автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Исследование энергетической эффективности систем централизованного теплоснабжения как единого комплекса

На правах рукописи

Домрачев Дмитрий Борисович

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ КАК ЕДИНОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.23.03 - теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск - 2005

Работа выполнена на кафедре «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна» Иркутского государственного технического университета

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Степанов Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Калашников Михаил Петрович

кандидат технических наук, доцент Буйнов Николай Егорович

Ведущая организация Братский государственный технический университет

Защита диссертации состоится «23»декабря 2005 в 9 часов в КонсргРЖуЗ/ИЕ. на заседании диссертационного совета К 212 073 01 в Иркутском государственном техническом университете по адресу 664074, г Иркутск, ул Лермонтова, 83

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета.

Автореферат разослан 23 ноября 2005 г

Ученый секретарь

диссертационного совета

Малевская М.Б.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Проблема бесперебойного и эффективного обеспечения теплом потребителей системами централизованного теплоснабжения (СЦ'Г) в климатических условиях Сибири и крайнего севера России в настоящее время является чрезвычайно злободневной.

Система централизованного обеспечения теплом потребителей представляет собой сложный технологический комплекс, объединяющий в себе теплоисточник, тепловые сети и системы внутреннего теплоснабжения разного рода потребителей Над повышением эффективности работы этого комплекса и его подсистем работало большое число ученых и специалистов: А И. Андрющенко, В.М. Бро-дянский, Е.Я.Соколов, Ю П.Соловьев, А П. Меренков, Е.В. Сепнова, В. А Стен-ников и др. Вместе с тем с изменением экономических, социальных и иных условий в стране, многие вопросы требуют новых методических подходов и решений.

В настоящее время в СЦТ России наблюдается кризисная ситуация. Ее предпосылки назревали давно, но в отличие от ряда других областей народного хозяйства не проявлялись из-за большой инерционности систем энергетики. Главные причины тяжелой ситуации, сложившейся в системах теплоснабжения - затянувшийся общий экономический кризис в России и практический отказ государства от регулирования деятельности естественных монополий, в том числе и энергетики.

Изношенность основных фондов генерирующих мощностей достигла более 50 %, систем транспорта теплоносителя - 30 %. Потери потребителей тепла вследствие низкого термического сопротивления ограждающих конструкций достигают 80 % подведенного к ним тепла.

В связи с этим многие ученые и специалисты пытаются найти эффективные решения накопившихся проблем, рассматривают возможность перехода на различные схемы децентрализованного теплоснабжения

Для сравнения систем теплоснабжения различного типа, объективного сопоставления существующих и вновь проектируемых систем теплоснабжения необходим инструмент, позволяющий определять термодинамическую и технико-экономическую эффективность той или иной системы и производить выбор наиболее полно отвечающий этим критериям.

Попытки создать такой инструмент неоднократно предпринимались многими специалистами. Однако, как правило, рассматриваемые ими системы не включали потребителя тепловой энергии в явном виде. Они были представлены обычно заданной тепловой нагрузкой, рассчитапной по укрупненным показателям, либо нормами потребления теплоты.

Цель работы:

Разработка инструмента и проведение исследований систем централизованного теплоснабжения как единого комплекса, включающего потребителей тепла в явном виде.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ существующих подходов и методов исследования СЦТ и

ее элементов;

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА

¿"■га/

................ I т

- выбрать наиболее приемлемый метод оценки энергетической эффективности процессов потребления тепловой энергии и приложить его дал оценки энергетической эффективности СЦТ и ее элементов;

- разработать модели элементов СЦТ, позволяющие учитывать влияние на их эффективность большого числа природных, технологических, человеческих и иных факторов

- провести подробные исследования систем теплоснабжения жилого микрорайона; значения энергетических КПД элементов и системы в целом.

Научная новизна работы определяется следующими положениями'

1. Автором предложены критерии энергетической эффективности систем теплоснабжения, а также их конечного звена - потребителя, что позволило рассматривать системы теплоснабжения как единый комплекс.

2. Разработана математическая модель для исследования СЦТ, которая включает модули, описывающие условия функционирования всех ее элементов, включая потребителя с учетом основных внешних параметров и параметров взаимосвязей друг с другом.

3 Создан программно-вычислительный комплекс для исследования систем централизованного теплоснабжения.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложенные соискателем инженерные методики оценки энергетической эффективности СЦТ и ее элементов: распределения нагрузки между котлоагрегатами котельной для отыскания режима работы источника с минимальными расходами топлива, а также моделей и программных средств для расчетов гидравлических режимов, теплопо-терь в элементах СЦТ могут быть полезны проектным и эксплуатационным организациям и фирмам, решающим задачи теплоснабжения.

В частности разработанные методики и программные продуты используются в Иркутском государственном унитарном предприятии жилищно-коммунального хозяйства при проведении энергетических обследований, а также при проектировании котельных и тепловых сетей Результаты исследований используются также в учебном процессе кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна» при изучении студентами курсов «Теплоснабжение» и «Теплогазоснабжение и вентиляция».

Апробация работы. Основные методические положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских конференциях с международным участием в ИрГТУ (г. Иркутск, 2004,2005), на IV семинаре вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике с международным участием в ДВГТУ (г Владивосток, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, практическая значимое^ и положения, выносимые на защиту.

В первой главе обосновывается актуальность рассматриваемой проблемы для систем централизованного теплоснабжения. Рассмотрены существующие методики оценки энергетической эффективности источников теплоты (ТЭЦ, котельные), тепловых сетей и потребителей тепла. Указываются основные недостатки и преимущества разных методов и критериев. Дается критическая оценка предыдущих попыток определения критерия эффективности СЦТ. Определены и сформулированы основные задачи, решаемые в диссертации

Вторая глава посвящена описанию разработанной методики определения энергетической эффективности СЦТ, основанной на принципах системного анализа.

В настоящее время существуют методики оценки энергетической эффективности теплоисточников, тепловых сетей и потребителей тепловой энергии. Аналогичные методики для систем теплоснабжения в целом отсутствуют. Автором предложена методика оценки и исследования эффективности работы всей системы теплоснабжения в целом, включая ее конечное звено - потребителей, па основе разработанной им математической модели.

Модель состоит из трех модулей, в которых математически описываются теплоисточник, тепловые сети и потребители тепловой энергии. Все модули модели представлены в программно-вычислительном комплексе, реализованном в среде Microsoft Excel.

Модули позволяют работать и решать различные задачи независимо от других элементов системы, а также с учетом связей элементов в системе теплоснабжения. В этом случае расчет производится методом итераций: сначала определяется тепловая нагрузка потребителя, далее вычисляется необходимое количество теплоты, вырабатываемой источником с учетом его собственных нужд. После установления параметров теплоносителя на выходе из источника определяются теп-лопотери в сетях. Эти потери прибавляются к нагрузке потребителя, и расчет повторяется вновь. При этом каждый раз проверяется обеспеченность расчетного теплосъема с отопительных приборов потребителя для поддержания заданных параметров микроклимата в помещении и, при необходимости, производится корректировка графика отпуска теплоты источником.

Для проведения расчетов на модели требуется большой объем вспомогательной информации, в том числе сведения по теплофизическим свойствам теплоносителей, материалам ограждающих конструкций зданий, теплоизоляции трубопроводов и т.п. Для упрощения процедуры исследований и ускорения расчетов в программно-вычислительный комплекс были встроены базы данных по теплофизическим свойствам воды и воздуха; температурные графики работы систем теплоснабжения; теплофизические свойства известных теплоизоляционных и строительных материалов; сведения о химическом составе и теплоте сгорания распространенных марок угля; параметры некоторых типов отопительных приборов; сведения, необходимые для гидравлического расчета тепловых сетей. При проведении расчетов модель позволяет при необходимости производить автоматическую ингер- и экстра- поляцию величин, приведенных в базе данных.

Модуль источника теплоты

В качестве источника теплоты принята котельная, работающая на угле, на которой установлено п водогрейных котлоагрегатов и группа сетевых насосов В качестве топлива выбран уголь, поскольку он является наиболее распространенным и доступным видом топлива в условиях Восточной Сибири.

Этот модуль позволяет решать следующие задачи- определять необходимое количество теплоты для покрытия присоединенной нагрузки;

- определять выработку и отпуск теплоты от источника за отопительный пери-

од и по месяцам;

- определять оптимальное количество работающих котлоагрегатов для покры-

тия нагрузок в различных режимах работы и распределение нагрузки между котлами с целью минимизации расхода топлива на теплоисточнике в целом;

- определять параметры теплоносителя (расход, давление, температура) в ха-

рактерных точках схемы котельной;

- производить корректировку графика отпуска теплоты от источника;

- определять КПД котельной в отопительном периоде и по месяцам.

Модель позволяет выбирать способ регулирования отпуска теплоты от источника- качественный или качественно-количественный. Производительность котельной определяется суммой тепловых нагрузок всех потребителей тепла, теп-лопотерями в тепловых сетях, а также собственными нуждами котельной.

Расход сетевой воды, отпускаемой источником в тепловую сеть, определяется по формуле:

с* <ТсТ-Т%)-С

где и • температуры сетевой воды в подающем и обратном трубопроводе °С; с - изобарная теплоемкость воды, кДж/кг*С; Ы™""1'- теплота, отпущенная теплоисточником, кДж/с.

Количество котлов, необходимых для покрытия нагрузки СЦТ при различных тепловых нагрузках может быть различным. Очевидно, что в этом случае стоит задача выбора числа и их загрузки такими, чтобы расход топлива по котельной был минимальным.

Для решения этой задачи в модель был встроена программа отыскания оптимального распределения нагрузки различных режимов СЦТ между котлоагрега-тами. Она позволяет минимизировать расход топлива в целом на теплоисточнике

Эффективность работы теплоисточника за период оценивается по формуле.

_ ДГ

<2кр ъ-Т-10-6'

гДе От - количество теплоты, отпущенное источником за период, ГДж; <2"р -низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг; Ь - средний расход топлива за период, кг/ч; х - продолжительность периода, ч.

Модуль тепловых сетей

Тепловые сети в модели представлены упрощенно как подающий и обратный магистральный трубопровод, от которых отходят отпайки каждому потребителю.

В модели допускается наличие в магистральных тепловых сетях участков следующих способов прокладки: подземная в непроходных каналах, подземная бесканальная и наземная.

Этот модуль позволяет решать следующие задачи:

- определять тепловые потери участками подземной (канальной, бесканальной) и наземной прокладки в расчетном и текущих режимах, помесячно и за отопительный период;

- увеличение теплопотерь подтопленными участками подземной прокладки;

- определять снижение температуры теплоносителя в ходе его транспортировки от источника до потребителей;

- осуществлять сравнение нормативных теплопотерь с расчетными для различных временных отрезков;

- осуществлять гидравлический расчет трубопроводов с построением пьезометрических графиков гидродинамических напоров в них,

- определять количество теплоты, доставленной потребителю;

- определять термодинамическую эффективность за различные временные отрезки и отопительный период в целом.

Общие потери тепловой энергии в тепловых сетях определяются суммой теплопотерь. подземными участками трубопроводов канальной и бесканальной прокладки, надземными участками трубопроводов, участками, попавшими в зону повышенной влажпости, а также арматурой и опорами трубопроводов.

Теплопотери участками канальной прокладки:

и бесканальной:

где я,*1- удельные тепловые потоки трубопроводов участков канальной и бесканальной прокладки соответственно Вт/м; 1„ 1е„ - длины этих участков, м; Т -температура теплоносителя в трубопроводе, °С, - температура воздуха в канале, °С, - линейный коэффициент теплопередачи Вт/м*С.

Температура воздуха в канале вычисляется по формуле:

где Ть Т2 - температуры теплоносителя соответственно в подающем и обратном трубопроводе, °С; Яь -термическое сопротивление подающего и обратного трубопроводов, К*-о - суммарное термическое сопротивление внутренней поверхности канала, стенок канала и грунта; - естественная температура грунта на глубине оси трубопровода, °С.

Термические сопротивления трубопроводов (подающего и обратного) определяются по уравнениям теплопередачи.

Термическое сопротивление грунта вокруг трубопроводов канальной и бесканальной прокладки определяется по формуле:

Я --*-1п

* 2-п-К,

где Хтр - теплопроводность грунта на глубине заложения трубопроводов Вт/м*С; Ь - глубина заложения оси трубопровода от поверхности земли, м; <1н -внешний диаметр трубопровода (включая изоляцию), м В случае с непроходными каналами вместо с1нар подставляется эквивалентный диаметр канала.

Удельный тепловой поток подающего трубопровода бесканальной прокладки определяется выражением-

бк _ (^1 -*о)-Я%~(Тг~*о)'Ко 41 ~

По аналогичной формуле рассчитывается удельный тепловой поток обратного трубопровода.

Теплопотери участками с увлажненной изоляцией рассчитываются по методике аналогичной расчету теплопотерь трубопроводами с сухой изоляцией с пересчетом термических сопротивлений конструкций теплопроводов и грунта.

Эффективность работы тепловых сетей определяется соотношением количества теплоты, доведенной до потребителя к количеству теплоты, отпущенной теплоисточником.

Гидравлический расчет включен в модуль тепловых сетей для определения величины гидравлического сопротивления магистрального трубопровода; значения необходимого напора на источнике; давлений теплоносителя в характерных точках сети. Результаты гидравлического расчета отображаются на пьезометрических графиках и в исходных данных модуля теплоисточника.

Модуль потребителя теплоты

Потребитель тепловой энергии в модели представлен как микрорайон с однотипными жилыми зданиями, подключенными к магистральному трубопроводу

Модуль потребителя теплоты позволяет определять теплопотери здания расчетом общепринятым методом

Модуль потребителя теплоты позволяет решать следующие задачи- определять расчетные нагрузки систем отопления каждого здания и всей системы теплоснабжения в зависимости от текущей температуры наружного воздуха и скорости ветра;

- находить значения минимально необходимых затрат на отопление потреби-

телей;

- определять величину необходимой площади эквивалентного отопительного

прибора здания;

- осуществлять проверку баланса прихода и расхода теплоты у потребителя;

- определять значения энергетического КПД систем отопления потребителя.

Тепловая нагрузка потребителя складывается го его тепловых потерь в окружающую среду через ограждающие конструкции и на подогрев инфильтрующего-ся воздуха через неплотности в оконных и дверных проемах.

В свою очередь потери через ограждающие конструкции состоят из потерь через стены здания, крышу, оконные и дверные проемы.

Общая формула для определения теплопотерь теплопередачей через наружные ограждения, выглядит следующим образом:

^огркоистр .Д,

огрконстр .

где площадь поверхности отдельных наружных ограждений, м2; к-

коэффициенгы теплопередачи наружных ограждений, Вт/м2С; Дг - разность температур воздуха с внутренней и наружной сторон ограждающих конструкций, °С.

Теплопотери с инфильтрацией определяются по формуле:

9 шаазд кет в \ в н > ,

где ваепд - площадь суммарного сечения неплотностей в наружных ограждениях; с„ - объемная теплоемкость воздуха,, - температура наружного воздуха, °С; ^ - расчетная температура воздуха внутри помещения, С. Скорость ин-фильтрующегося воздуха определяется по формуле:

где Ь - свободная высота здания (для жилых и общественных зданий - высота этажа), м; g - ускорение свободно падающего тела, м/с2; Тк, Тв - температура наружного и внутреннего воздуха, К.

При расчете тепловых нагрузок модель позволяет учитывать изменение скорости ветра по высоте над уровнем земли. При этом используется следующая эмпирическая формула:

=8 + 0,139 + 0,025 -(3«ая -2),

где пм - номер этажа.

В зависимости от выбранного типа отопительных приборов, а также схемы движения теплоносителя через отопительный прибор определяется тепловой поток отопительного прибора. Площадь эквивалентного отопительного прибора здания, найденная по расчетной нагрузке используется для контроля обеспечения параметров микроклимата в здании при всех текущих режимах отпуска тепла источником.

Регулировка тепловой нагрузки потребителя производится за счет корректировки температуры прямой сетевой воды. В модели предусмотрена возможность прогнозирования величины превышения температуры обратной сетевой воды по сравнению с нормативным температурным графиком при отсутствии корректировок. С учетом скорректированной температуры сетевой воды в подающем трубопроводе расчет тепловых потерь в сетях и на теплоисточнике повторяется.

Эффективность использования подведенной теплоты к потребителю определяется на основе соотношения минимально необходимых затрат теплоты на отопление с фактическими затратами на эти цели.

Минимально необходимые затраты теплоты на функционирование любого реального объекта могут быть устаношгены путем формирования его идеализированного аналога.

Основные предпосылки, закладываемые в методику определения минимально необходимых затрат на отопление следующие.

- целью рассматриваемых процессов является обеспечение необходимых условий для жизнедеятельности человека;

- эти условия определяются санитарно-гигиеническими нормами по их нижней границе;

- мипимальные потребности в тепле не должны зависеть от технических характеристик зданий, их конструктивного и архитектурного исполнения (характера ограждающих конструкций, этажности, конфигурации здания и проч.);

- минимальные затраты тепла на отопление должны учитывать климатические условия отдельных регионов и населенных пунктов.

В пределе при бесконечном сопротивлении ограждающих конструкций и полном отсутствии инфильтрации как бы следует, что теоретическая (предельная) потребность в теплоте для отопления и вентиляции равна нулю. Однако такая идеализация процесса отопления не отражает целевого назначения здания, того обстоятельства, что в нем должен жить и работать человек. А человек физически не может находиться в помещении, в котором отсутствует обмен воздуха Следовательно, предположение о полном отсутствии фильтрации в идеальном аналоге процесса отопления неправомерно.

Однако, при установлении минимальных затрат на отопление расчетное значение фильтрации должно бьггь обусловлено не техническими характеристиками здания (несовершенством уплотнений в окнах, дверях и т.д), а санитарными требованиями к качеству жизни и условиям работы людей. В проектной практике используются санитарно-гигиенические нормы по качеству воздуха в помещении, которые определяются в основном содержанием в нем диоксида углерода (С02). Согласно этим нормам, при предельно допустимой концентрации С02 (0,1% на 1 м воздуха) должен быть обеспечен воздухообмен не менее 30 м3/ч на человека

В отопительный сезон очевидно необходим подогрев воздуха, подаваемого в помещение. Минимальный расход тепла, необходимый для этой цели определяется температурой внутри помещения (устанавливаемой санитарными правилами и нормами) и температурой наружного воздуха, т.е. от климатического района расположения потребителя. При известном годовом графике хода температур наружного воздуха значение минимально необходимых затрат вычисляются по формуле- О-^К-^ХУ.'-ОДт,, 1=1

где п - количество временных интервалов, Ус, - нормативный объем свежего воздуха м3/ч; с, - удельная объемная теплоемкость воздуха; Уу, - коэффициент регенерации тепла, т е. доля тепла удаляемого вентиляционного воздуха, уловленного в утилизационной установке;, - средняя температура наружного воздуха за

п-й период времени, Ат, - продолжительность периода, ч.

На основе минимально необходимых затрат теплоты на отопление в работе предлагается оценивать энергетическую эффективность всей системы теплоснабжения:

ешт

__отопл_

Щ Я"р-Ъ-т- 10"б>

где Ъ -средний расход топлива за рассматриваемый период, кг/ч; т - продолжительность периода, ч.

Третья глава посвящена результатам исследований на разработанной математической модели.

В ходе исследования энергетической эффективности работы СЦТ в целом и ее элементов в отдельности были поставлены и решены следующие задачи: определено влияние увлажнения тепловой изоляции трубопроводов на величину теп-лопотерь этими трубопроводами; произведен сравнительный анализ тегаюпотерь в тепловых сетях при различных теплоизоляционных материалах; произведен расчет поправок температурного графика при качественном способе регулирования отпуска теплоты от источника; разработана методика определения оптимальной загрузки котлоагрегатов по условию минимизации расхода топлива в целом по источнику и определена экономия топлива при использовании данной методики; определено количество вырабатываемой, отпускаемой и подведенной теплоты к потребителю за отопительный период, а также по месяцам; определены минимально необходимые затраты теплоты на отопление; произведен сравнительный анализ тешхопотерь зданий различной конфигурации при различных климатических условиях.

Исследования производились для климатических условий г Иркутска.

1 Теплоисточник

Определение оптимальной загрузки котлоагрегатов

Для источника теплоснабжения была поставлена задача оптимизации распределения нагрузки между котлоагрегатами с целью выявления режима с мини-

мальным расходом топлива. Для проведения исследования были приняты следующие условия- общая нагрузка на котлоагрегаты принималась равной 9 МВт; 10,5 МВт, 12 МВт; 13,5 МВт. Номинальная мощность котельного агрегата - 5

МВт, топливо - Черемховский каменный уголь <2^=21 100 кДж/кг. Были рассмот-

рены варианты с работой трех котлоагрегатов с различными расходными характе-

ристиками. Общий характер зависимости удельного расхода топлива от степени загрузки котлоагрегата определялся по формуле;

Ъуд={а0хг -аххг +агх)~\

где х - коэффициент загрузки котла, %; ао, аь а2 - коэффициенты, индивидуальные для каждого котла.

Производилось сравнение суточных расходов топлива котельной при найденном оптимальном распределении нагрузки с расходом, соответствующим равномерному распределению нагрузки между котлами. Результаты расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1,

Нагрузка, кВт % от номинальной мощности котла Равномерное распределение, % оптимальное распределение, % Расход топлива при равном, распределении, кг/с оптим. расход топлива, кг/с экономия топлива, кг/с экономия топлива, кг/сут

1 2 3

9000 180 90 80 100 - 0,4% 0,488 0,007% 688,1

9000 180 60 59 62 59 0,495 0,494 0,00128 110,2

10500 210 70 67 75 68 0,5696 0,569 0,00049 42,8

12000 240 80 69 100 71 0,654 0,651 0,00281 242,5

13500 270 90 74 100 96 0,746 0,741 0,00629 543,4

Как видно из табл. 1 экономия топлива при работе котельной в оптимальном режиме по сравнению с режимом, соответствующим равномерному распределению нагрузки между котлами, может достигать 690 кг в сутки.

Расчет поправок температурного графика

Модель производит непрерывную проверку обеспеченности нагрузки потребителя по балансу прихода и расхода тепла В связи с этим рассчитывается тепло-съем с отопительных приборов потребителей. При этом температура на входе в отопительный прибор принимается равной температуре подающей сетевой воды отпущенной теплоисточником с учетом снижения температуры в сетях, обусловленного теплопотерями трубопроводов. Если теплосъем с отопительных приборов больше или меньше расчетной нагрузки потребителя в каком либо из режимов работы системы теплоснабжения, то производится корректировка температуры сетевой воды в подающем трубопроводе в большую или меньшую сторону, в зависимости от того «перегон» или «недотоп» имел место у потребителя.

Исследования производились при качественном регулировании отпуска теплоты. Результаты расчетов представлены в таблице 2 и на рис. 1.

Таблица 2.

Температуры сетевой воды хп эи качественном регулировании отпуска теплоты

Период Т нар. возд., °С Т под сетев. воды (норматив, т/график), °С Т под сетев. воды (расчет т/график, °С) Т обр.сетев. воды, °С

Средние параметры работы системы в отопительном сезоне -8,5 60,3 58,08 48,45

Максимально-зимний режим работы -38 95 94,97 70

Сентябрь 7 37,5 37,30 33,2

Октябрь 0,5 44,4 43,93 38

Ноябрь -10,8 63,3 60,77 50,4

Декабрь -18,7 72,15 68,45 56

Январь -20,9 75 71,35 57,8

Февраль -18,3 72,15 69,12 56

Март ■9,7 60,3 58,51 48,45

Апрель 1 44,4 43,61 38

Май 7,2 37,5 37,67 33,2

100 90 >0

70

во 90

30 —•—Температуре сетевой воды в подаихфм трубопроводе

(нормативный т/график)

20 —■—Температура сетевой воды в гкдаюирм трубопроводе

10 (расчетный граф«)

—Ф— Температура сетевой воды в обратном трубопроводе

-0---,-,-

10 9 0 -9 -10 -19 -20 -29 -30 -39 -40

Т наружного воздуха, 'С

Рисунок 1. Температурный график работы системы теплоснабжения при качественном способе регулирования отпуска теплоты

Как видно из табл. 2 и рис. 1 при качественном регулировании отпуска теплоты корректировка расчетной температуры сетевой воды, отпускаемой источником, находится в интервале от 1 до 4 °С. Тепловые сети

В связи с участившимися публикациями о больших теплопотерях в тепловых сетях была поставлена задача исследования теготопотерь теплопроводами с различными типами теплоизоляции с учетом их увеличения на участках, попавших в зону повышенной влажности.

Сравнение теплопотерь трубопроводами с минераловатной и пенополиуре-тановой изоляцией

Была поставлена задача провести исследования теплопотерь трубопроводами с изоляцией из минеральной ваты и пенополиуретана.

Сравнение производилось при следующих условиях: условный диаметр трубопроводов (подающий и обратный) dy=300 мм; температура наружного воздуха (-8,5 °С); толщина слоя минераловатных матов 8из=60 мм, ППУ 5из=79,5 мм; протяженность теплопровода ¿,=1000 м; способ прокладки- подземный, для изоляции из минеральной ваты - в непроходных каналах, для изоляции из ППУ -бесканальная; глубина заложения по осям трубопроводов -2 м; теплопроводность грунта 1,86 Вт/м*С, температура грунта на глубине заложения 3 °С; расход теплоносителя в подающем и обратном трубопроводе 115 кг/с; температура па входе в подающий трубопровод 60 °С, в обратный - 48°С (согласно температурному графику 95/70 °С).

В расчете просчитывалась ситуация, при которой в минераловатную изоляцию попадает влага, ППУ изоляция принималась сухой.

Сравнение сухих теплоизолирующих слоев показало следующую картину плотность линейного теплового потока при минераловатной изоляции составила ¿9 Вт/м для подающего трубопровода и 38,8 Вт/м для обратного, при ППУ изоляции эти значения составили 27,11 Вт/м и 22,05 Вт/м соответственно. Полные тепловые потери прямого и обратного трубопроводов при минераловатной изоляции при этом оказались равными 87,5 кВт, при ППУ изоляции-49,2 кВт, т.е. теплопотери трубопроводами с ППУ изоляцией в 1,78 раза меньше теплопотерь трубопроводов с изоляцией из минеральной ваты При увеличении влажности минераловатной изоляции от 10 % до 60 % теплопотери трубопроводов возрастают до 212,2 кВт. что превышает теплопотери трубопроводов с изоляцией из ППУ в 4,07 раза (табл.3).

Однако, процесс увлажнения минераловатной изоляции, по нашему мнению, представляет собой сложный и многогранный процесс. При увеличении доли влаги в изоляции вследствие уменьшения ее термического сопротивления происходит повышение температуры воздуха в канале. Одновременно с этим повышается содержание влага в воздухе канала, что в свою очередь при определенном значении влажности, вызывает конденсацию водяных паров на стенках канала. Конденсация водяных паров в канале вызывает резкое (скачкообразное) увеличение его коэффициента теплоотдачи. Это приводит к улучшению процесса отвода теплоты в грунт, вследствие чего теплопотери трубопроводов возрастают. Коэффициент теплоотдачи от воздуха в канале к его стенкам зависит от многих факторов' геометрии канала, внешнего диаметра трубопроводов, проложенных в канале, температуры воздуха, его подвижности и пр В данном исследовании была сделана попытка оценить влияние процессов, происходящих в канале, при расположении в них трубопроводов с минераловатной изоляцией различной влажности

Результаты проведенных расчетов хорошо иллюстрирует рис. 2. На нем показано возрастание теплопотерь трубопроводами с минераловатной изоляцией с повышением ее влажности для двух вариантов расчета: без учета увеличения коэф-

фициента теплоотдачи воздуха в непроходпых каналах (вариант 1) и с учетом его повышения (вариант 2) На графике также показаны величины теплопотерь трубопровода с ППУ изоляцией при двух значениях X, значения нормативных тепло-потерь, регламентированных СНиП и значения теплопотерь, рассчитанные по методике, предлагаемой справочником по эксплуатации и наладке водяных тепловых сетей, определенные при указанных выше условиях Значения теплопотерь, найденные по этой методике для рассматриваемых типов изоляции, являются самыми высокими.

Таблица 3.

Степень увлажнения изоляции, % Мин вата ППУ

1 вариант 2 вариант ЕМ^к&г

Ш^.кВт шППУ шППУ

Ф=0 48,9 38,6 49,2 1,68 1,78

Ф=10 71,04 53,19 49,2 2,38 2,79

Ф=20 85,03 62,32 49,2 2,83 3,48

<р=30 102,68 72,81 49,2 3,37 4,31

<р=40 112,76 78,2 49,2 3,66 4,78

Ф=50 120,7 | 82,14 49,2 3,89 5,15

<р=60 127,15 I 85,09 49,2 4,07 5,46

Анализ данных таблицы показывает, что даже при высокой степени увлажнения минераловатной изоляции значения теплопотерь этими трубопроводами превышают теплопотери трубопроводов с ППУ изоляцией не более чем в 5,5 раза.

Объемная доля влаги в изоляции, к

Рисунок 2. Изменение тепловых потерь трубопроводами в зависимости от степени влажности изоляции, типа изоляции и методики их расчета.

Выше теплопотерь, определенных по справочнику являются только теплопо-тери трубопроводов с минераловатной изоляцией (вариант 2) при содержании влаги в изоляции выше 30 %.

Величина нормативных тегогопотерь, определенных по СНиП, несколько выше полученных расчетных значений для трубопроводов с ППУ изоляцией и существенно ниже значений, найденных для трубопроводов с минераловатной изоляцией даже с нулевой влажностью.

Сравнение теплопотеръ, определенных па модели, с реальными теплопоте-рями трубопроводов

Для определения достоверности результатов расчетов теплопотерь в тепловых сетях было произведено сравнение фактически измеренных теплопотерь с расчетными значениями, полученными на модели. Теплопотери замерялись на магистральном трубопроводе dy=450 мм. Расход теплоносителя в подающем трубопроводе составлял 196 кг/с, в обратном - 177 кг/с. Температура теплоносителя в подающем трубопроводе - 60 °С, в обратном - 47 °С. Общая длина исследуемого участка трубопровода с минераловатной изоляцией- 2050 м, длина участка трубопровода, попавшего в зону подтопления - 340 м.

Фактические теплопотери составили по подающему трубопроводу - 222 кВт, по обратному - 137 кВт. Расчетные значения теплопотерь, полученные на модели для указанных данных, составили' по подающему трубопроводу - 207 кВт, по обратному - 130 кВт. Превышение фактических теплопотерь над их расчетными значениями составило в среднем - 6,75 %, что говорит о достаточно высокой точности расчетной модели.

Потребитель теплоты

Сравнительный анализ теплопотерь зданий

Задача сравнения теплопотерь зданий различной этажности была поставлена в связи с вопросом о влиянии конфигурации здания на величину его теплопотерь. Для исследования принимались следующие условия: количество этажей в здании 5 и 12, материал стен кирпичная кладка, толщина стен 0,5 м; заполнение оконного проема - окно с двойным остеклением, размер окна 1x1,5 м. Внешние размеры 5-этажного здания: высота - 17 м, ширина - 21 м, длина - 100 м. Внешние размеры 12-этажного здания' высота - 40 м, ширина, длина - 29 м. Объем зданий одинаков (~34000 м3) Сравнение производилось при затишье м/с) и при сильном

ветре (vBeTpa=10 м/с), температура наружного воздуха составляла (- 8 °С)

По общепринятой методике расчетные тепловые нагрузки этих зданий были бы одинаковы. Результаты расчетов представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Тедяопотери зданий разной этажности_

Теплопотери 5-этажного здания, кВт Теплопоте! эи 12-этажного здания, кВт

м/с через окна через крышу через стены с инфильтрацией суммарные через окна через крышу через стены с инфильтрацией суммарные

0 14,8 29,8 92,6 36,6 173,8 14,7 13,4 97,70 55,1 180,9

1 15,7 29,8 98,3 38,61 182,4 15.2 13,4 107,6 57,85 194,1

2 18,5 29,8 102,9 42,9 194,1 18,1 13,4 113,2 60,6 205,3

з 19,9 29,8 106,1 48,74 204,5 19,5 13,4 118,8 65,4 217,1

4 20,7 29,8 110,0 55,7 216,2 20,3 13,4 121,9 71,2 226,8

5 21,2 29,8 112,6 63,4 227,0 20,9 13,4 124,2 77,8 236,3

6 21,6 29,8 114,5 71,6 237,5 21,3 13,4 125,8 84,9 245,4

7 21,9 29,8 115,9 80,19 247,8 21,6 13,4 127,0 92,5 254,5

8 22,2 29,8 117,0 89 258,0 21,9 13,4 127,8 100,5 263,6

9 22,4 29,8 118,0 98 268,2 22,1 13,4 128,6 108,7 272,8

10 22,9 29,8 118,4 107,2 278,3 22,2 13,4 128,7 117,7 282,0

Как видно из таблицы 4 тегоюпотери зданий одинакового объема разной этажности различаются как при затишье, так и при наличии ветра. Из таблицы видно, что инфильтрационная составляющая потерь 12-этажного здания больше, чем аналогичных теплопотерь 5-ти этажного здания Тепловые потери с увеличением скорости ветра возрастают- для 5-этажного здания со 174 кВт до 278 кВт, для 12-этажного здания - со 181 кВт до 282 кВт.

Определение минимально необходимых затрат теплоты на отопление и термодинамической эффективности потребителей теплоты и всей системы теплоснабжения

Методика определения эффективности системы теплоснабжения и ее подсистем, включая потребителей, на основе минимально необходимых затрат теплоты на отопление подробно описана в главе 2. В ходе исследования ставилась задача определения минимально необходимых затрат для разных временных интервалов: отопительного периода и помесячно Для проведения исследований принимались следующие условия: теплоисточник - котельная с тремя водогрейными котлоаг-регатами номинальной мощностью 5 МВт, топливо - Черемховский каменный ' уголь; тепловые сети - магистральный трубопровод с^=350 мм, материал тепло-

изоляции - минеральная вата, общая протяженность 3500 м, способ прокладки -непроходные каналы; потребитель - микрорайон, включающий в себя 25 однотипных пятиэтажных жилых здания (высота этажа 3 м), со средним числом людей, проживающих в одном здании равным 400, со стенами из кирпичной кладки, толщиной 0,5 м и заполнением оконных проемов двойным стеклопакетом.

После определения минимально необходимых затрат теплоты на отопление были рассчитаны количества теплоты выработанной и отпущенной теплоисточником, а также подведенной к потребителю. На основе этих данных были определены КПД системы теплоснабжения и ее элементов за отопительный сезон (таблица 5).

Таблица 5.

Показатели работы системы теплоснабжения в отопительном сезоне _

Период гуыраб '¡¿ТИ • ГДЖ /ути ^¿ГК ГДж О"** зСпопрвб * ГДж О"" , ГДж Т)ТИ, % Т| тс. % Л потр. % ■Псцт, %

Средние параметры работы системы 127646 121567 111027 56034 64,8 91,3 49,5 29,3

Сентябрь 3271,1 3115,3 2709,5 1493,3 61,9 87,0 44,9 24,2

Октябрь 10614,6 10013,8 8986,9 4687,8 64,2 89,7 47,8 27,5

Ноябрь 16871,5 16222,5 14685,2 7612,7 67,3 90,5 48,2 29,3

Декабрь 22596,6 21520,6 19647,1 10077,4 68,6 91,3 48,7 30,5

Январь 24285,3 22910,6 20945,3 10893,2 69,8 91,4 48,0 30,6 29,4 "

Февраль 20589,3 19608,8 17912,4 9002,9 64,8 91,3 49,7

Март 17025,2 16061,5 14559,7 7440,0 62,3 90,6 48,9 27,6

Апрель 9119,0 8684,8 7691,5 4419,5 61,0 88,6 42,5 23,0

Май 3528,9 3426,1 3037,8 1454,0 60,2 88,7 52,1 27,8

Анализ результатов расчетов показал следующее за отоишельный период энергетический КПД теплоисточника составил 64,8 %, транспорта теплоносителя по тепловым сетям - 91,3 %, КПД потребителя - 50,5 %. КПД системы теплоснабжения в целом составил - 29,3 %.

Основные выводы и результаты:

1. Осуществлен анализ состояния проблемы, связанной с показателями оценки энергетической эффективности систем централизованного теплоснабжения и методами их определения.

2. Разработана методика определения энергетического КПД потребителей теплоты на основе значений минимально необходимых затрат тепла.

3. Осуществлено приложение этою методического подхода и показателей к системам централизованного теплоснабжения и их элементам.

4. Разработана математическая модель системы централизованного теплоснабжения, реализованная на основе разработанных показателей энергетической эффективности как модель единого комплекса I»

5. Проведены исследования системы теплоснабжения жилого района г. Иркутска и определены значения энергетического КПД ее элементов и системы в целом.

6 На основе разработанной математической модели создан вычислительный инструмент и проведены исследования по элементам СЦТ в результате которых: произведено сравнение теплопотерь трубопроводами тепловых сетей различной прокладки и разных типов теплоизоляции; разработана и реализована на конкретном примере методика определения оптимальной загрузки котлоагретов по критерию минимального расхода топлива в целом по источнику и определена полу-

чаемая при этом экономия топлива; определены поправки температурного графика, осуществлен анализ теплопотерь зданиями различной конфигурации

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1 Домрачев Д.Б , Степанов В С Разработка модели для исследования систем централизованного теплоснабжения. Материалы ежегодной всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» г Иркутск 2004 г, с 419-428.

2 Домрачев Д Б, Степанов B.C. К вопросу оценки эффективности систем централизованного теплоснабжения и основных ее элементов Материалы ежегодной всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», г. Иркутск 2005 г., с. 356-362

3 Домрачев Д.Б К вопросу оценки тепловых потерь, возникающих при транспорте теплоносителя в сетях систем централизованного теплоснабжения Вестник ИрГТУ, 2005 г, III выпуск, с.150-151

4. Домрачев Д.Б., Степанов B.C. Исследование энергетической эффективности систем централизованного теплоснабжения и ее составных элементов. Тезисы докладов IV семинара вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике г Владивосток 2005 г., с.87

5 Домрачев Д Б , Степанов В С. Исследование энергетической эффективности систем централизованного теплоснабжения и ее составных элементов Материалы IV семинара вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике г Владивосток 2005 г.

6 Домрачев ДБ., Степанов B.C. Исследование тепловых потерь в трубопроводах систем централизованного теплоснабжения Межвузовский сборник научных материалов «Технико-экономические проблемы развития регионов», Иркутск 2005 г

«223 5 6 8

РНБ Русский фонд

2006-4 25039

Подписано в печать 16.11.2005. Формат 60 х 84 / 16 Бумага офсетная. Печать офсетная Усл. печ. л 1,25. Уч-изд л. 1,5. Тираж 100 экз. Зак. 432. Поз. плана 18н.

ИД № 06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, Иркутск, ул Лермонтова, 83

Введение

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ И МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

1.1. Предпосылки создания методики оценки энергетической эффективности СЦТ

1.2. Методики оценки энергетической эффективности элементов систем централизованного теплоснабжения 10 1.2.1. Методики оценки энергетической эффективности источников теплоты в СЦТ

1.2.1.1. Оценка энергетической эффективности ТЭЦ

1.2.1.2. Оценка энергетической эффективности котельных

1.2.1.3. Математические модели источников тепловой энергии

1.2.2.1. Методики оценки энергетической эффективности тепловых сетей

1.2.2.2. Математические модели тепловых сетей

1.2.3.1. Методики оценки энергетической эффективности потребителей тепла

1.2.3.2. Математические модели потребителей тепла

1.3. Методики оценки энергетической эффективности систем централизованного теплоснабжения

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ

2.1. Разработка математической модели СЦТ. Описание задач, решаемых с ее помощью

2.2. Модуль источника теплоты

2.3. Модуль тепловых сетей

2.4. Модуль потребителя теплоты

2.5. Определение параметров работы системы теплоснабжения в отопительном сезоне

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЖИЛОГО

РАЙОНА Г. ИРКУТСКА

3.1. Теплоисточник

3.1.1. Расчет поправок температурного графика

3.1.2. Задача определения оптимальной загрузки котлоагрегатов

3.2. Тепловые сети

3.2.1. Определение влияния увлажнения изоляции на величину теплопотерь

3.2.2. Сравнение теплопотерь трубопроводами различной прокладки

3.2.3. Сравнение теплопотерь трубопроводами с минераловатной и пенополиуретановой изоляцией

3.2.4. Сравнение гидравлического сопротивления трубопровода с различным сроком эксплуатации

3.3. Потребитель теплоты

3.3.1. Исследование влияния вариантов заполнения светового проема на величину инфильтрационных потерь теплоты

3.3.2. Сравнительный анализ теплопотерь зданий потребителя

3.4. Определение минимально необходимых затрат теплоты на отопление и эффективности СЦТ и ее элементов 102 Заключение 105 Список использованной литературы 107 Приложения

Проблема бесперебойного и эффективного обеспечения теплом потребителей системами централизованного теплоснабжения (СЦТ) в климатических условиях Сибири и крайнего севера России в настоящее время является чрезвычайно злободневной.

Система централизованного обеспечения теплом потребителей представляет собой сложный технологический комплекс, объединяющий в себе теплоисточник, тепловые сети и системы внутреннего теплоснабжения разного рода потребителей. Над повышением эффективности работы этого комплекса и его подсистем работало и работает большое число ученых и специалистов: А.И. Андрющенко, В.М. Бродянский, Е.Я.Соколов, Ю.П.Соловьев, JI.A. Мелентьев, А.П. Меренков, Е.В. Сеннова, В.А. Стенников и др. Вместе с тем с изменением экономических, социальных и иных условий в стране, многие вопросы требуют новых методических подходов и решений.

В настоящее время в СЦТ России наблюдается кризисная ситуация. Ее предпосылки назревали давно, но в отличие от ряда других областей народного хозяйства не проявлялись из-за большой инерционности систем энергетики. Главные причины тяжелой ситуации, сложившейся в системах теплоснабжения - затянувшийся общий экономический кризис в России и практический отказ государства от регулирования деятельности естественных монополий в том числе и энергетики.

Изношенность основных фондов генерирующих мощностей достигла более 50 %, систем транспорта теплоносителя — 30 %. Потери потребителей тепла вследствие низкого термического сопротивления ограждающих конструкций могут достигать до 80 % подведенного к ним тепла.

В связи с этим многие ученые и специалисты пытаются найти эффективные решения накопившихся проблем, рассматривают возможность перехода на различные схемы децентрализованного теплоснабжения.

Для сравнения систем теплоснабжения различного типа, объективного сопоставления существующих и вновь проектируемых систем теплоснабжения необходим инструмент, позволяющий определять термодинамическую и технико-экономическую эффективность той или иной системы и производить выбор наиболее полно отвечающий этим критериям.

Попытки создать такой инструмент неоднократно предпринимались многими специалистами. Однако, как правило, рассматриваемые ими системы не включали потребителя тепловой энергии в виде расчетного блока, функционирование которого зависит от внешних параметров и параметров взаимосвязей с другими элементами системы. Потребители были представлены обычно заданной тепловой нагрузкой, рассчитанной по укрупненным показателям, либо нормами потребления теплоты.

Цель работы:

Разработка вычислительного инструмента и проведение исследований систем централизованного теплоснабжения как единого комплекса, включающего потребителей тепла в виде расчетного блока.

Научная новизна работы определяется следующими положениями:

1. Автором предложены критерии энергетической эффективности систем теплоснабжения, а также их конечного звена — потребителя, что позволило рассматривать системы теплоснабжения как единый комплекс.

2. Разработана математическая модель для исследования СЦТ, которая включает модули, описывающие условия функционирования всех ее элементов, включая потребителя, с учетом основных внешних параметров и параметров взаимосвязей друг с другом.

3. Создан программно-вычислительный комплекс для исследования систем централизованного теплоснабжения.

Практическая значимость работы состоит в том, что предложенные соискателем инженерные методики оценки энергетической эффективности СЦТ и ее элементов: распределения нагрузки между котлоагрегатами котельной для отыскания режима работы источника с минимальными расходами топлива, а также моделей и программных средств для расчетов гидравлических режимов, теплопотерь в элементах СЦТ могут быть полезны проектным и эксплуатационным организациям и фирмам, решающим задачи теплоснабжения.

В частности разработанные методики и программные продукты используются в Иркутском государственном унитарном предприятии жилищно-коммунального хозяйства при проведении энергетических обследований, а также при проектировании котельных и тепловых сетей. Результаты исследований используются также в учебном процессе кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна» при изучении студентами дисциплин «Теплоснабжение» и «Теплогазоснабжение и вентиляция» (см. Приложения).

В главе 1 дан обзор публикаций, посвященных исследованиям различных элементов СЦТ. Обсуждаются существующие методы оценки и показатели энергетической эффективности элементов системы теплоснабжения. Отмечается, что в изученной литературе отсутствует показатель для оценки энергетической эффективности потребителей тепла и СЦТ в целом. На основании обзора литературы сформулированы основные задачи, решаемые в диссертации.

В главе2 дается описание разработанной математической модели СЦТ, включающей модули теплоисточника, тепловых сетей и потребителей теплоты, а также созданного на ее основе программно-вычислительного комплекса (ПВК) СЦТ. Описывается структура ПВК и заложенные в него расчетные алгоритмы, учитывающие взаимосвязи между всеми элементами системы. Описывается методика определения энергетической эффективности потребителя тепла по значениям энергетического КПД, рассчитываемого на основе минимально необходимых затрат теплоты на отопление. Дается методика их расчета для потребителей, размещенных в различных регионах. На основе величины минимально необходимых затрат тепла на отопление предлагается оценивать энергетическую эффективность систем теплоснабжения в целом. Детально описывается полный спектр возможностей модели СЦТ, показывается связь между составляющими звеньями системы. В главе 3 приводятся результаты расчетов, произведенные на разработанной математической модели СЦТ для климатических условий г. Иркутска. Показывается специфика распределения тепловых потерь по звеньям СЦТ. Указывается особенность определения тепловых потерь в сетях при наличии участков с повышенной влажностью. Исследуется инфильтрационная составляющая и составляющая потерь ограждающими конструкциями в тепловой нагрузке потребителей. Дается сравнительный анализ тепловых потерь всех звеньев СЦТ, эффективности работы каждого из них и всей системы в целом.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты исследований.

В приложении приведены акты об использовании результатов работы.

Личный вклад автора заключается в реализации новой постановки исследований систем теплоснабжения, разработке математической модели и программно-вычислительного комплекса СЦТ, а также в проведении исследований на модели и анализе полученных результатов.

Заключение

1. Анализ существующих подходов и методов исследования СЦТ и ее элементов, показал, что отсутствуют показатели энергетической эффективности систем централизованного теплоснабжения как единого комплекса. Причиной этого является то обстоятельство, что при определении КПД системы неизвестно, что считать и как устанавливать «полезно использованное тепло» у потребителей. Поэтому оценки энергетической эффективности системы теплоснабжения в целом не существует.

2. Соискателем предложена методика оценки термодинамической эффективности потребителя тепловой энергии по значениям энергетического КПД, рассчитываемого на основе минимально необходимых затрат теплоты на отопление. Предложена методика расчета величины минимально необходимых затрат тепла на отопление для потребителей, размещенных в различных регионах. Это позволило рассчитывать КПД как потребителей тепла, так и системы теплоснабжения в целом. На основе этой методики была разработана математическая модель СЦТ, включающая модули источника тепла, тепловых сетей, а также и потребителей тепла в явном виде. В модели согласовано рассчитываются параметры всех элементов системы при изменении климатических и иных факторов.

3. На основе созданной модели был разработан программно-вычислительный комплекс и проведены исследования системы теплоснабжения жилого района для климатических условий г. Иркутска в результате исследований были рассчитаны значения КПД элементов и системы теплоснабжения в целом, которые для отопительного периода составили: для теплоисточника 64,8 %, тепловых сетей - 91,3 %, потребителя - 49,5 %, системы теплоснабжения в целом - 29,3 %.

4. Разработанная модель позволяет решать также частные задачи по элементам системы теплоснабжения. В ходе исследований на модели были поставлены и решены другие задачи:

- разработан и реализован на конкретном примере алгоритм поиска оптимальной загрузки котлоагрегатов по критерию минимального расхода топлива в целом по источнику с определением получаемой при этом экономия топлива. Она может достигать 3 % и более от суммарного расхода топлива на котельной;

- установлены значения поправок для температурного графика. При качественном способе регулирования отпуска теплоты корректировка температурного графика достигает 4 °С, при количественно-качественном способе - совпадает с графиком;

- произведено сравнение теплопотерь трубопроводами тепловых сетей различных способов прокладки и разными типами теплоизоляции. Данные о чрезвычайно высоких потерях тепла в тепловых сетях, приводимых в целом ряде публикаций [41,42,55,58], не подтверждаются расчетами на модели.

Сравнение теплопотерь трубопроводами различных способов прокладки пока зало, что наибольшие потери происходят при наемном способе прокладки от 135 кВт (dy=350 мм) до 232 кВт (dy=lООО мм), наименьшие — при подземной прокладке в непроходных каналах от 99 кВт (dy=350 мм) до 147 кВт (dy=1000 мм). Теплопотери трубопроводов dy=350 мм с минераловатной изоляцией при 100 % ее влажности не превышают 32% от величины транспортируемого по нему тепла. Потери тепла трубопроводами с ППУ изоляцией существенно (минимум в 1,78 раза при сухой изоляции) ниже потерь аналогичного трубопровода с минераловатной изоляцией. Прове денные исследования показали, что назрела необходимость разработки единой метов дики расчета теплопотерь при транспорте теплоносителя;

- осуществлен анализ теплопотерь зданиями различной конфигурации. Расчетами на модели установлено, что теплопотери зданий различной этажности и конфигурации одинакового объема могут существенно отличаться. Инфильтрационная составляющая в тепловой нагрузке потребителя весьма значительна и может достигать сорока и более процентов. Применение в зданиях тройного остекления, вместо двойного, сокращает инфильтрационные потери почти в 2 раза, а при установке герметичных стеклопакетов сводит данную составляющую почти к нулю, что создает определенный дискомфорт для пребывания людей в помещении. Это обстоятельство ограничивает сферу применения герметичных стеклопакетов в зданиях с естественной вентиляцией.

1.В., Паюсте Б.Я. Задачник по процессам тепломассообмена: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1986, 144 с.

2. Акуловцев Е. В. Современные заполнения оконных проемов // Сборник научных трудов международной конференции «Современные сложные системы управления», Воронеж. 2003. с. 113-115.

3. Андрющенко А. И. Метаморфозы теплофикации и пути совершенствования систем теплоснабжения городов // Новости теплоснабж. 2003. - № 12.-С. 11-14.

4. Андрющенко А.И. Основы термодинамических циклов теплоэнергетических установок. М: Высшая школа, 1968

5. Андрющенко А.И., Николаев Ю.Е., Семенов Б.А., Гордеев А.Г. Принципы создания высокоэкономичных систем централизованного теплоснабжения городов // Промышленная энергетика 2003, № 5 с. 8-12

6. Андрющенко А.И. О показателях эффективности эксплуатации промышленных паротурбинных ТЭЦ// Промышленная энергетика — 2001, № 2 с. 2-5

7. Андрющенко А.И. Показатели совершенства тепловых сетей ТЭЦ и их эксплуатации. Материалы межд. конференции «Технические, экономические и экологические проблемы энергосбережения». Саратов, 2001, с.6-9

8. Антонова Е.О., Бахмат Г.В., Степанов О.А. Теплообмен при трубопроводном транспорте нефти и газа. Спб.: Недра, 1999

9. Балуев Е.Д. Перспективы развития централизованного теплоснабжения// Теплоэнергетика. 2001, №11, с.51-54

10. Беляев B.C., Хохлова Л.П. Проектирование энергоэкономичных и энергоактивных гражданских зданий. М.: Высш. шк., 1991

11. Богуславский Л.Д. Экономия теплоты в жилых зданиях -М.:Стройиздат, 1990

12. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его