершению работы в таком процессе, конечное состояние которого определяется условиями термодинамического равновесия с окружающей средой. Все энергетические процессы на практике протекают необратимо. Необрати-

1 Баймачев Евгений Эдуардович, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: (3952) 405143, e-mail: valka@istu.edu

Baimachev Evgeny, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Communications and Life Support Systems, tel.: (3952) 405143, e-mail: valka@istu.edu

2Манзарханова Любовь Михайловна, аспирант кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел. (3952) 405143, e-mail: l.manzarkhanova@mail.ru

Manzarkhanova Lyubov, Postgraduate of the Department of Engineering Communications and Life Support Systems, tel.: (3952) 405143, e-mail: l.manzarkhanova@mail.ru

3Туфанова Мария Валерьевна, магистрант кафедры строительного производства, тел. (3952) 405303, e-mail: marsha@istu.edu

Tufanova Maria, Master's Degree Student of the Department of Construction Operations, tel.: (3952) 405303, e-mail: marsha@istu.edu

4Левицкий Алексей Ильич, магистрант кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел. (3952) 405228, e-mail: npc@istu.edu

Levitsky Aleksei, Master's Degree Student of the Department of Engineering Communications and Life Support Systems, tel.: (3952) 405228, e-mail: npc@istu.edu

мость является причиной уменьшения совершенства процесса. Это уменьшение происходит не из-за потерь энергии, а связано с понижением ее качества. В необратимых процессах энергия не исчезает, а ухудшается ее качество - происходят затраты эксергии.

Одной из задач, стоящих перед профессиональным сообществом, является определение оптимального температурного графика теплоснабжения. Найти эксергетически оптимальный график возможно, решив совместно два уравнения: определения минимальных затрат эксергии в системе теплоснабжения и определения минимальных затрат энергии (эксергии) на привод циркуляционных насосов.

Для расчета необходимого массового расхода теплоносителя, поступающего из тепловой сети, кг/с, используем формулу

С =

С<Т1-Т2)'

где Qтс - количество тепла на отопление здания, кВт; c - теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг-К); Т^ Т2 -температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе соответственно, К.

Содержание тепловой энергии в каждом из трубопроводов, Вт, определяется как

Q = GcT,

где T - температура соответствующего теплоносителя, К.

Эксергию теплового потока возможно определить как произведение энергии теплового потока и коэффициента работоспособности тепла [4-7]:

Е

где Т0 - температура окружающей среды, К.

Для подающего (Т = Т1) трубопровода тепловой сети температурой окружающей среды будет являться температура воздуха внутри здания (Т0 = Тв), а для обратного (Т = Т2) трубопровода этой температурой будет температура внутри канала теплотрассы - при канальной прокладке; или температура грунта - при бесканальной прокладке (Т0 = Тк); в общем случае за температуру канала принимаем температуру грунта, поскольку в результате теплообмена воздух канала нагревает грунт [8]. В случае наружной прокладки тепловых сетей температурой окружающей среды для обратного теплоносителя будет являться температура наружного воздуха [9].

Таким образом, энергия и эксергия теплоносителя в подающем трубопроводе:

Ql = GcTl,

El = Ql

Для теплоносителя в обратном трубопроводе:

<22=С-С-Т2,

Для расчета затрат эксергии:

АЕ = Ел -Еп.

Складывая уравнения (4-8), при равенстве расходов прямого и обратного теплоносителя, получим:

АЕ = С -с -ТА!

ю

С • с -Т-

х(1-^) = С-с-(Т1-Т2-Тв+Тк).

При равных расходах теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, наблюдающихся в закрытых системах теплоснабжения, заменив в уравнении (9) расход теплоносителя его функцией от температуры, получим следующее выражение:

АЕ =

Из уравнения (10) следует, что затраты эксергии, связанные с тепловой сетью при (Тв - Тк) = (Т1 - Т2), становятся нулевыми [10].

Таким образом, получаем функцию изменения затрат эксергии в зависимости от температур теплоносителя в трубопроводах и температуры окружающей среды.

Переписав (10) как

АЕ = Q,!CkAE,

где кДЕ = !

Тв-Тк Т1-Т2

- коэффициент затрат эксергии в

тепловой сети, получаем удобный инструмент определения эксергетически оптимальной температуры теплоносителя.

Проводя расчеты кАЕ для различных температурных графиков теплоснабжения в интервале температур в подающем трубопроводе от 55°С (минимальная температура теплоносителя для горячего водоснабжения) до 150°С, а для температурных графиков с температурой обратного теплоносителя, равной 70°С, - от 71 °С до 150°С; необходимо отметить, что в интервале температур от 55-70°С до величины (Тв - Тк) = (Т - Т2) кАЕ имеет отрицательный знак.

Одними из наиболее значимых потребителей тепловой энергии являются жилые, общественные и административные здания с расчетными температурами внутреннего воздуха 18 и 20°С. Результаты расчетов кАЕ для зданий такого типа с температурой внутреннего воздуха, равной 18°С, приведены в табл. 1, а с температурой внутреннего воздуха, равной 20°С, - в табл. 2. В качестве температур окружающей среды для обратного трубопровода приняты температуры грунта и температура наружного воздуха по параметрам Б для г. Иркутска.

Таблица 1

Значения кЛЕ с различными температурами обратной магистрали для подземной _и наружной прокладки при температуре внутреннего воздуха 18°С_

и = 18°С

Ъ = -3°С

°С К ^ = 70°С

55 328 - -1,100 -0,400 - -4,100 -2,400

60 333 - -0,400 -0,050 - -2,400 -1,550

61 334 - -0,313 0,000 - -2,188 -1,429

65 338 - -0,050 0,160 - -1,550 -1,040

66 339 - 0,000 0,192 - -1,429 -0,962

70 343 - 0,160 0,300 - -1,040 -0,700

75 348 -3,200 0,300 0,400 -9,200 -0,700 -0,457

80 353 -1,100 0,400 0,475 -4,100 -0,457 -0,275

85 358 -0,400 0,475 0,533 -2,400 -0,275 -0,133

90 363 -0,050 0,533 0,580 -1,550 -0,133 -0,020

91 364 0,000 0,543 0,588 -1,429 -0,109 0,000

95 368 0,160 0,580 0,618 -1,040 -0,020 0,073

96 369 0,192 0,588 0,625 -0,962 0,000 0,089

100 373 0,300 0,618 0,650 -0,700 0,073 0,150

105 378 0,400 0,650 0,677 -0,457 0,150 0,215

110 383 0,475 0,677 0,700 -0,275 0,215 0,271

115 388 0,533 0,700 0,720 -0,133 0,271 0,320

120 393 0,580 0,720 0,738 -0,020 0,320 0,363

121 394 0,588 0,724 0,741 0,000 0,329 0,370

125 398 0,618 0,738 0,753 0,073 0,363 0,400

130 403 0,650 0,753 0,767 0,150 0,400 0,433

135 408 0,677 0,767 0,779 0,215 0,433 0,463

140 413 0,700 0,779 0,790 0,271 0,463 0,490

145 418 0,720 0,790 0,800 0,320 0,490 0,514

150 423 0,738 0,800 0,809 0,363 0,514 0,536

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 § 0,4 0,3 0,2 0,1 0

Температура в подающей магистрали, °С

— 1 — 2 — 3

Коэффициент затрат эксергии тепловой сети температурных графиков теплоснабжения для следующих условий tв = 18°С, Ы = -3 °С: 1 - 70°С; 2 -12 = 45 °С; 3 -12 = 40 С

55 59 63 67 71 75 79 83 87 91 95 99 103107111115119123127131135139143147

Таблица 2

Значения кЛЕ с различными температурами обратной магистрали для подземной и наружной прокладки при температуре внутреннего воздуха 20°С

11 и = 20°С

1к = -3°С

°С К 12 = 70°С

55 328 - -1,300 -0,533 - -4,300 -2,533

60 333 - -0,533 -0,150 - -2,533 -1,650

63 336 - -0,278 0,000 - -1,944 -1,304

65 338 - -0,150 0,080 - -1,650 -1,120

68 341 - 0,000 0,179 - -1,304 -0,893

70 343 - 0,080 0,233 - -1,120 -0,767

75 348 -3,600 0,233 0,343 -9,600 -0,767 -0,514

80 353 -1,300 0,343 0,425 -4,300 -0,514 -0,325

85 358 -0,533 0,425 0,489 -2,533 -0,325 -0,178

90 363 -0,150 0,489 0,540 -1,650 -0,178 -0,060

93 366 0,000 0,521 0,566 -1,304 -0,104 0,000

95 368 0,080 0,540 0,582 -1,120 -0,060 0,036

98 371 0,179 0,566 0,603 -0,893 0,000 0,086

100 373 0,233 0,582 0,617 -0,767 0,036 0,117

105 378 0,343 0,617 0,646 -0,514 0,117 0,185

110 383 0,425 0,646 0,671 -0,325 0,185 0,243

115 388 0,489 0,671 0,693 -0,178 0,243 0,293

120 393 0,540 0,693 0,713 -0,060 0,293 0,338

123 396 0,566 0,705 0,723 0,000 0,321 0,361

125 398 0,582 0,713 0,729 0,036 0,338 0,376

130 403 0,617 0,729 0,744 0,117 0,376 0,411

135 408 0,646 0,744 0,758 0,185 0,411 0,442

140 413 0,671 0,758 0,770 0,243 0,442 0,470

145 418 0,693 0,770 0,781 0,293 0,470 0,495

150 423 0,713 0,781 0,791 0,338 0,495 0,518

Представленные в табл. 1, 2 результаты вычислений кАЕ показывают долю затрат эксергии в тепловых сетях. В отрицательной зоне кАЕ может колебаться до минус «, в положительной - до 1. Представляется, что отрицательный знак при вычислении коэффициента затрат эксергии в тепловой сети обусловлен затратами эксергии на транспорт теплоносителя. Вследствие этого при снижении разницы температур между температурой в подающем трубопроводе к температуре внутреннего воздуха он стремится к бесконечности. Избыточный перегрев теплоносителя приводит к затратам эксергии при теплообмене с окружающей средой. Эту неэффективность показывает положительный знак при вычислении коэффициента.

Оценить общую эксергетическую эффективность процесса теплоснабжения можно, выразив коэффициент затрат эксергии в тепловой сети как

кйЕ = 11-г1г[

I 11-12I

Вычисленные в таком виде значения кАБ для различных температурных графиков представлены на рисунке.

Таким образом, наиболее предпочтительными, с эксергетической точки зрения, выглядят следующие температурные графики теплоснабжения:

для канальной прокладки

- для принятой температуры внутреннего воздуха, равной 18°, - 91/70°С, 66/45°С, 61/40°С;

- для принятой температуры внутреннего воздуха, равной 20°, - 93/70°С, 68/45°С, 63/40°С;

для бесканальной прокладки

- для принятой температуры внутреннего воздуха, равной 18°, - 121/70°С, 96/45°С, 91/40°С;

- для принятом температуры внутреннего воздуха, равной 20°, - 123/70°С, 98/45°С, 93/40°С.

Применение эксергетического метода для оптимизации температурных графиков систем теплоснабжения позволяет методами термодинамиче-

ского анализа, без учета конъюнктурных экономических условий, снижать затраты на функционирование систем поддержания микроклимата.

Статья поступила 26.05.2015 г.

Библиографический список

1. Чапаев Д.Б., Зоря И.В., Оленников А.А. Влияние климатических факторов на теплопотребление жилых зданий // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2014. № 2 (662). С. 89-95.

2. Парфенов В.И., Анисимова Е.Ю., Нагорная А.Н. Об оптимальном управлении тепловым режимом здания // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Энергетика. 2007. № 20 (92). С. 3-9.

3. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч. I. Отопление/ В.Н. Богословский, Б.А. Крупнов, А.Н. Сканави [и др.] / под ред. И.Г. Староверова и Ю.И. Шиллера. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1990. 344 с.

4. Старикова Н.В., Степанов В.С. Исследование термодинамической эффективности системы теплоснабжения // Системы. Методы. Технологии. 2012. № 2. С. 64-70.

5. Степанов В.С., Степанова Т.Б. Эффективность использования энергии. Новосибирск: Наука, 1994. 257 с.

6. Степанов В.С. Методы оценки термодинамической эф-

фективности систем поддержания микроклимата // Известия вузов. Строительство. 2009. № 10. С. 46-54.

7. Степанов В.С., Степанова Т.Б. Определение эффективности использования энергии в транспортных системах на основе энергетического и эксергетического КПД (на примере трубопроводного транспорта) // Системы. Методы. Технологии. 2010. № 8. С. 126-32.

8. Васильев Г.П. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России // АВОК. 2007. № 5 [Электронный ресурс]. иР1_: ЫЬ.сопуЬосБ.огд/у37874/васильев (19.01.2015).

9. Айзенберг И.И. Основы надежности систем жизнеобеспечения: учеб. пособие. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. 144 с.

10. Мельник И.А., Манзарханова Л.М. Влияние температурного графика теплоснабжения на эксергетический баланс зданий // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2014. № 6 (11). С. 68-73.

УДК 7.012

ЭКОПОСЕЛЕНИЕ: МОДНЫЙ ТРЕНД, БИЗНЕС-ИДЕЯ ИЛИ ЖИЗНЕННАЯ НЕОБХОДИМОСТЬ

© О.Е. Железняк1, М. В. Корелина2, А. Ю. Ланкина3

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Обсуждаются идеология экопоселений и принципы экодизайна как актуальные тренды современной художественно-проектной культуры, жизненная необходимость и часть перспективного бизнес-развития, осмысление которых требует нахождения баланса между аутентичной природой места и искусственно созданной предметно-пространственной средой, повышает значение «нового диалога человека с природой», характерного для синер-гетических концепций и культивируемого в экологическом мировидении. Приводится опыт кафедры «Дизайн» ИРНИТУ по изучению и профессиональной реализации этих представлений.

Ключевые слова: экопоселение; экодизайн; природосообразный; экологическое проектирование; синергетика; кафедра «Дизайн» ИРНИТУ.

ECOSETTLEMENT: A FASHIONABLE TREND, BUSINESS-IDEA OR VITAL NECESSITY O.E. Zheleznyak, M.V. Korelina, A.Yu. Lankina

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article discusses the ideology of ecosettlements and principles of ecodesign as relevant trends of modern artistic and design culture, as a vital necessity and a part of long-term business-development. Their comprehension requires to find the balance between the authentic nature of place and artificially created objective-spatial environment as well as increases the value of a "new dialog between a man and nature" which is characteristic of synergetic conceptions and is cultivated in the environmental worldview. The authors present the experience of studying and professional implementation of these ideas at the Design Department of INRTU.

Keywords: ecosettlement; ecodesign; in conformity with nature; environmental design; synergetics; Design Department of INRTU.

1Железняк Ольга Евгеньевна, кандидат искусствоведения, профессор, зав. кафедрой «Дизайн», тел.: 89148746790, e-mail: olgaej@hotbox.ru

Zheleznyak Olga, Candidate of Art Criticism, Professor, Head of the Design Department, tel.: 89148746790, e-mail: olgaej@hotbox.ru

2Корелина Мирья Вячеславовна, доцент кафедры «Дизайн», тел.: 89148778999, e-mail: miria84@mail.ru КогеНпа Mirya, Associate Professor of the Design Department, tel.: 89148778999, e-mail: miria84@mail.ru.

3Ланкина Александра Юрьевна, дизайнер студии дизайна и архитектуры «Интрига», тел. 89641088429, e-mail: shlipnik@mail.ru

Lankina Aleksandra, Designer of the Studio of Design and Architecture "Intrigue", tel.: 89641088429, e-mail: shlipnik@mail.ru