автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение энергоэффективности систем отопления, вентиляции и кондиционирования на основе оптимизации их композиционных решений

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Классификация систем Отопления Вентиляции Кондиционирования и потребляемых ими

Энергетических ресурсов.

1.2. Современная ситуация развития и применения оборудования систем ОВК

1.3. Основы проектирования систем ОВК здания

1.4. Моделирование теплового режима здания

1.5. Постановка задачи 3 8 Выводы

ГЛАВА 2 ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОМЕЩЕНИЯ

2.1. Модель теплового режима здания

2.2. Математическая модель наружных и внутренних 50 воздействий

2.3. Единая динамическая модель 7 0 Выводы

ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ОВК

3.1. Подход к моделированию оборудования систем ОВК

3.2. Описание универсальной структуры блока Системы

3.3. Моделирование основных элементов систем ОВК

Выводы

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДИК

4.1. Расчетная модель здания

4.2. Моделирование работы оборудования

4.3. Дополнительные Варианты системы ОВК

4.4. Определение годового графика потребления энергоресурсов

4.5. Сравнение работы оборудования различных производителей

Выводы

Проблема энергосбережения в строительстве, промышленности и коммунально-бытовой сфере на протяжении последнего десятилетия находится в центре внимания специалистов как строительного, так и теплоэнергетического профиля.

По опубликованным данным, на отопление, вентиляцию, кондиционирование воздуха и на горячее водоснабжение жилых, общественных и промышленных зданий, а так же на технологические нужды промышленных и коммунальных предприятий в 1995г. в России было израсходовано 7850 млн. ГДж теплоты среднего (до 350°С) и низкого (до 150°С) потенциала. На выработку указанного количества теплоты было затрачено 323,6 млн. т. условного топлива, а в 2000г. на эти же нужды было затрачено 365 млн. т. условного топлива. Значительное количество топлива использовано на производство электроэнергии, которая необходима для приводов насосов, вентиляторов, компрессоров и других технологических элементов систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Вместе с тем, эффективность использования энергии в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха является сегодня крайне низкой, прежде всего из-за низкой эффективности существующих и вновь проектируемых систем ОВК и невысокого уровня проработки вопросов энергосбережения в соответствующей нормативно-методической литературе.

Энергосбережение возведено в ранг государственной политики. Основные направления энергетической политики РФ на период до 2010 года, утвержденные Указом Президента Российской Федерации № 472 от 07.05.95 г., определяют следующие приоритеты:

• регулирование на федеральном и региональном уровнях цен (тарифов) на энергоресурсы в порядке, определенном законодательными и иными нормативными актами;

• формирование энергетического рынка и создания конкурентной среды в сфере производства и потребления энергоносителей;

• совершенствование налоговой политики;

• поддержка строительства важнейших объектов топливно-энергетического комплекса и реализация энергосберегающих проектов;

• разработка и осуществление мероприятий, связанных с созданием сезонных запасов топлива на электростанциях и для населения, закачкой газа в подземные хранилища и завозом топлива в северные регионы страны;

• селективная поддержка предприятий и объектов социальной сферы угольной промышленности;

• адресная поддержка малоимущих слоев населения с целью компенсации расходов, вызванных приведением цен (тарифов) на топливо и энергию в соответствие с их реальной стоимостью;

• реализация федеральной целевой программы «Топливо и энергия», инвестиционных, научно-технических и других энергетических программ.

Одной из существенных составляющих, необходимых для дальнейшего увеличения энергосбережения является улучшения энергетических характеристик инженерное оборудование зданий и сооружений. В современных проектах жилых, общественных и промышленных зданий все чаще применяются наиболее экономичные системы отопления, вентиляции и кондиционирования, а также предусматривается применение систем автоматизации и диспетчеризации, которые позволяют эффективно регулировать и контролировать потребление различных энергетических ресурсов.

Однако нормативно-методическая база по вопросам анализа работы, сравнения и оптимизации энергоэффективности систем ОВК разработана не полностью.

Выбор оптимального схематического решения системы ОВК здания с точки зрения минимизации потребления энергетических ресурсов отн о с итс я к группе оптимизационных задач, для которых трудно или невозможно установить аналитическую зависимость затрат и результатов от искомых параметров.

Постоянное динамическое изменение показателей системы ОВК и ее нагрузок еще больше усложняет задачу и делает необходимым проведение многовариантных расчетов, что практически возможно только при применении методов математического моделирования с помощью компьютерных программ. Таким образом, задача оптимизации энергопотребления системами ОВК может быть решена с помощью динамического моделирования.

При решении задачи динамического моделирования необходимо учитывать следующие особенности:

1) дискретность и целочисленность результатов оптимизационных расчетов, так как количество устанавливаемого оборудования может выражаться только целыми числами, а выдаваемая современным оборудованием мощность почти всегда имеет ступенчатые значения;

2) нелинейность, вызываемую наличием многих нелинейных зависимостей, например мощности холодильных контуров кондиционеров от параметров внутреннего и наружного воздуха;

3) динамику, т.е. постоянное изменение нагрузок на оборудование и изменение выдаваемой мощности, а соответственно и потребление энергетических ресурсов;

4) ограничения по условиям применения современного оборудования в различных режимах его работы;

5) наличие собственной автоматики и алгоритмов работы и регулирования отдельных технологических компонентов системы ОВК.

Результаты математического моделирования должны быть представлены в виде показателей потребления тепловой и электрической энергии, т.е. в ГДж тепловой энергии и кВт*час электроэнергии, израсходованной рассматриваемыми системами. Эти результаты являются основой для окончательного решения об эффективности той или иной системы, с учетом таких факторов как: темпы инфляции, ликвидность и назначение объекта, ставки дисконтирования, банковские ставки, прогнозы развития экономики, налоговое законодательство и т.п.

Динамические модели систем ОВК, наряду с экспериментальными данными, должны также являться основой для разработки более простых инженерных методов определения энергетических показателей этих систем.

Моделирование работы систем ОВК необходимо также для разработчиков климатического оборудования, с целью снижения энергопотребления оборудования и увеличения его конкурентоспособности.

Таким образом, целью диссертационной работы является выбор оптимального композиционного решения системы ОВК здания с точки зрения минимизации потребления энергетических ресурсов на основе динамического моделирования.

Для достижения поставленной цели был решен ряд относительно самостоятельных, но взаимосвязанных задач, в частности:

• разработка динамической модели помещения ориентированной на взаимодействие с моделью системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, и содержащей минимальный набор начальных данных;

• формирование минимально-необходимого набора данных о внешних и внутренних воздействиях на микроклимат помещения;

• разработка единой структурной схемы взаимодействия оборудования системы ОВК;

• осуществление взаимосвязи модели помещения и модели системы отопления вентиляции и кондиционирования воздуха;

• классификация и описание современного оборудования для систем ОВК с позиции их воздействия на микроклимат помещения и потребления энергетических ресурсов;

• разработка динамических моделей работы отдельного климатического оборудования, ориентированных на определение их энергопотребления.

Разработанные и примененные в данной работе методы моделирования систем ОВК носят универсальный характер и могут бить применены для решения широкого круга задач.

В диссертационной работе впервые получены, составляют предмет научной новизны, имеют практическую ценность, и выносятся на защиту:

1. Формулировка термина - «Система ОВК»;

2. Динамическая модель помещения ориентированная на исследования работы оборудования системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха;

3. Классификация современного оборудования для систем ОВК с позиции внешнего взаимодействия и энергопотребления;

4. Метод построения математических моделей современного климатического оборудования с целью определения графиков их энергопотребления;

5. Универсальная структура единой системы и взаимосвязь отдельных элементов ОВК;

6. Совместная динамическая модель помещения и системы отопления вентиляции и кондиционирования воздуха;

7. Результаты проведенных примеров исследований.

Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались и обсуждались на VIII и IX Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - г.Москва 2002 и 2003г.г.? представлены на Четвертой Российской научно-техническая конференции "Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности" -г. Ульяновск, 2003., представлены в публикациях.

Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения представлены в следующих публикациях:

1. Волков В.А. Сбережение энергии в системах вентиляции за счет внутренней очистки и перераспределения воздуха. //Восьмая Междунар. науч. -техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектронника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -Т.З -М.,МЭИ, 2001. -С.50-51.

2. Волков В.А. Применение пластинчатых теплообменников в приточно-вытяжных вентиляционных установках. //Девятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектронника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -Т.2 -М.5 МЭИ, 2001. -С.305-306.

3. Волков В.А., Кудрявцев Д.А. Расчет потребления энергии при работе кондиционера типа сплит-система. //Девятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектронника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -Т.2 -М.9 МЭИ, 2001. -С.306-307.

4. Кудрявцев Д. А., Волков В .А. Энергосберегающая теплонасосная система вентиляции отопления и кондиционирования. //Девятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов

Радиоэлектронника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. -Т.2 -М., МЭИ, 2001. -С.305-306.

Результаты исследований и зависимости, полученные в ходе выполнения работы, демонстрировались при проведении семинаров для проектировщиков и технических специалистов в области ОВК зданий, проводимых Госстроем России и ЗАО "Евроклимат" в 2002г и 2003г.

Диссертация объемом 199 машинописных страниц состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, приложения и списка использованной литературы из 56 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

На отечественном рынке появилось большое количество современного, высокотехнологичного оборудования для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, но при этом практически полностью отсутствует комплексный подход и методические рекомендации по использованию нового оборудования.

Крупнейшие производители оборудования для систем ОВК на данном этапе не рассматривают свое оборудование интегрировано в общую систему ОВК здания, а ведут исследования и разработки отдельно взятого оборудования, работая над улучшением отдельных энергетических и технических показателей, а не всей системы в целом. Такая ситуация значительно снижает потенциальные возможности для экономии энергетических ресурсов в системе ОВК.

1. Анализ существующих литературных данных показал, что при решении задачи оптимизации энергетических характеристик систем ОВК необходимо отойти от традиционно раздельного рассмотрения систем отопления, вентиляции и кондиционирования, а выполнять исследование единой системы ОВК здания на основе использования динамических моделей.

2. Разработана математическая модель климатического режима здания, являющаяся основой для моделирования работы оборудования системы ОВК и оптимизации параметров энергопотребления в динамических условиях.

3. Получена единая динамическая модель, описывающая климатический режим здания с учетом параметров наружного воздуха, теплопередачи через ограждающие конструкции, тепловых потоков, условий внутреннего объема здания и влияния работы системы ОВК.

4. В соответствие с единой динамической моделью построена композиционная схема, ориентированная на оптимизацию параметров энергопотребления системы ОВК. Схема состоит из четырех независимых функциональных блоков, что позволяет ее модифицировать в соответствие с задачами проводимого исследования.

5. Построена универсальная структура взаимодействия оборудования для динамического моделирования систем ОВК, позволяющая определять реальное энергопотребление в течении любого периода эксплуатации и учитывающая взаимосвязь между элементами, включая элементы автоматики. Данная структура позволяет включать в модель любое современное оборудование с учетом существующих технических ограничений.

6. Разработаны методики моделирования, позволяющие описать работу технологического оборудования любых фирм-производителей по их основным каталожным данным. Основное внимание в предложенных моделях уделено взаимосвязи между реальной производительностью оборудования, условиями его работы и потреблением энергетических ресурсов.

7. Определены годовые графики потребления тепла и электроэнергии различными схемами систем ОВК и выбрана оптимальная из рассмотренных схем.

8. Определена эффективность применения теплового насоса кондиционера в условиях г. Москва, при круглогодичной эксплуатации системы ОВК. Для рассмотренного варианта системы ОВК получены удельные характеристики эффективности применения теплового насоса в течение годового цикла эксплуатации с учетом имеющихся ограничений.

1. Внутренние санитарно-технические устройства. В Зч. Отопление. Под ред. И.Г. Староверова и Ю.И. Шиллера. -4-е изд., перераб., и доп. -М.: Стойиздат, 1990. -344 е.: ил.

2. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник. Под ред. Григорьева В.А., Зорина В.М. -2-е изд., перераб. -М.; Энергоатомиздат, 1991.-588с.

3. Ананьев В.А., Балуева Л.Н., Гальперин А. Д., и др. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика. Третье издание. -М.:«Евроклимат», 2001. 416 с.

4. Ананьев В.А., Седых И.В. Холодильное оборудование для современных центральных кондиционеров. Расчеты и методы подбора. Учебное пособие -М.:«Диксис Трейдинг», 2001. -96с.

5. СНиП Н-12-77. Защита от шума. Госстрой России. -М.: ГУП ЦПП, 1997.-52с.

6. Внутренние санитарно-технические устройства. В 2-х ч. Под ред. Староверова И. Г. Изд. 3-е. 4.2. Вентиляция и кондиционирование воздуха. М.: Стройиздат, 1978. -509с.

7. Отопление и вентиляция жилых и гражданских зданий : Проектирование : Справочник / Г. В. Русланов, М. Я. Розкин, Э. Л. Ямпольский. -Киев: Бущвельник, 1983. -272с.

8. Справочник по теплоснабжению и вентиляции. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Щекин Р.В.,. Кореневский С.М и др. -Киев: Бущвельник, 1968 г. -288с.

9. Ю.Зайцев В.П. Холодильная техника. -М.: Госторгиздат,1962. -343с.

10. П.Кошкин Н.Н., Сакун И.А., Бамбушек Е.М. Холодильные машины. -Л.: Машиностроение. Ленингр. Отделение, 1985. -511с.

11. СНиП 2.04.05-91 *. Отопление, вентиляция и кондиционирование. Минстрой России. М.: ГП ЦПП, 1996. -66с.

12. СНиП 2.08.01-89. Жилые здания. -М.: Минстрой России ГП ЦПП, 1995.

13. Experimental Result of Tests Carried Out on a New Specific HVAC System for Cinemas. Clima 2000/Napoli 2001 World Congress Napoli(I), 15-18 September 2001.

14. Water Loop Heat Pump System (WLHP) for Hypermarkets and Shopping Centers. Ing. Massimo Stefano Venco. CLIVET Italia Feltre (BL)

15. Ананьев В.А. Альтернатива фреоновым системам с утилизацией тепла. // Мир климата. №11, август 2001 года. Стр. 27-28

16. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред. -М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1954.

17. Вентиляция и кондиционирование воздуха в зданиях НИИ: Сб. статей. -М.: Наука, 1981.-69с.

18. Вентиляция и кондиционирование воздуха зданий и сооружений: Сб. научн. тр. /Риж. политехи, ин-т им. А .Я. Пельше. Рига, 1983. -151с.

19. Меклер В .Я., Овчинников П.А., Агафонов Е.П. Вентиляция и кондиционирование на машиностроительных заводах: Справочник. -М.: Машиностроение,!985. -335с.

20. Борисов Б.Г., Борисов К.Б. Отопление промышленных предприятий. -М.: Изд-во МЭИ, 1997. -68с.

21. Материалы Международного Форума по проблемам проектирования и строительства систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и охлаждения в рамках международной выставки НЕАТ&VENT'2002 MOSCOW 10-12 апреля, 2002 Экспоцентр, Синий зал Москва.

22. Тезисы Докладов Шестой Международной Научно-Технической Конференции Студентов и Аспирантов. 1-2 марта 2000 г. Москва. -М.: МЭИ, 2000. -306с.

23. Табунщиков Ю. А., Бородач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. -М.: АВОК-ПРЕСС, 2002.-194с.: ил.

24. Богословский В.Н., Новожилов В.И., Симаков Б.Д., Титов В.П. Отопление, вентиляци и газоснабжение. -М.: Госстройиздат, 1959. -291с.

25. Каменев П.Н., Сканави А.Н., Богословский В.Н. Отопление и вентиляция. ч.1. Отопление. -М.:Стройиздат,1975 -478с.

26. Отопление и вентиляция промышленных, жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий./Акад. Строительства и архитектуры СССР. Научн.-исслед. Ин-т санитарной техники. Сб. 13./ -М.: Госстройиздат, 1962. -192с.

27. Алтынова А.Л., Омельчук B.C., Талиев В.Н. Вентиляция, отопление и кондиционирование воздуха на текстильных предприятиях: Учебное пособие для вузов по спец. Текстильного профиля. -М.: Легпромбытиздат,1985. -255с.

28. Кондиционирование воздуха. Сборник статей. -М.: Госстройиздат, 1963. -215с.3 0. Кондиционирование воздуха и вентиляция лабораторных зданий. Сборник статей. -М.: Наука, 1975. -67с.

29. Вентиляция и кондиционирование воздуха: Сб. научн. тр. /Риж. политехи, ин-т им. А .Я. Пельше. Рига, 1985. -149с.

30. Теплоэнергоэффективные Технологии. Информационный бюллетень №4(26) 2001. -С-пб.: Академический центр теплоэффективных технологий, 2001. -97с.33."Арктический СНиП. Сборник новостей и предложений". Выпуск №1(9) 2002г.

31. Рымкевич А. А. Системный анализ оптимизации общеобменной вентиляции и кондиционирования воздуха. -М.: Стройиздат, 1990. -284с.

32. Jui Sheng Hsieg. Solar Energy Engineering. New Jersey: Prentict-Hall, 1986.

33. Воронин Г.И., Верба М.И. Кондиционирование воздуха на летательных аппаратах. М: Машиностроение, 1965. -479с.

34. Сурков К.А., Сурков Д.А., Васильвачев А.Н. Програмирование в среде C++Bnilder. -Мн.: ООО «Попурри», 1998. -576с.

35. Лингер Р., Милле X., Уитт Б. Теория и практика структурного программирования: Перевод с англ. -М.: Мир, 1982. -406с.

36. Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров: Учеб. пособие. -М.: Высш. шк., 1994. -544с.

37. Брук А.П., Вишневский Е.П. Техникоэкономическая оценка энергосберегающего оборудования // Мир климата Север. №3, 2002 г. стр. 44-47

38. Материалы III-й конференции НП «АВОК». Интеллектуальные здания: автоматизация и диспетчеризация систем жизнеобеспечения здания. // Москва, ул. Новый Арбат, д.36 16-17 декабря 2002г.

39. Кокорин О.Я., Дерипасов A.M. Отечественное оборудование для создания систем вентиляции и кондиционирования воздуха: Каталог. -М.: ИКФ "Каталог", 2002. -92с.

40. Мателенок Д.А., Павлухин JT.B. Вентиляторные теплообменники. Описание конструкций и рекомендации по проектированию. -JL: 1968. -31с.

41. Вентиляторы общего назначения: Материалы семинара. -М.: МДНТП, 1978.-161с.48 .Коляда В .В. Кондиционеры. Принцип работы, монтаж, установка, эксплуатация. Рекомендации по ремонту. -М.: COJIOH-Пресс, 2002. -240с., ил.

42. Герман А.Л., Вахрамеев Б. А. Монтаж и эксплуатация лопастных насосов. -М.: МАШГИЗ, 1961. -179с.

43. Семидуберский М.С. Насосы, компрессоры, вентиляторы. -М.: Высшая школа, 1966. -263 с.

44. Бакластов А. М., Промышленные тепломассообменные процессы и установки. -М.: Энергоатомиздат, 1986. -323 с.

45. Иванов. Г.Н. Тепловые свойства веществ. -М.: ЭнергоатомиздатД979. -172с.5 4. СНиП 23-01 -99. Строительная климатология. Защита от шума. Госстрой России. -М.: ГУП ЦПП, 1999. -73с.

46. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Под общ. Ред. Клименко А.В., Зорина В.М. -М.: Издательство МЭИ, 2001. -564с. (Теплоэнергетика и теплотехника; Кн.2).

47. Холщевников В.В., Луков А.В. Климат местности и микроклимат помещений: Учебное пособие. -М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2001. -200с.