автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Оптимизация систем утилизации теплоты воздуха, удаляемого из помещений с повышенным влаговыделением

На правах рукописи

ґ~>

САМОИЛЕНКО ВАЛЕНТИНА ЮРЬЕВНА

ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ВОЗДУХА, УДАЛЯЕМОГО ИЗ ПОМЕЩЕНИЙ С ПОВЫШЕННЫМ ВЛАГОВЫДЕЛЕНИЕМ

05.04.03 - Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата технических наук

г я ноя 2013

005540048

Москва, 2013

005540048

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре Тепломассообменных процессов и установок.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Яковлев Игорь Васильевич

Официальные оппоненты: Шелгинский Александр Яковлевич

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры промышленных теплоэнергетических систем ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Козлов Сергей Александрович кандидат технических наук, старший научный сотрудник, "

ведущий научный сотрудник ОАО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте»

Ведущая организация: ОАО «ВНИПИэнергопром»

Защита диссертации состоится «20» декабря 2013 года в 10 час 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.04 при ФГБОУ ВПО "НИУ" МЭИ" по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, кор. Т, кафедра Инженерной теплофизики им. В.А. Кириллина, комн. Т-206.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ".

Автореферат разослан <«#» ноября 2013 года.

Отзывы на автореферат с подписями, заверенными печатью учреждения, просим выслать по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый совет ФГБОУ ВПО "НИУ "МЭИ"

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.04 к.т.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Проблема снижения энергопотребления в системах поддержания микроклимата промышленных и общественных зданий была и остается актуальной. Наряду с совершенствованием элементов систем, объемно-планировочных и теплотехнических решений особый интерес представляет использование теплоты вытяжного воздуха. В теоретических основах кондиционирования отдельную группу образуют помещения с повышенным влаговыделением. Главной особенностью помещений данного типа является необходимость ассимиляции влаги на протяжении всего года для поддержания заданных параметров в рабочей зоне; таким образом, удаляемый воздух характеризуется повышенной относительной влажностью и теплосодержанием. Традиционными средствами снижения энергопотребления в системе поддержания микроклимата помещений с повышенным влаговыделением является использование утилизаторов непосредственного действия (рекуперативных и регенеративных теплообменных аппаратов) и рециркуляции.

Существенным недостатком применения теплоутилизаторов непосредственного действия является отсутствие возможности использования получаемой тепловой энергии в теплопотребляющих системах здания, кроме системы вентиляции (из-за ее низкого потенциала). Извлечение полной теплоты вытяжного воздуха при применении утилизаторов непосредственного действия возможно только в течение холодного периода года. При этом следует принимать во внимание ограничения по использованию утилизаторов непосредственного действия, связанные с возможностью образования наледи на теплообменной поверхности при низких температурах наружного воздуха. Данные ограничения касаются использования пластинчатых и роторных регенеративных теплообменных аппаратов. Из-за наличия ограничений на практике, как правило, в данной области применяются утилизаторы с промежуточным теплоносителем (УПТ), которые характеризуются довольно низким КПД.

Использование рециркуляции ограничено требованиями к подаче нормативного объема наружного воздуха, а также снижением ассимилирующей способности приточного воздуха (вследствие осуществления подмеса удаляемого воздуха).

Применение парокомпрессионных тепловых насосов в составе приточно-вытяжных установок позволяет существенно повысить количество и качество утилизируемой низкопотенциальной теплоты, а также осуществить передачу дополнительной тепловой энергии в теплопотребляющие системы здания. Также необходимо отметить очевидные преимущества, связанные со значительным снижением расхода первичного условного топлива и положительным влиянием на экологию. С другой стороны, использование парокомпрессионных теплонасосных установок (ТНУ) в системах теплоснабжения на объектах, расположенных на территории Российской

Федерации, сопряжено с определенными трудностями: сложившаяся система централизованного теплоснабжения, высокое значение соотношения тарифов на электрическую и тепловую энергию (от 1/3 и выше), дороговизна ТНУ. Перечисленные особенности обуславливают сложность принятия решения при использовании ТНУ в схемах систем вентиляции и необходимость проведения многовариантного численного исследования с целью определения энергетических и экономических показателей, а также разработки соответствующих рекомендаций по их внедрению.

Целью работы является параметрическая и структурная оптимизация систем утилизации теплоты воздуха, удаляемого из помещений с повышенным влаговыделением, по критериям энергетической и экономической эффективности с помощью методов физического и математического моделирования на примере плавательных бассейнов. Задачи исследования:

1. Создание математической модели системы теплоснабжения плавательного бассейна для проведения многовариантных расчетов. В ее состав должны быть включены математические модели основных элементов рассматриваемой системы: обслуживаемого помещения, теплонасосной установки, утилизатора с промежуточным теплоносителем.

2. Проведение серии экспериментов для проверки адекватности созданной математической модели ТНУ.

3. Разработка схем использования теплоты воздуха, удаляемого из помещения плавательного бассейна, с применением ТНУ, УПТ и рециркуляции в различных комбинациях.

4. Проведение параметрической и структурной оптимизации разработанных схем с помощью созданной математической модели системы теплоснабжения плавательного бассейна.

5. Определение экономических показателей для наиболее перспективных схем с точки зрения минимального потребления условного и первичного условного топлива.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель системы теплоснабжения плавательного бассейна, которая позволяет проводить исследования схем утилизации теплоты вытяжного воздуха с использованием УПТ, ТНУ и рециркуляции в различных комбинациях в расчетных и нерасчетных режимах.

2. Результаты параметрической и структурной оптимизации систем утилизации теплоты вытяжного воздуха.

3. Результаты расчета экономических параметров для наиболее перспективных схем с точки зрения минимального энергопотребления

4. Заключение об эффективности применения схемы с использованием ТНУ, УПТ и второй рециркуляции для использования теплоты вытяжного воздуха. Научная новизна

1. Впервые разработана математическая модель системы теплоснабжения плавательного бассейна, которая позволяет проводить многовариантные

численные исследования параметров при изменении начальных условий (характеристики помещения, параметры микроклимата, месторасположение объекта, параметры цикла ТНУ и др.) как в расчетных, так и нерасчетных режимах.

2. Впервые проведена структурная и параметрическая оптимизация схем утилизации теплоты воздуха, удаляемого из помещения плавательного бассейна, с применением ТНУ, УПТ и рециркуляции в различных комбинациях.

3. Показано, что схемы с применением первой рециркуляции и ТНУ неэффективны, сокращение энергопотребления при их использовании по сравнению со схемами с применением УПТ приблизительно одинаково. Наиболее перспективной схемой использования теплоты воздуха, удаляемого из помещения плавательного бассейна, является схема с комбинированным применением ТНУ, УПТ и второй рециркуляции (в работе схема №4.2а). При использовании данной схемы среднее снижение расхода условного топлива составит 68%, первичного условного топлива - 72% в зависимости от климатического района расположения объекта.

4. Показано, что при соотношении тарифов на тепловую и электрическую энергию 1/1 схемы с использованием ТНУ обладают лучшими экономическими показателями (дисконтированный срок окупаемости составляет 3 года). При соотношении тарифов 1/3 применение теплонасосных установок в схемах использования теплоты вытяжного воздуха требует дополнительного технико-экономического обоснования.

Практическая ценность

1. В рамках данной диссертационной работы разработана опытно -экспериментальная установка, позволяющая с помощью ТНУ использовать теплоту воздуха, удаляемого из помещения плавательного бассейна.

2. Созданная математическая модель системы теплоснабжения плавательного бассейна позволяет отказаться от проведения трудоемких итераций, связанных с определением параметров воздуха в характерных точках, использования разнородных программ, графиков и таблиц. В рамках данной диссертационной работы было получено два свидетельства о регистрации программы для ЭВМ №2013612407 и №2013612408 от 26.02.2013. Данная модель может быть использована для анализа схем утилизации теплоты вытяжного воздуха.

3. Предложена к практическому применению схема с комбинированным применением ТНУ, УПТ и второй рециркуляции (в работе схема №4.2а).

4. Создана математическая модель теплонасосной установки, которая позволяет проводить расчеты циклов ТНУ с использованием и без использования переохладителя фреона для трех наиболее часто используемых рабочих тел (Ш34а, 11410А, 11407С) с учетом температурного глайда, при этом доступно изменение значений перегрева и переохлаждения. Данная модель описывается системой рациональных и полиноминальных уравнений, поэтому ее использование возможно в любых программных продуктах.

Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных в диссертационной работе выводов подтверждается согласованием с результатами экспериментальных и численных исследований других авторов. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на национальных и международных конференциях: 15, 16, 17, 18 и 19 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Москва, 20092013 гг.; пятой и шестой Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика». Москва, 2010 и 2012 гг.; пятой научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов». Москва 2010 г. Личный вклад автора:

Материалы и результаты диссертационного исследования получены соискателем лично или в соавторстве. Личный вклад автора для достижения полученных результатов заключается в:

а) создании математической модели системы теплоснабжения плавательного бассейна;

б) разработке тепломеханической части проекта опытно - эксперйментальной установки;

в) получении массивов данных экспериментальных и численных исследований;

г) обработке и обобщении полученных результатов.

Публикации. Основные положения и выводы диссертационной работы изложены в 10 опубликованных работах, в том числе в двух публикациях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, состоящего из 98 наименований и 2 приложений. Общий объем диссертации составляет 173 страницы, включая рисунки, таблицы и приложения.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность оптимизации систем утилизации теплоты влажного вытяжного воздуха. Сформулирована цель работы, показаны научная новизна и практическая ценность. Приведены основные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе приведены результаты оценки потенциала энергосбережения в системах поддержания микроклимата плавательных бассейнов г. Москвы. Показано, что общее количество низкопотенциальной теплоты удаляемого воздуха, которое может быть полезно использовано при постоянной работе теплоутилизирующего устройства, составляет 85 213 МВт-ч/год, что эквивалентно полезной нагрузке нескольких котельных г. Москвы.

Дано описание объекта исследования (плавательного бассейна), характеристика параметров микроклимата, указаны особенности процесса тепло- и влагопоступлений. Представлены достоинства и недостатки применения традиционных мероприятий по использованию теплоты

удаляемого воздуха: рециркуляции и утилизаторов непосредственного действия.

В данной главе проведен обзор работ зарубежных и отечественных авторов, посвященных применению теплонасосных установок в системах поддержания микроклимата. В СССР данным направлением занимались такие ученые, как Карпис Е.Е., Богословский В.Н., Бродянский В.М., Соколов Е.Я., Калинин И.М., Мартыновский B.C., Везиришвили О.Ш., Гомелаури В.И., Меладзе Н.В., Проценко В.П., Мартынов A.B. и многие другие. Среди отечественных авторов работ в области применения теплонасосных установок в схемах систем микроклимата, опубликованных после 2000 г., следует выделить Васильева Г.П. и Кокорина О .Я.

Среди зарубежных авторов работ, посвященных применению ТНУ в системах поддержания микроклимата, следует выделить Peng Sun, Jing Yi Wu, Ru Zhu Wang, Yu Xiong Xu, Johansson L., Westerlund L, Chung-Kuan Kung, Wen-Shing Lee и др.

На основании проведенного обзора можно заключить, что исследования, посвященные применению ТНУ для утилизации теплоты воздуха, удаляемого из помещений с повышенным влаговыделением, немногочисленны, несмотря на значительный потенциал энергосбережения в этой области. В отечественной практике на сегодняшний день большое внимание уделяется применению ТНУ в системах теплоснабжения жилых многоэтажных домов с комбинированным использованием низкопотенциальной теплоты нескольких источников. За рубежом применению ТНУ в данной области уделяется большее внимание. В работах зарубежных авторов основной целью является структурная оптимизация; при этом не производится рассмотрение всех наиболее перспективных вариантов, например схем с комбинированным применением УНТ, ТНУ и рециркуляции. Параметрическая оптимизация (влияние температуры испарения рабочего тела цикла ТНУ, коэффициента загрузки ТНУ, коэффициента рециркуляции и т.д.) в работах, представленных в обзоре, не проводилась.

Во второй главе дано описание математических моделей основных элементов системы теплоснабжения плавательного бассейна. Приведены основные этапы построения алгоритма.

Одним из достоинств разработанной математической модели является возможность определения параметров как в расчетных, так и нерасчетных режимах. С целью создания требуемого массива данных, была произведена обработка архива погоды за 2007 - 2011 гг. В результате были получены одномерные массивы климатических данных для пяти крупных городов РФ: Москвы, Махачкалы, Томска, Дудинки и Якутска. Здесь следует отметить, что использование этих данных в расчетах позволяет учитывать динамику изменения параметров приточного и удаляемого воздуха, а также расхода приточного воздуха, что положительно влияет на точность получаемых результатов.

Важным составляющим элементом является математическая модель помещения плавательного бассейна, которая описывается системой уравнений балансов теплоты и влаги. При решении данной системы относительно параметров удаляемого воздуха (расход и параметры приточного воздуха рассчитываются в зависимости от схемы системы вентиляции с помощью итерационного цикла) основную сложность составляет определение количества влаги, испарившейся с поверхности зеркала бассейна. Существует множество зависимостей, в разное время предложенных для определения количества влагопоступлений. Для формирования корректной модели помещения бассейна был проведен сравнительный анализ тринадцати формул. Были рассмотрены зависимости, предложенные Дальтоном Дж., специалистами Всероссийского теплотехнического института, Керриером В., Лурье М., Михайловым Н., Хэюрюненом П., Шахом М.М., Китайцевым A.B. и др. Одним из этапов сравнительного анализа являлось сопоставление результатов, полученных расчетным и экспериментальным методом.

В результате проведения сравнительного анализа к расчету была принята методика Китайцева A.B. по двум основным причинам:

- сравнение расчетных значений и результатов натурных испытаний показывает достаточно близкое совпадение;

- помимо формулы Китайцевым A.B. была разработана методика, которая предусматривает итерационное определение параметров удаляемого воздуха.

Еще одним важным элементом является математическая модель теплонасосной установки. Существует несколько общеизвестных подходов к созданию математических моделей ТНУ. Один из них заключается в применении эмпирических зависимостей для расчета коэффициента трансформации. Недостатком предлагаемых формул являются ограничения, связанные с принятыми начальными условиями при их получении. Например, если зависимость была получена для ТНУ без осуществления перегрева фреона, ее использование для расчета с учетом влияния значения перегрева может быть некорректным. Довольно часто при создании математических моделей ТНУ применяется определение параметров фреона в характерных точках с помощью интерполяции. Основным недостатком этого подхода является необходимость хранения большого объема дополнительных данных, которые использует программа при расчетах (случайное удаление или потеря этих файлов приводит к нарушению работы программы). В настоящее время более удобной альтернативой является использование «облачного» сервиса, данная технология основана на использовании ссылок на функции, которые хранятся на удаленном сервере, однако его существенным недостатком является необходимость доступа в сеть. Для расчета параметров фреона в характерных точках цикла возможно также использование различных программных продуктов, в частности CoolPack 1.46, Duprex 3.2, Solkane 6.0 и др., однако автоматическая передача результатов расчета в другие программы (MathCad', MatLab и др.) в них не предусмотрена. В связи с вышеизложенным возникла необходимость в создании данной математической модели.

К расчету был принят парокомпрессионный тепловой насос с возможностью использования в схеме переохладителя (рис. 1).

При определении параметров рабочего тела в характерных точках цикла решается система полиноминальных и рациональных уравнений (1)-(11), которая приведена ниже:

( _ Оо +а2 -к +аА +«6 "4 +а8 -4) (1)

, = Фо +ьг +ь4 +ь6 -4 +ьй-4 +¿10-4) (2)

(1+ъх -гк +¿3 +ь5 +г>7-4 +ь9 -4)

'зь (3)

К = е0 + С1 + С2 -Рк +«3 +С4 -рК2 +с; ■РК+С6 + (4)

+ С7 -Рк +С8 -Ьь -Р1 + С9 -Рк

^ (¿0 + • + • ги2 + • ?и3 + • ?и4 + ¿10 ■ ?и5)

+ + 'и2 + ¿5 • 'и3 + ¿7 • 'и4 + ¿9 • 'и5)

^ = Оо +б2 +е4^И2+еб^И3+е8 У+еюЛ5) ф

(1 + ег^+е3^и2+е5+е7 V +е9 -¿и5)

д = (/о+Л Л +Л V +/б У+Л У+/ю 'С) (?)

1Я (1 + /г'и + /з- 'и' + /,' 'и3 + Л " 'и' + /, ' 'и')

'.ь^и + Чсрп, (8)

Къ = го + + -Ри + ?3 '4г. + -Ри2 + #5 ''и '/>и + Яб -й +

+ Я7 'Ри + -'и, -Ри +^9 -4» -Ри

5,4 = г0 + Ч''и + 'г"1пРи + Н ■ 4 + »4" (1пРиУ+ Ч '^ •1пРи + Ч 'й +

(1+от6 ^ +«7 ■(1прк)+»г8-(1прк)2 +щ,-(1прк)3)

Коэффициенты данных уравнений были получены с помощью ТаЫеСитуе 2Б/30 в требуемом диапазоне параметров. В качестве данных по теплофизическим свойствам рабочих тел была использована база данных программы Биргех 3.2. Созданная модель позволяет выполнять расчеты для трех наиболее часто используемых рабочих тел: 11134а, 11407С, 11410А.

При оценке точности созданной математической модели было проведено сравнение с результатами расчетов других программных продуктов. Для выше перечисленных фреонов были рассчитаны значения удельной тепловой, холодильной и электрической мощности. Величина максимального относительного отклонения составила менее 5% для циклов с использованием переохладителя и менее 4% без него.

(9)

(10)

2 а 2

7 р кс сога/

Да 4

й, кДж/кг

Рис 1- а)4- Принципиальная схема цикла ТНУ; б) - даагр^а процесс^Др -

' 1 - конденсатор; Исп - испаритель; Км - компрессор, ПО

дроссельный п™ев рабочего тела в испарителе ТНУ; 1Ь-1с - перегрев

переохладитель фреона 1аЛида Р тела в компресс0ре; 2-За - конденсация рабочего

^^ "зЬ^^ение в конденсаторе; ЗЬ-Зс переохлаждение в ПО, телавконденса р 3 4 _ расширение рабочего тела в дросселе.

контуром, В котором циркулирует Р пясчетном и нерасчетном

УШ позволяет определять плоодда повернете теплоотдающего

режимах, а также вычислять требуемые площади по^р

И теплоизвлекающего метод

определения площади теплообменнои поверхноста твлялись для

данные исп^льзуются при определении экономьй

произвТдГ ®. ™ «

точность расчетных Д» ^д^ 0 решение произвести ряд

важное значение. В связи с этим о Р адекватности созданной

натурных испытании с ^^^^ проведены в учебно-

математическои моде№^Натурные^ ™ ^ ов утилизации

^Г-МГЬ- системы теплоснабжения.

Упрощенная функциональная схема лаборатории представлена на рис. 2, запорная арматура, показывающие измерительные приборы, датчики перепада давления, измерители параметров рабочего тела ТНУ, дублирующие приборы на схеме не показаны. Установленные измерительные приборы позволяют определять следующие параметры: температуры фреона (в характерных точках цикла ТНУ), температуры теплоносителя, количество тепловой энергии (определяется с помощью теплосчетчика КМ-9), мгновенную электрическую мощность (потребляемую ТНУ, циркуляционными насосами, вытяжным вентилятором), параметры воздуха до и после утилизатора, расход воздуха, воды и антифриза.

Рис. 2. Функциональная схема лаборатории для исследования процессов утилизации теплоты «НИУ «МЭИ»: 1 - теплонасосная установка; 2 - воздухоохладитель (трубчатый оребренный теплообменник); 3 - буферный бак накопитель; 4 - промежуточный теплообменник (пластинчатый теплообменник); 5 - циркуляционный насос; 6 - смешивающий клапан с электроприводом; 7 - электромагнитный расходомер; 8 - соленоидный клапан; 9 - фильтр карманный; 10 - вентилятор. ТЕ - термометр сопротивления платиновый (аналоговый датчик); VE - преобразователь скорости потока (аналоговый датчик); ФЕ - Ёмкостный датчик относительной влажности воздуха (аналоговый датчик).

При проведении натурных испытаний были измерены следующие параметры: температуры фреона (в характерных точках схемы), количество тепловой энергии (получаемой в конденсаторе ТНУ), мгновенная электрическая мощность (потребляемая ТНУ).

Для оценки адекватности созданной математической модели было произведено сравнение значений коэффициентов преобразования ТНУ, определенных результате проведения натурных испытаний и математического моделирования. На рис. 3 приведена графическая иллюстрация полученных данных. Так как установленный тепловой насос не предусматривает управление температурой испарения, была произведена выборка точек из полученного массива (диапазоны изменения температуры на выходе из испарителя были заданы 0±1 °С и 7±1 °С).

Рис. 3. График зависимости коэффициента преобразования ТНУ от температуры на выходе из конденсатора: численные исследования (температура испарения -5°С); - численные исследования (температура испарения 2°С); - натурные испытания (температура испарения 2°С); ~натурные испытания (температура испарения -5°С).

При проведении расчетов с помощью математической модели значение перегрева и переохлаждения было принято 5 и 10 °С соответственно, внутренний КПД компрессора 65%, электромеханический КПД компрессора 95% в соответствии с паспортными данными. Как видно из рисунка, результаты, полученные с помощью созданной математической модели ТНУ (рабочее тело 11410А), удовлетворительны (максимальное относительное отклонение не превышает 5%), и, следовательно, данная математическая модель может использоваться в дальнейших расчетах.

В четвертой главе приведено описание и результаты численного исследования схем утилизации теплоты воздуха, удаляемого из помещения плавательного бассейна. Первая часть 4-ой главы посвящена параметрической оптимизации. В результате проведения численных исследований было показано, что для данной области (при разности температур конденсации и испарения менее 40 °С) различие коэффициентов трансформации фреонов Ю34а, 11410А и Я407С не превышает 5%. Таким образом, был сделан вывод о том, что при использовании ТНУ в схемах систем поддержания микроклимата выбор хладагента Ш34аЛ1410А/К.407С не оказывает значительного влияния на энергопотребление системы. Было также показано, что применение переохладителя фреона в цикле ТНУ не позволяет получить значительную экономию при анализе потребления всей системы. При сочетании использования переохладителя (ПО) в схеме цикла ТНУ и наиболее перспективного рабочего тела (Ш34а) ожидаемое снижение энергопотребления в системе составит 4-5% по сравнению с системой с применением К410А (фреон с самым низким коэффициентом преобразования по сравнению с Я407С и Я134а) и без использования ПО в цикле ТНУ.

В ходе осуществления параметрической оптимизации был также проведен анализ влияния температуры испарения рабочего тела на энергетические показатели работы системы с использованием ТНУ. Очевидно, что чем меньше разность температур конденсации и испарения фреона, тем выше коэффициент преобразовании ТНУ. При этом чем выше температура

испарения, тем меньше количество тепловой энергии, которое возможно утилизировать. Таким образом, наблюдается взаимосвязь температуры испарения и значения требуемой мощности. На основании качественного анализа был сделан вывод о возможности определения оптимальной температуры испарения в зависимости от требуемой нагрузки.

Для анализа изменения интенсивности испарения влаги с поверхности зеркала воды, были проведены расчеты с использованием созданной математической модели помещения. Проведенные численные исследования показали, что при повышении температуры в рабочей зоне не происходит ожидаемого снижения интенсивности испарения, т.к. из-за повышения температуры происходит понижение относительной влажности воздуха, что напротив, интенсифицирует процесс влагопоступления. Таким образом, можно сделать вывод о целесообразности поддержания температуры воздуха в рабочей зоне в границах, которые устанавливаются гигиеническими требованиями. Результаты численных исследований также свидетельствуют о возможности снижения интенсивности испарения при использовании рециркуляции (повышении относительной влажности воздуха).

Вторая часть 4-ой главы посвящена описанию результатов структурной оптимизации схем с использованием ТНУ, УПТ и рециркуляции в различных комбинациях.

Рис. 4. Принципиальные схемы использования теплоты удаляемого воздуха: а) -прямоточная схема с использованием ТНУ (№ 3.1); б) - схема без использования энергосберегающих мероприятий (№1.1); в) - схема с комбинированным использованием ТНУ и первой рециркуляции (№3.4); г) - схема с комбинированным использованием УПТ и

второй рециркуляции (№2.2); д) - схема с комбинированным использованием второй рециркуляции, ТНУ и УПТ (№4,2). СП - сетевой подогреватель; ТИ - теплоизвлекающий теплообменник контура УПТ; ТО - теплоотдающий теплообменник контура УПТ; К -конденсатора теплонасосной установки; И - испаритель теплонасосной установки; П -обслуживаемое помещение. К номеру схем, в которых рассматривается энергопотребление в системе вентиляции, добавляется буква «а». При наличии избытка тепловой энергии при применении ТНУ возможна его передача в другие системы. Поэтому в рамках групп с использованием теплонасосной установки были рассмотрены следующие модификации:

- использование получаемой теплоты в системе вентиляции и системе нагрева воды для чаши бассейна (к номеру схемы добавляется буква «б»);

- использование получаемой теплоты в вышеперечисленных системах, выработка дополнительной тепловой энергии для нужд бассейна (подогрев обходных дорожек, нагрев воды для ножных ванн, системы ГВС и др.) (к номеру схемы добавляется буква «в»).

Ранее было показано, что существует взаимосвязь температуры испарения и значения требуемой мощности. С помощью созданной математической модели были проведены численные исследования для различных значений температуры испарения. Результаты вычислений, выполненных для схемы №3.1 а (схема с использованием ТНУ, без применения рециркуляции - рис. 4а), представлены на рис. 5. __

Темепература испарения рабочего тела цикла ТНУ, °С

Рис. 5. График изменения годового расхода условного топлива, расчетной тепловой мощности ТНУ и среднего расхода тепловой энергии в системе вентиляции в зависимости от температуры испарения рабочего тела цикла ТНУ: - средняя тепловая мощность, кВт;

" - расчетная тепловая мощность ТНУ, кВт; - годовой расход условного топлива, кг у.т./год/(м2 поверхности зеркала бассейна) Из графика видно, что для данной схемы минимум энергозатрат, выраженный в условном топливе, может быть достигнут при температуре испарения фреона 9 °С. При данной температуре испарения коэффициент замещения (количество теплоты, вырабатываемой ТНУ, отнесенное к расчетному значению требуемой мощности) составляет 0,6. При этом данный коэффициент не одинаков для всех схем (рис. 6). Например, для схемы №3.4а (с использованием ТНУ и первой рециркуляции в течение теплого периода, рис. 4в) от значения температуры испарения фреона зависит расход приточного воздуха (так как температура испарения при данной структуре схемы определяет параметры воздуха на выходе из испарителя ТНУ). Из рис. 6 видно, что при температуре испарения фреона выше 5 °С начинается резкий рост энергопотребления, это связано с увеличением требуемого объема приточного воздуха, что является следствием повышения влагосодержания воздуха на выходе из испарителя ТНУ. То есть для схем с комбинированным применением первой рециркуляции и ТНУ не выражена зависимость температуры испарения и значения требуемой мощности, поэтому аналогичные рекомендации для схем данной структуры разработать нельзя.

Из результатов проведенных исследований прямоточных схем с использованием ТНУ и схем с комбинированным применением ТНУ и второй рециркуляции следует, что оптимальное значение расчетной мощности "ПТУ лежит в диапазоне 1,1....1,25 значения средней мощности за время включения подогрева в системе. Температуру испарения фреона следует определять в

Рис. 6. График изменения годового расхода условного топлива в зависимости от температуры испарения рабочего тела цикла ТНУ при использовании схем №3.1а, №3.4а:

схема №3.4а; • - схема №3.1 а.

Из сводной диаграммы годового расхода условного топлива (рис. 7) видно, что наиболее низкое потребление энергоресурсов достигается в схеме №4.2 (с комбинированным применением ТНУ, УНТ и второй рециркуляции, рис. 4д). При этом необходимо отметить, что данные были получены при оптимальной температуре испарения. Для модификации «а» по сравнению с №1.1 (схемой без применения энергосберегающих мероприятий, рис.4б) при использовании данной схемы среднее снижение расхода условного топлива составило 68%, первичного условного топлива - 72% в зависимости от климатического района расположения объекта. По сравнению с №2.2 (схемой с применением второй рециркуляции и УНТ (КПД УПТ 50%), рис.4г) снижение расхода условного топлива составило 33%, первичного условного топлива -40%.

Схемы с применением первой рециркуляции следует считать неэффективными, сокращение энергопотребления при их использовании по сравнению со схемами с применением УПТ приблизительно одинаково, при этом сложность и стоимость системы с использованием ТНУ значительно выше. Неэффективность этих схем обусловлена необходимостью использования второго подогрева и наружного конденсатора для отвода избыточной теплоты от конденсатора ТНУ.

Использование рециркуляции ограничено требованиями нормативных документов, поэтому значение коэффициента рециркуляции изменяется в достаточно узком диапазоне (от 0 до 20%). При данных условиях оптимизация этого параметра оказалась невозможна. При увеличении коэффициента в этом диапазоне наблюдалось монотонное снижение энергопотребления системы. Поэтому для всех схем с использованием рециркуляции коэффициент был задан одинаковым - 20%.

При сравнении энергопотребления в схемах с возможностью выработки дополнительной тепловой энергии (модификация «б») и в схемах с отсутствием таковой рассматривалось общее потребление в системе вентиляции и системе подогрева воды для чаши бассейна. Максимальное значение экономии достигается при использовании схемы №4.26. Среднее снижение потребления условного топлива при ее использовании составляет 28% по сравнению с № 1.1. При численном исследовании схем с применением ТНУ модификации «в» сравнение производилось с централизованным источником тепловой энергии. Снижение энергопотребления для всех схем составляет примерно 40%._

111112 &вев&в

—« ^ СМ Г| ГЧ см см с4 СЧ СМ

111111111221 ймисцвииюмыммм

Номер схемы с указанием температурного КПД УПТ

Рис. 7. Диаграмма годового потребления условного топлива при использовании схем модификации «а» (на примере климатических условий г. Махачкалы).

Для всех рассмотренных районов качественная картина энергопотребления в зависимости от схемы одинакова, т.е. схема №4.2 является наиболее экономичной вне зависимости от района расположения объекта. Сравнение результатов исследования схем всех модификаций показало, что для рассмотренных районов характерно малое изменение значения экономии условного и первичного условного топлива при сравнении со схемой №1.1. Сравнение полученных значений расходов условного и первичного условного топлива при использовании схем №4.2 и №2.2 показало перспективность применения схем с ТНУ в южных и центральных районах РФ (г. Махачкала, Москва).

Системы с использованием так называемого прямого испарения имеют явные преимущества по сравнению с системами с промежуточным контуром: отсутствие дополнительных затрат электрической энергии на привод циркуляционных насосов промежуточного контура, пониженные капитальные затраты и т.д.; однако использование таких систем не всегда возможно из-за конструктивных особенностей здания. Поэтому численные исследования были проведены и для систем с промежуточным контуром.

Результаты численных исследований показали, что использование ТНУ обеспечивает экономию условного топлива порядка 11% при температуре конденсации 50°С и порядка 46% при температуре конденсации 30°С. При изменении протяженности промежуточного контура, данное значение изменяется в пределах 6%. С точки зрения экономии энергоресурсов данный

тип схем можно считать перспективным при сохранении разности между температурой конденсации и испарения не выше 30 °С. Теплоноситель с такой температурой может использоваться в системе подогрева воды для чаши бассейна или для предварительного нагрева в системе ГВС. В пятой главе было выполнено сравнение наиболее перспективных схем, отобранных в главе 4, со схемой без применения энергосберегающих мероприятий (схема №1.1). Сравнение было произведено с учетом основных экономических показателей: чистого дисконтированного дохода (ЧДД). дисконтированного срока окупаемости и индекса доходности (ИД).

При соотношении тарифов на тепловую и электрическую энергию 1/1 схемы с использованием ТНУ безусловно могут быть рекомендованы к внедрению: их средний дисконтированный срок окупаемости составляет около трех лет. При соотношении тарифов 1/2 и 1/3 экономически целесообразно использование ТНУ небольшой мощности для обеспечения более низких сроков возврата вложенных средств (т.е. более перспективными являются схемы модификации «а»). Например, при соотношении тарифов 1/2 дисконтированный срок окупаемости при использовании схем №3.1 а и №4.2а составляет 8 и 7 лет соответственно, т.е. очевидна перспективность схем с комбинированным применением ТНУ и УПТ, При традиционном соотношении тарифов на тепловую и электрическую энергию 1/3 дисконтированный срок окупаемости схемы №3.1.а находится за пределами рассматриваемого периода (10 лет), для схемы №4.2а он составляет 8 лет. Следует отметить, что средний срок службы систем такого типа составляет от 15 до 20 лет, поэтому в некоторых случаях, когда большее внимание уделяется снижению потребления условного топлива, данный вариант может представлять интерес. Исследование схем модификации «в» показало нецелесообразность их применения при соотношении тарифов выше 1/1. В случае использования такой системы как альтернативы электронагреву дисконтированный срок окупаемости составляет 4 года.

Аналогичные расчеты экономических показателей, были выполнены для климатических условий других городов. Сравнивая данные для двух климатических районов - южного и северного, можно отметить отрицательную динамику изменения экономических показателей при использовании схем с ТНУ. Данный факт объясняется тем, что при проведении исследований для климатических условий северных районов значение средней требуемой мощности в системе вентиляции было значительно выше возможной мощности ТНУ, т.е. исследования были проведены не для оптимальных параметров.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. В результате проделанной работы была создана математическая модель для проведения многовариантных расчетов системы теплоснабжения плавательного бассейна. В ее основу легли модели основных элементов системы, а именно: обслуживаемого помещения, теплонасосной установки,' утилизатора с промежуточным теплоносителем. Одним из главных достоинств созданной математической модели является возможность анализа изменения параметров

системы, как в расчетных, так и нерасчетных режимах. Созданные расчетные блоки и функции являются завершенными элементами, и могут быть использованы в других научно-исследовательских работах или программных продуктах.

2. Точность созданной модели ТНУ была подтверждена результатами натурных испытаний. Математическая модель ТНУ описывается системой полиноминальных и рациональных уравнений, таким образом, ее использование возможно в любой программной среде (в качестве рабочих тел рассмотрены Ю34а, 11410 А, Я407С).

3. Разработано 16 схем (с учетом возможных модификаций 32-х) утилизации теплоты воздуха, удаляемого из помещения плавательного бассейна.

4. Выполнена параметрическая и структурная оптимизация описанных схем по критериям энергетической эффективности. На основании результатов сравнительного анализа энергопотребления рассмотренных систем получены следующие выводы о целесообразности применения схем с использованием ТНУ с точки зрения снижения расхода условного и первичного условного топлива:

- выбор хладагента Ш34аЛ1410А/11407С и применение переохладителя в цикле ТНУ не оказывает значительного влияния на энергопотребление системы;

- результаты численных исследований также свидетельствуют о возможности снижения интенсивности испарения при использовании рециркуляции (повышении относительной влажности воздуха);

- на эффективность применения ТНУ значительное влияние оказывает выбор структуры схемы поддержания микроклимата;

- схемы с комбинированным применением первой рециркуляции и ТНУ неэффективны, сокращение энергопотребления при их использовании по сравнению со схемами с применением УПТ приблизительно одинаково;

- наиболее перспективной схемой использования теплоты воздуха, удаляемого из помещения плавательного бассейна, является схема с комбинированным применением ТНУ, УПТ и второй рециркуляции (№4.2а). При использовании данной схемы среднее снижение расхода условного топлива составит 68%, первичного условного топлива - 72% в зависимости от климатического района расположения объекта;

- из результатов проведенных исследований прямоточных схем с использованием ТНУ и схем с комбинированным применением ТНУ и второй рециркуляции следует, что оптимальное значение расчетной мощности ТНУ лежит в диапазоне 1,1....1,25 значения средней мощности за время включения подогрева в системе;

- схемы с использованием промежуточного контура можно считать перспективным при сохранении разности между температурой конденсации и испарения не выше 30°С (при данных условиях их использование позволяет снизить расход условного топлива на 46%, первичного условного топлива на 56%).

5. Для наиболее эффективных схем с точки зрения энергетической эффективности выполнен расчет экономических показателей. На основании полученных результатов расчета сделаны следующие выводы о целесообразности применения схем с использованием ТНУ с точки зрения экономии денежных средств:

- при соотношении тарифов 1/1 схемы с использованием ТНУ безусловно могут быть рекомендованы к внедрению: средний дисконтированный срок окупаемости систем составляет 3 года;

- при соотношении тарифов 1/2 данные системы могут быть рекомендованы к внедрению, при этом основное внимание должно быть уделено выбору технических решений, которые обеспечивали бы работу ТНУ при оптимальных параметрах;

- при соотношении тарифов 1/3 средний дисконтированный срок окупаемости систем составляет 8 лет и более, поэтому с точки зрения экономии денежных средств их применение целесообразно при проведении дополнительных технико-экономических расчетов для всей системы теплоснабжения (например, с учетом платы за подключение, или оценке снижения стоимости теплогенерирующего оборудования - местной котельной);

- по результатам проведенных исследований с точки зрения экономии денежных средств наиболее перспективной является схема комбинированным применением ТНУ, УПТ и второй рециркуляции.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ t— температура, °С; р— давление, МПа; h — удельная энтальпия (теплосодержание), кДж/кг.

Индексы: к - конденсация фреона; и- испарения фреона; перерг - перегрев фреона; переохл -переохлаждение фреона.

Сокращения: ТНУ - теплонасосная установка; УПТ - утилизатор с промежуточным теплоносителем; ПО - теплообменник для использования теплоты рабочего тела цикла ТНУ после конденсатора (переохладитель); ХВС -холодное водоснабжение; ГВС -горячее водоснабжение; ПВЧ - подогрев воды чаши (бассейна).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Чиж,макова (Самойленко) В.Ю., Яковлев И.В. Применение теплонасосных установок для утилизации теплоты вытяжного воздуха в плавательных бассейнах// Вестник МЭИ. - 2013. - №2. С. 31- 38.

2. Очков В.Ф., Орлов К.А., Очков А.В., Знаменский В.Е., Волощук В.А., Чижмакова (Самойленко) В.Ю. «Облачный» сервис по свойствам рабочих веществ холодильных установок// Вестник международной академии холода. - 2013. - №2. С. 23 - 28.

3. Чижмакова (Самойленко) В.Ю., Яковлев И.В. Применение теплонасосных установок для утилизации теплоты влажного вытяжного воздуха в плавательных бассейнах// Пятая Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика». Сб. трудов -М.: Издательский дом МЭИ. -2010. С. 150 - 156.

4. Чижмакова (Самойленко) В.Ю., Яковлев И.В. Применение теплонасосных установок для утилизации теплоты влажного вытяжного воздуха в помещениях с повышенным влаговыделением// Шестая Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика». Сб. трудов - М.: Издательский дом МЭИ. -2012. С. 365 - 369.

5. Чижмакова (Самойленко) В.Ю., Яковлев И.В. Экономическая целесообразность применения схем с использованием тепловых насосов// Пятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. - 2009. С. 436.

6. Чижмакова (Самойленко) В.Ю., Яковлев И.В. Оценка целесообразности применения ТНУ в целях утилизации теплоты влажного воздуха// Шестнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. - 2010. С. 458-459.

7. Чижмакова (Самойленко) В.Ю., Яковлев И.В. Оценка целесообразности применения ТНУ с целью утилизации теплоты влажного воздуха//-Семнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. - 2011. С. 543 - 544.

8. Чижмакова (Самойленко) В.Ю., Яковлев И.В. Применение ТНУ в системах микроклимата предприятий пищевой промышленности// Восемнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. -2012. С. 285-286.

9. Чижмакова (Самойленко) В.Ю., Яковлев И.В. Применение ТНУ в системах микроклимата помещений с повышенным влаговыделением// Девятнадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. - 2013. С. 172.

10. Яковлев И.В., Чижмакова (Самойленко) В.Ю. Экономическая целесообразность применения ТНУ с целью утилизации теплоты влажного воздуха // Пятая научно-практическая конференция: Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов. Тез. докл. - 2013. С. 344 - 347.

Печ.л. Тираж юо Заказ НлЮ

Полиграфический центр МЭИ, Москва, Красноказарменная 13

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ» - (ФГБОУ ВПО

НИУ «МЭИ»)

На правах рукописи 04201450339 ^

Самойленко Валентина Юрьевна

ОПТИМИЗАЦИЯ СИСТЕМ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ВОЗДУХА, УДАЛЯЕМОГО ИЗ ПОМЕЩЕНИЙ С ПОВЫШЕННЫМ ВЛАГОВЫДЕЛЕНИЕМ

05.04.03 — Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: К*Т*Н*9 с.н.с. Яковлев И.В.

Москва, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ ......................................................................................2

Список основных обозначений..............................................................................5

ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................6

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ ВОЗДУХА, УДАЛЯЕМОГО ИЗ ПОМЕЩЕНИЙ С ПОВЫШЕННЫМ ВЛАГОВЫДЕЛЕНИЕМ. АНАЛИЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕРОПРР1ЯТИЙ. ОБЗОР НАУЧНЫХ РАБОТ. 12

1.1 Оценка потенциала энергосбережения.................................................12

1.2. Описание объекта исследования. Характеристика параметров микроклимата помещения плавательного бассейна..................................14

1.3 Энергосберегающие мероприятия, применяемые в системе поддержания микроклимата помещений с повышенным влаговыделением...........................................................................................16

1.3.1 Применение рециркуляции.................................................................16

1.3.2 Применение теплоутилизаторов непосредственного действия......17

1.4 Применение парокомпрессионных теплонасосных установок..........20

1.5 Выводы. Цель и задачи исследования..................................................29

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПЛАВАТЕЛЬНОГО БАССЕЙНА...............................34

2.1. Расчет параметров воздуха в характерных точках.............................34

2.1.1 Параметры наружного воздуха...........................................................34

2.1.2 Параметры приточного и удаляемого воздуха.................................37

2.2 Математическая модель помещения плавательного бассейна...........40

2.3 Математическая модель теплонасосной установки............................52

2.4 Математическая модель утилизатора с промежуточным теплоносителем.............................................................................................66

2.5 Математическая модель системы подогрева воды для чаши бассейна

.........................................................................................................................78

2.6 Описание общего алгоритма вычислений............................................80

2.7 Выводы.....................................................................................................81

ГЛАВА 3. СРАВНЕНИЕ МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ ЦИКЛА ТНУ С РЕЗУЛЬТАТАМИ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ..............................................82

3.1 Описание схемы лаборатории...............................................................83

3.2 Оценка адекватности математической модели ТНУ...........................90

3.3 Выводы.....................................................................................................91

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ И СТРУКТУРНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ, ПОЛУЧЕННЫЕ С ПОМОЩЬЮ РАЗРАБОТАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СИСТЕМЫ..................................................92

4.1 Результаты параметрической оптимизации систем утилизации теплоты воздуха............................................................................................93

4.1.1 Анализ систем с применением ТНУ при использовании фреонов Ю34а, Я410А, Я407С и переохладителя в цикле......................................93

4.1.2 Определение оптимальной температуры испарения фреона цикла ТНУ.................................................................................................................95

4.1.3 Анализ влияния параметров приточного воздуха на интенсивность испарения влаги с поверхности зеркала бассейна.....................................97

4.2 Результаты структурной оптимизации систем утилизации теплоты воздуха............................................................................................................98

4.2.1 Схемы с комбинированным использованием УПТ и рециркуляции .......................................................................................................................101

4.2.2 Схемы с комбинированным использованием рециркуляции, УПТ и ТНУ...............................................................................................................107

4.2.3 Сравнительный анализ потребления условного и первичного условного топлива при использовании схем с применением рециркуляции, УПТ и ТНУ в различных комбинациях..........................117

4.2.4 Схемы с использованием промежуточного контура......................120

4.3 Выводы...................................................................................................123

ГЛАВА 5. РАСЧЕТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ.... 125

5.1 Расчет экономических показателей схем поддержания микроклимата в помещении плавательного бассейна......................................................127

5.2 Выводы...................................................................................................132

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ...........................................134

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...............................................................137

Приложение 1. Результаты численного исследования схем поддержания микроклимата в помещении плавательного бассейна (климатические условия гг. Махачкала, Москва, Томск, Дудинка, Якутск)...........................................146

Приложение 2. Адаптация созданной математической модели для исследования схем поддержания микроклимата в цехах мясоперерабатывающего предприятия.............................................................155

Список основных обозначений

Г—температура, °С;

(р — относительная влажность воздуха, %;

к - удельная энтальпия (теплосодержание), кДж/кг;

с1— влагосодержание влажного воздуха, кг влаги/(кг сухого воздуха);

Ср — изобарная теплоемкость, кДж/(кг К);

р — плотность парогазовой смеси, кг/ м3;

О — массовый расход теплоносителя, кг/с;

Ь — объемный расход теплоносителя, м3/час;

21— полный тепловой поток, кВт;

Б - барометрическое давление на уровне моря, Б = 1013 кПа

Е =

угловой коэффициент, кДж/кг;

АIV

\¥= С Ср — водяной эквивалент теплоносителя, кВт/К;

•у

Т*1 — площадь поверхности теплообмена, м ; а — коэффициент теплоотдачи, Вт/( м К); X — коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); г — удельная теплота парообразования, кДж/кг; Рэ — давление насыщенного пара, Па; Рб — барометрическое давление, Па; Яе — число Рейнольдса; Рг — число Прандтля; N11 — число Нуссельта;

р = АН — коэффициент влаговыпадения;

срАТ

Индексы:

п— приточный воздух; н— наружный воздух; у— удаляемый воздух; см-параметры смеси; \у - вода.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Проблема снижения энергопотребления в системах поддержания микроклимата промышленных и общественных зданий была и остается актуальной. Наряду с совершенствованием элементов систем, объемно-планировочных и теплотехнических решений особый интерес представляет использование теплоты вытяжного воздуха. В теоретических основах кондиционирования отдельную группу образуют помещения с повышенным влаговыделением. Главной особенностью помещений данного типа является необходимость ассимиляции влаги на протяжении всего года для поддержания заданных параметров в рабочей зоне; таким образом, удаляемый воздух характеризуется повышенной относительной влажностью и теплосодержанием. Традиционными средствами снижения энергопотребления в системе поддержания микроклимата помещений с повышенным влаговыделением является использование утилизаторов непосредственного действия (рекуперативных и регенеративных теплообменных аппаратов) и рециркуляции.

Существенным недостатком применения теплоутилизаторов непосредственного действия является отсутствие возможности использования получаемой тепловой энергии в теплопотребляющих системах здания, кроме системы вентиляции (из-за ее низкого потенциала). Извлечение полной теплоты вытяжного воздуха при применении утилизаторов непосредственного действия возможно только в течение холодного периода года. При этом следует принимать во внимание ограничения по использованию утилизаторов непосредственного действия, связанные с возможностью образования наледи на теплообменной поверхности при низких температурах наружного воздуха. Данные ограничения касаются использования пластинчатых и регенеративных теплообменных аппаратов. Из-за наличия ограничений на практике, как правило, в данной области применяются утилизаторы с промежуточным теплоносителем (УПТ), которые характеризуются довольно низким КПД.

Использование рециркуляции ограничено требованиями к подаче нормативного объема наружного воздуха, а также снижением ассимилирующей способности приточного воздуха (вследствие осуществления подмеса удаляемого воздуха).

Применение парокомпрессионных тепловых насосов в составе приточно-вытяжных установок позволяет существенно повысить количество и качество утилизируемой низкопотенциальной теплоты, а также осуществить передачу дополнительной тепловой энергии в теплопотребляющие системы здания. Также необходимо отметить очевидные преимущества, связанные со значительным снижением расхода первичного условного топлива и положительным влиянием на экологию. С другой стороны, использование парокомпрессионных теплонасосных установок (ТНУ) в системах теплоснабжения на объектах, расположенных на территории Российской Федерации, сопряжено с определенными трудностями: сложившаяся система централизованного теплоснабжения, высокое значение соотношения тарифов на электрическую и тепловую энергию (от 1/3 и выше), дороговизна ТНУ. Перечисленные особенности обуславливают сложность принятия решения при использовании ТНУ в схемах систем вентиляции и необходимость проведения многовариантного численного исследования с целью определения энергетических и экономических показателей, а также разработки соответствующих рекомендаций по их внедрению.

Целью работы является параметрическая и структурная оптимизация систем утилизации теплоты воздуха, удаляемого из помещений с повышенным влаговыделением, по критериям энергетической и экономической эффективности с помощью методов физического и математического моделирования на примере плавательных бассейнов. Задачи исследования:

1. Создание математической модели системы теплоснабжения плавательного бассейна для проведения многовариантных расчетов. В ее состав должны

быть включены математические модели основных элементов рассматриваемой системы: обслуживаемого помещения, теплонасосной установки, утилизатора с промежуточным теплоносителем.

2. Проведение серии экспериментов для проверки адекватности созданной математической модели ТНУ.

3. Разработка схем использования теплоты воздуха, удаляемого из помещения плавательного бассейна, с применением ТНУ, УПТ и рециркуляции в различных комбинациях.

4. Проведение параметрической и структурной оптимизации разработанных схем с помощью созданной математической модели системы теплоснабжения плавательного бассейна.

5. Определение экономических показателей для наиболее перспективных схем с точки зрения минимального потребления условного и первичного условного топлива.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель системы теплоснабжения плавательного бассейна, которая позволяет проводить исследования схем утилизации теплоты вытяжного воздуха с использованием УПТ, ТНУ и рециркуляции в различных комбинациях в расчетных и нерасчетных режимах.

2. Результаты параметрической и структурной оптимизации систем утилизации теплоты вытяжного воздуха.

3. Результаты расчета экономических параметров для наиболее перспективных схем с точки зрения минимального энергопотребления.

4. Заключение об эффективности применения схемы, с использованием ТНУ, УПТ и второй рециркуляции для использования теплоты вытяжного воздуха. Научная новизна

1. Впервые разработана математическая модель системы теплоснабжения плавательного бассейна, которая позволяет проводить многовариантные численные исследования параметров при изменении начальных условий (характеристики помещения, параметры микроклимата, месторасположение

объекта, параметры цикла ТНУ и др.) как в расчетных, так и нерасчетных режимах.

2. Впервые проведена структурная и параметрическая оптимизация схем утилизации теплоты воздуха, удаляемого из помещения плавательного бассейна, с применением ТНУ, УПТ и рециркуляции в различных комбинациях.

3. Показано, что схемы с применением первой рециркуляции и ТНУ неэффективны, сокращение энергопотребления при их использовании по сравнению со схемами с применением УПТ приблизительно одинаково. Наиболее перспективной схемой использования теплоты воздуха, удаляемого из помещения плавательного бассейна, является схема с комбинированным применением ТНУ, УПТ и второй рециркуляции (в работе схема №4.2а). При использовании данной схемы среднее снижение расхода условного топлива составит 68%, первичного условного топлива - 72% в зависимости от климатического района расположения объекта.

4. Показано, что при соотношении тарифов на тепловую и электрическую энергию 1/1 схемы с использованием ТНУ обладают лучшими экономическими показателями (дисконтированный срок окупаемости составляет 3 года). При соотношении тарифов 1/3 применение теплонасосных установок в схемах с использованием теплоты вытяжного воздуха требует дополнительного технико-экономического обоснования. Практическая ценность

1. В рамках данной диссертационной работы разработана опытно -экспериментальная установка, позволяющая с помощью ТНУ использовать теплоту воздуха, удаляемого из помещения плавательного бассейна.

2. Созданная математическая модель системы теплоснабжения плавательного бассейна позволяет отказаться от проведения трудоемких итераций, связанных с определением параметров воздуха в характерных точках, использования разнородных программ, графиков и таблиц. В рамках данной диссертационной работы было получено два свидетельства о регистрации

программы для ЭВМ №2013612407 и №2013612408 от 26.02.2013. Данная модель может быть использована для анализа схем утилизации теплоты вытяжного воздуха.

3. Предложена к практическому применению схема с комбинированным применением ТНУ, УПТ и второй рециркуляции (в работе схема №4.2а).

4. Создана математическая модель теплонасосной установки, которая позволяет проводить расчеты циклов ТНУ с использованием и без использования переохладителя фреона для трех наиболее часто используемых рабочих тел (Ю34а, 1М10А, Я407С) с учетом температурного глайда, при этом доступно изменение значений перегрева и переохлаждения. Данная модель описывается системой рациональных и полиноминальных уравнений, поэтому ее использование возможно в любых программных продуктах.

Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных в диссертационной работе выводов подтверждается согласованием с результатами экспериментальных и численных исследований других авторов. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на национальных и международных конференциях: 15, 16, 17, 18 и 19 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика, Москва, 20092013 гг.; пятой и шестой Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение - теория и практика», Москва, 2010 и 2012 гг.; пятой научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов», Москва 2010 г.

Публикации. Основные положения и выводы диссертационной работы изложены в 10 опубликованных работах, в том числе в двух публикациях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, состоящего из 98 наименований и 2

приложений. Общий объем диссертации составляет 173 страницы, включая рисунки, таблицы и приложения.

ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ ВОЗДУХА, УДАЛЯЕМОГО ИЗ ПОМЕЩЕНИЙ С ПОВЫШЕННЫМ ВЛАГОВЫДЕЛЕНИЕМ. АНАЛИЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ. ОБЗОР НАУЧНЫХ РАБОТ.

Прежде чем перейти к основному содержанию главы, необходимо дать определение помещений с повышенным влаговыделением. В теории кондиционирования в качестве критерия используется угловой коэффициент; если его значение меньше или равно 6279 кДж/кг, помещение относится к влагонапряженным [1, 2]. В данную группу входят: крытые плавательные бассейны, бани, душевые, аквапарки, помещения мойки, искусственные катки, цеха текстильной промышленности (красильные, шлихтовальные), цеха мясоперерабатывающей промышленности (термические, коптильно-обжарочные, отделения варки окороков, отделения производства субпродуктовых колбас и мясных хлебов, варочные отделения) и т.д.

При разработке принципиальных схем поддержания микроклимата перечисленных помещений необходимо учитывать особенности процесса тепло- и влагопоступлений, требования нормативных документов к параметрам воздушной среды, ограничения по применению рециркуляции и т.д. В рамках данной диссертационной работы численные исследования были проведены на примере плавательного бассейна.