Содержание к диссертации
-
ОБЗОР НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРИМЕНЕНИЯ
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОНАСОСНОЙ СТАНЦИИ
ДЛЯ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ 47
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОНАСОСНОЙ СТАНЦИИ НА МИНИМАЛЬНЫЙ
РАСХОД ТОПЛИВА СИСТЕМЫ 79
3.2. Влияния параметров работы теплонасосной станции на рациональные температуры конденсации рабочего тела при малых
относительных конечных разностях температур в конденсаторах 93
4. ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ТЕПЛОНАСОСНОЙ СТАНЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ
И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ 107
Выбор рациональных режимов работы теплонасосных станций
для систем отопления 107
Выбор рациональных режимов работы теплонасосных станций
для систем горячего водоснабжения 110
Технико-экономические показатели теплонасосных станций
для систем отопления и горячего водоснабжения 119
Приложение А 137
Приложение Б 140
Введение к работе
покупательской способности по странам мира
Современное развитие энергетики характеризуется значительно возросшей стоимостью энергоносителей, а также ухудшением состояния окружающей среды и усложнением её охраны от воздействия теплогенерирующих установок. Энергоресурсосбережение и охрана окружающей среды являются приоритетными направлениями развития фундаментальных исследований в области потребления топливно- энергетических ресурсов (см. рисунок 1) [37,81,82].
Рисунок 1 - Приоритеты Росси в XXI веке
Экономика России является одной из наиболее энергоемких в мире по любому агрегированному показателю. Россия занимает 12 место в списке из 121 стран мира по потреблению энергии на 1 долл. Внутреннего валового продукта (ВВП) (см. рисунок 2) [82, 146].
0.9 —
Из стран, входящих в десятку крупнейших потребителей энергии, приведённых в таблице 1, в мире ни одна не потребляет больше энергии на единицу ВВП, чем Россия. [37,147].
Таблица 1. - Показатели энергоемкости стран, входящих в десятку крупнейших потребителей энергии в 2005 г.
В настоящее время хотя ситуация и меняется в лучшую сторону, но это происходит медленно и не удовлетворяет сегодняшним реалиям. По экспертным оценкам запланированное удвоение ВВП (после выхода из кризиса) потребует роста потребности в топливно-энергетических ресурсах в 1,6...1,7 раза (при сохранении энергоёмкости на уровне 2000 г.), что повлечет за собой непосильные для консолидированного бюджета страны финансовые затраты (см. рисунок 3) [81,146]. -энергоемкость ВВ11 по умеренному варианту
7000г. 7005г. 7010г. 7015г. 7070г.
Рисунок 3 - Динамика ВВП России и его энергоемкости с 2000 по 2020 г.
Из выше сказанного следует, что необходимо внедрение энергосберегающих мероприятий, позволяющих снизить энергоёмкость ВВП. При оценке мероприятий по энергосбережению следует исходить по возможности из того, какой «положительный вклад» вносит их осуществление в достижение социальных целей. Существуют следующие виды положительного эффекта энергосберегающих мероприятий: прекращение расточительства энергии; сохранение природных невозобновляемых энергоресурсов; предупреждение ущерба окружающей среде и экологического риска; обеспечение благоприятных социальных аспектов. Анализ видов положительного эффекта представлен на рисунке 4 [37,81,82].
Рисунок 4 - Задачи энергосбережения
Потенциал энергосбережения в российской экономике представлен на рисунке 5 [37,81,82].
Энергоёмкие ЖКХ
Федеральная Транспорт бюджетная сфера
Рисунок 5 - Потенциал энергосбережения в российской экономике
Снижение энергозатрат возможно при использовании природных источников низкопотенциальной теплоты, что требует изменения существующей системы теплоснабжения. Это может быт достигнуто с помощью внедрения современных достижений науки и техники. Одним из инновационных направлением модернизации систем теплоснабжения и горячего водоснабжения, позволяющим сократить энергозатраты является применение тепловых насосов (ТН). Это одно из наиболее эффективных мероприятий, не только, по экономии топлива, но и по защите окружающей среды.
Принцип работы тепловых насосов основан на преобразовании низпопотенциальной теплоты природных и промышленных источников в теплоту пригодную для использования. Область применения тепловых насосов очень широка. Они могут работать на различных технологических циклах крупных производственных комплексов, городском хозяйстве, например, для теплоснабжения и горячего водоснабжения абонентов и в других областях.
Опыт использования тепловых насосов в системах теплоснабжения, в которых они выполняли бы функцию основного источника теплоты, в нашей стране практически отсутствует, но по разработке методики оптимизации подобных систем выполнено значительное количество работ. К ним относятся работы Бродянского В.М., Гельперина Н.И., Зысина В.А., Иоффе А.Ф., Мартыновского B.C., Петракова Г.Н., Пустовалова Ю.В., Регирера A.M., Соколова Е.Я., Сотниковой O.A., Ундрица Г.Ф., Литовского Е.И. и многих других.
Согласно принятой в Российской Федерации методике технико- экономических расчетов показателей работы тепловых насосов (ТН) оптимальный вариант выбирался по минимуму приведенных затрат, определяемых для каждого из сравниваемых вариантов. Эта методика связывает выбор того или иного технического решения с экономическим интересом инвестора, ставя этот выбор в зависимость от существующей на данный момент тарифной, ценовой и налоговой политики, таможенного законодательства и других факторов, которые с течением времени могут меняться. В связи с чем в настоящее время нет универсальной, не требующей в каждом конкретном случае адаптации для рассматриваемой задачи методики обоснований эффективности применения ТН, не зависящей от экономической и политической ситуации в стране. Вполне очевидно, что для принятия долгосрочных технических решений необходимы устойчивые критерии, которые в полной мере отражали бы технико-экономические преимущества предлагаемого варианта.
Анализ рассматриваемых систем показывает, что инженерные методы оптимизации технико-экономических показателей теплонасосных станций систем теплоснабжения разработаны недостаточно; возможности оптимизации работы, поиска современных энергосберегающих решений далеко не исчерпаны.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности и выбор рациональных параметров и режимов работы теплонасосных станций для систем отопления и горячего водоснабжения. Основные задачи работы: разработать математическую модель теплонасосной станции для систем отопления и горячего водоснабжения; получить аналитические зависимости температур конденсации рабочих тел тепловых насосов, минимизирующих расход топлива, от тепловых и механических параметров тепловых насосов и внешних источников энергии; обосновать варианты последовательного соединения тепловых насосов в тепловой станции, выявить влияние КПД тепловых насосов на рациональную схему их соединения; осуществить выбор рациональных режимов работы теплонасосных станций для систем отопления и горячего водоснабжения.
Методы исследования. В качестве инструментов исследования использовались следующие научные методы: анализ, синтез, обобщение, логические методы; системный и комплексные подходы, экономико- математические методы и методы математического анализа. Научная новизна работы заключается в следующем: на основе анализа термодинамического цикла разработана математическая модель теплонасосной станции для системы отопления и горячего водоснабжения. Модель включает в себя уравнения, описывающие влияние КПД и температур конденсации рабочего тела тепловых насосов, температуры низкопотенциального источника теплоты, температуры теплоносителя в системах отопления и горячего водоснабжения на работу тепловой станции; получены аналитические зависимости температур конденсации рабочих тел тепловых насосов, минимизирующих расход топлива, от тепловых и механических параметров тепловых насосов и внешних источников энергии; при обосновании вариантов последовательного соединения тепловых насосов в тепловой станции, выявлено влияние КПД тепловых насосов на минимальный расход топлива и рациональную схему их соединения; обоснование режимов работы теплонасосной станции выполнено с использованием аналитических зависимостей и поверхностей откликов расхода топлива от температур конденсации рабочего тела и КПД тепловых насосов. В качестве целевой функции принимался минимальный расход топлива.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием современных методов теоретических исследований, фундаментальных математических методов анализа и законов тепло- и массообмена, соотнесённых с полученными данными из других источников, апробацией приведённых решений на теплоэнергетических предприятиях.
Научная значимость работы состоит в разработке методики определения параметров и режимов работы теплонасосной станции для отопления и горячего водоснабжения, описывающей влияние основных параметров её работы на расход топлива.
Практическая значимость работы определяется применением научных положений методики и практических рекомендаций, способствующих экономии топливно-энергетических ресурсов при использования теплонасоных станций в системах отопления и горячего водоснабжения.
Апробация работы. Основные теоретические и практические рекомендации докладывались на: Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электрических технологий в управлении инновационными проектами» (Москва, 2008); IV Международной молодёжной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань: КГУ, 2009); IX Всероссийской научно-технической конференции и школе молодых учёных, аспирантов и студентов (Воронеж: ВГТУ, 2010); V Международной научно-практической конференции «Разработка, производство и эксплуатация турбо-электронасосных агрегатов и систем на их основе «Системы, насосы, трубы «СИНТ'09» (Воронеж, 2009); X Всероссийской научно-технической конференции и школе молодых учёных, аспирантов и студентов «Научные исследования в области транспортных, авиационных и космических систем «АКТ-2009» (Воронеж: ВГТУ, 2009); Международной научно-практической конференции «Развитие городов и территорий: проблемы, пути решения, инновации» (Воронеж: ВГАСУ, 2010). На защиту выносятся следующие основные результаты диссертации:
