Влияние температурного графика теплоснабжения на эксергетический баланс здания

УДК 697.1

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ГРАФИКА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ЗДАНИЯ

И.А. Мельник, Л.М. Манзарханова

Рассмотрена энергетическая и эксергетическая эффективность зданий при различных температурных графиках теплоснабжения. Предложен метод определения термодинамически оптимальной температуры подачи теплоносителя в зависимости от температуры окружающей среды, температуры обратной магистрали и способа прокладки тепловой сети.

Ключевые слова: тепловые сети; эксергия; энергоэффективность; температурный график; теплоноситель.

IMPACT OF THE TEMPERATURE SCHEDULE OF HEATING ON THE EXERGY

BALANCE OF THE BUILDING

I.A. Melnik, L.M. Manzarkhanova

We considered the energy and exergy effectiveness of the buildings at the different temperature schedules of heating. We offered the method of definition of thermodynamically optimal temperature of the heat carrier depending on the environment temperature, the temperature of the reverse trunk and the way of laying of the heating network.

Key words: heating network; exergy; energy effectiveness; temperature schedule; heat carrier.

Эксергетический анализ указывает на местоположение, величину и источники термодинамической неэффективности в системе. Эта информация является достаточной для повышения эффективности системы и уменьшения ее стоимости, а также предназначена для сравнения различных систем (потребляющих энергию разного качества) по этим показателям. Эта информация не доступна при использовании других видов анализа, например энергетического [1, 2, 3].

Целью данной работы является составление эксергетического баланса жилого здания, определение величины потерь эксергии и влияние на них температурного графика тепловой сети. Определение эксергетической эффективности проводилось на основе теплового баланса реального жилого здания, расположенного в г. Иркутске с учетом требований нормативных тепловых потерь через ограждающие конструкции.

В общем случае тепловой баланс здания складывается из потерь тепловой энергии через ограждающие конструкции, на инфильтрацию и естественную вентиляцию и восполнения этих потерь из тепловой сети и с бытовыми теплопоступлениями:

Для расчета необходимого массового расхода теплоносителя, поступающего из тепловой сети, кг/с, используем формулу [4]:

где Qтс - количество тепла на отопление здания, кВт; с - теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг-К); Т1, Т2 - температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе соответственно, К.

Содержание тепловой энергии в каждом из трубопроводов, Вт, будем определять

где Т - температура соответствующего теплоносителя, К.

Эксергию теплового потока будем рассчитывать как произведение энергии теплового потока и коэффициента работоспособности тепла [5]:

Г

где То - температура окружающей среды, К.

Для подающего (Т=Т1) трубопровода тепловой сети температурой окружающей среды будет являться температура воздуха внутри здания (Т0=Тв), в то время как 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. В случае наружной прокладки тепловых сетей температурой окружающей среды для обратного теплоносителя будет являться температура наружного воздуха [6, 7, 8].

Таким образом, для определения энергии и эксергии теплоносителя в подающем трубопроводе, запишем:

в^-е-с-ъ,

Для теплоносителя в обратном трубопроводе:

е.=в • с  тл,

Для расчета потерь эксергии: Складывая уравнения (5-9) получим:

лЬС.сТ.^-^-С.сТ^г-^С-с.^-^-Г^Г).

Заменив в уравнении (10) расход теплоносителя его функцией от температуры, получим следующее выражение:

- Г2 - Га + Гк) = - (1 - .

Из уравнения (11) следует, что потери эксергии, связанные с тепловой сетью, при (Тв-Тк)=(Т1-Т2) становятся нулевыми.

Таким образом, получаем функцию изменения потерь эксергии, в зависимости от температуры теплоносителя.

Принимая во внимание все вышеперечисленное построим график зависимости

^ = /(Ту), при постоянных Q = 1 кВт и Т2 = 318К (45°С) (рис.1). На графике видно, как величина потерь эксергии становится равной нулю при Т1 = 335К (62°С).

Мы предполагаем, что именно данная температура является термодинамически оптимальной температурой подачи теплоносителя потребителю. При ее отклонении в большую сторону происходит излишний перегрев теплоносителя на источнике, влекущий за

собой повышенные расходы эксергии. Отклоняясь в сторону меньшей температуры подачи, увеличивается расход перекачиваемого теплоносителя и связанный с этим расход эк-сергии.

При составлении эксергетического баланса в данной работе не учитывались потери эксергии на циркуляцию теплоносителя, а эта величина может быть достаточно весомой в вопросе определения оптимальных параметров теплоносителя в тепловой сети, поскольку расходует (в подавляющем большинстве случаев) электрическую энергию, которая полностью преобразуется в другие виды энергии, т.е. является эксергией.

Рис. 1. Зависимость потерь эксергии, кВт, от температуры в подающем трубопроводе,

при Т2 = 318 К

Распределение потоков энергии и эксергии в рассматриваемом здании при различных температурных графиках показаны на рис. 2-4. А в таблице приведены результаты расчетов.

Рис. 2. Потоки энергии и эксергии

,, 111111 (1111 (1111 (111111111 (1111 ( 1111 (1111 (1111 ( 1(11111« 1111 (1111 (1111 (111111111(111 (НИ 1(1111111 (ИИ 1(1111(111 (1111111111111(1........

ЦЩЦЩ11М1М1Н1Ц« Я И "Л ¡"11™ И .Я И И И ШЖ.

Л л _и_!и лш и .1 III К! ни 1|| III III ни ни i.i^^IL!ЦlJ!lliUU.!ULУIllJL

'Г IIII г —ir.ii-,

III ни ш ни ни ни ни ни ни ни ни ни ни ни ни ни ни III ни ни ни ни ни ни ни ш ш 1(1 ни

............................ |1|| ............ 1111 1111 1111 1111 I 1111 1111 1111 МП | | 11Т1 IIГГ 1111 1ПГ 1[|..........!|1

Рис. 3. Потоки энергии и эксергии

Рис. 4. Потоки энергии и эксергии

Сводная таблица результатов расчета

Температурный график, °С Мощность потока, кВт Эксергия потока, кВт

t1 t2 Q1 Q2 AQ E1 E2 AE

Температурные графики с температурой обратного теплоносителя 70°С

150 70 274,10 222,26 51,84 84,24 47,304 36,93

130 70 348,19 296,35 51,84 95,04 63,072 31,96

110 70 496,37 444,53 51,84 116,64 94,608 22,03

95 70 763,08 711,24 51,84 155,52 151,37 4,14

Температурные графики с температурой обратного теплоносителя 45°С

150 45 208,84 157,00 51,84 64,18 23,69 40,48

130 45 245,78 193,94 51,84 67,08 29,27 37,81

110 45 305,46 253,62 51,84 71,77 38,28 33,49

95 45 381,54 329,70 51,84 77,76 49,76 27,99

90 45 418,18 366,34 51,84 80,64 55,29 25,34

70 45 711,24 659,40 51,84 103,68 99,53 4,14

"емпературный график с температурой обратного теплоносителя 40°С

70 40 592,70 540,86 51,84 86,4 74,30 12,09

В ходе выполнения данной работы были составлены эксергетические балансы зданий для разных температурных графиков систем централизованного теплоснабжения.

В процессе изучения вопроса, установления зависимостей и уточнения оптимальных параметров теплоснабжения жилых зданий необходимо учесть дополнительные источники потерь (такие как циркуляционные насосы) и пути экономии энергии (рециркуляция воздуха и рекуперация) [9, 10]. А при учете потерь эксергии при сжигании топлива на источнике энергии получим полное представление о распределении потоков энер-гии/эксергии в системах теплоснабжения, включая источник и потребителей.

Благодаря полученным результатам можно сделать вывод, что оптимальным температурным графиком теплоснабжения является тот, при котором разность между температурами теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе тепловой сети равна разности температур внутренней среды здания и внешней среды трубопровода.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тсатсароннс Д. Взаимодействие термодинамики и экономики для минимизации стоимости энергопреобразующей системы. Одесса: Студия «Негоциант», 2002. 152 с.

2. Толстой М.Ю., Вилор Н.В., Ярина Н.А., Баймачев Е.Э. Развитие теплоснабжения с применением теплонасосных установок-станций // Известия вузов. Строительство. 2012. № 7-8. С. 123-128.

3. Толстой М.Ю., Вилор Н.В., Ярина Н.А., Баймачев Е.Э. Энергосберегающие технологии с использованием теплонасосных установок-станций в тепловодоснабжении гражданских объектов Прибайкалья // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2012. Т. 55. № 7. С. 26-31.

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

5. Степанов В.С. Методы оценки термодинамической эффективности систем поддержания микроклимата // Известия вузов. Строительство. 2009. № 10. С. 46-54.

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

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. 126-132.

8. Айзенберг И.И. Надежность систем жизнеобеспечения: учеб. пособие. Иркутск: ИрГТУ, 2008. 138 с.

9. Степанов В.С., Баймачев Е.Э., Выгонец А.В., Шарова О.В. Обоснование выбора способа тепловлажностной обработки воздуха в системах вентиляции и кондиционирования // Вестник ИрГТУ. 2011. № 5. С. 90-94.

10. Баймачев Е.Э., Макаров С.С. Моделирование термодинамического цикла теплового насоса для расширения температурного диапазона работы воздушного рекуператора // Вестник ИрГТУ. 2014. № 6. С. 101-106.

Информация об авторах

Мельник Иван Александрович, магистрант кафедры «Инженерные коммуникации и системы жизнеобеспечения», e-mail: melival3@gmail.com; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, Лермонтова, 83.

Манзарханова Любовь Михайловна, аспирант кафедры «Инженерные коммуникации и системы жизнеобеспечения»; Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, Лермонтова, 83.

Information about the authors

Melnik I.A., candidate for a master's degree, Engineering Communications and LifeSupport Systems Department, e-mail: melival3@gmail.com; Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

Manzarkhanova L.M., Post-graduate, Engineering Communications and Life-Support Systems Department, Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.

УДК 711.553.12/656.211

СИСТЕМА КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНТЕРМОДАЛЬНЫХ УЗЛОВ ПАССАЖИРСКОГО ТРАНСПОРТА

А.Ю. Михайлов, Т.А. Копылова

Рассмотрено понятие интермодального пассажирского узла. Определены понятие и цели «бесшовной» транспортной системы. Рассмотрены «пирамида потребностей пользователей» и «пирамида основных показателей эффективности узла». Представлены таблицы связи показателей качества с пирамидой потребностей пассажиров и группировки показателей качества.

Ключевые слова: «взаимообмен» пассажирами; транспортный интермодальный узел; ключевые показатели эффективности; «бесшовная» транспортная система.