автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Разработка методов и показателей для термодинамического анализа системы теплоснабжения как единого комплекса

На правах рукописи

СТАРИКОВА Наталья Владимировна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДЛЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ КАК ЕДИНОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.14.14 - Тепловые электрические стаицин, их энергетические системы и агрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 мдр 20Ї2

Улан-Удэ-2012

005013880

005013880

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Степанов Владимир Сергеевич

Официальные оппоненты:

Дамбиев Цырен Цыденович, доктор технических наук, профессор, ВосточноСибирский государственный университет технологий и управления, заведующий кафедрой

Батухтин Андреи Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент, Забайкальский государственный университет, доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет»

Защита состоится ХД марта 2012 года в__часов на заседании

диссертационного совета ДМ 212.039.03 при Восточно-Сибирском государственном университете технологий и управления по адресу: 670013, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40 - В, ВСГУТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления. Автореферат разослан «Лу-л февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, доцент

Б.Б. Бадмаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В конце прошлого и начале текущего столетия произошёл переход практически всех развитых стран мира к новым принципам хозяйствования на основе ресурсо- и энергосбережения. В связи с этим возникла необходимость проводить исследования для того, чтобы определить возможные резервы экономии энергетически?: ресурсов в различных сферах экономики, которые в большой мере зависят от уровня термодинамической эффективности применяемых процессов и установок.

Проведение подобных исследований сопряжено с серьёзными методическими трудностями, поскольку для многих сфер потребления энергии в настоящее время отсутствуют объективные показатели для оценки энергетической эффективности.

К числу таких объектов, для которых нет подобных показателей, относятся потребители тепла в коммунально-бытовой сфере, а значит и системы теплоснабжения, в которые они включены как важнейшие подсистемы.

Системы теплоснабжения потребителей этого сектора экономики России, с её суровыми климатическими условиями, относятся к числу самых энергоёмких, и потенциал энергосбережения в них достаточно высок. Однако успешная работа по экономии энергии в этих системах затруднена из-за отсутствия единой методической базы для определения показателей энергетической эффективности, потенциала и резервов энергосбережения для всех элементов системы теплоснабжения, включая систему в целом.

Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию именно этой проблемы.

Целью проведенных исследований была разработка универсальных показателей термодинамической эффективности, методики их определения, пригодных для анализа системы теплоснабжения как единого комплекса, а также её элементов.

Для реализации этой цели необходимо было решить следующие задачи-.

• адаптировать метод эксергегического анализа для применения в исследованиях рассматриваемых в работе объектов;

• предложить новые универсальные показатели энергоэффективности (энергетический и эксергетический КПД) и методику их определения на основе минимально необходимых затрат энергии/работы;

• сформулировать понятия теоретического потенциала и резервов энергосбережения и показать процедуру их определения для рассмотренных в диссертации систем;

• разработать алгоритм и программу для расчёта минимально необходимых затрат энергии и эксергии на отопление и горячее водоснабжение и рассчитать эти показатели для административных центров всех субъектов РФ;

• показать необходимость оценивать эффективность топливосжигающих установок на основе энергетического и эксергетического КПД, рассчитанных с использованием таких показателей, как химическая энергия и эксергия топлив;

• усовершенствовать методику определения численных значений этих характеристик для твёрдых и жидких топлив и рассчитать их значения для топлив РФ;

• показать процедуру использования эксергетического критерия на примере разнесения энергетических затрат (суммарного расхода топлива) между теплом и электроэнергией на ТЭЦ;

• определить численные значения энергетических и эксергетических КПД потребителей тепла (отопление и горячее водоснабжение), тепловой сети, источника тепла (ТЭЦ) и системы теплоснабжения в целом на конкретном примере.

Объект исследования. Объектом исследования настоящей диссертационной работы являются система теплоснабжения и её элементы - источники генерирования энергии (парогенераторы и ТЭЦ) и наиболее энергоёмкие потребители тепла в коммунально-бытовой сфере (системы отопления и горячего водоснабжения многоквартирных жилых зданий).

Методологические основы исследования. Теоретической и методологической базой диссертационной работы являются законы и методы классической термодинамики, аппарат эксергетического анализа как одного из новых её направлений, а также методология системных исследований.

При работе над диссертацией автор опирался на труды и достижения отечественных и зарубежных ученых по разработке и развитию методов термодинамического (эксергетического) анализа различных технических систем, работы своих предшественников в области исследования систем жизнеобеспечения.

В диссертации впервые получены, составляют предмет научной но-■нппм н выносятся па защиту следующие наиболее важные результаты:

1. Усовершенствование методики определения химической энергии и эксер-гии технических топлив и рассчитанные на её основе значения этих характеристик для топлив, используемых в Российской Федерации.

2. Приложение методики расчёта полного энергетического баланса и его анализа для исследования термодинамической эффективности тошгавосжигающих установок.

3. Разработка методики расчета энергетических и эксергетических КПД потребителей тепла (на примере систем отопления и горячего водоснабжения).

4. Предложенные принципы формирования идеализированных аналогов процессов отопления и горячего водоснабжения и алгоритмов расчета минимально необходимых затрат энергии/эксерпш на эти цели.

5. Рассчитанные значения минимальных затрат энергии/эксергии на отопление и горячее водоснабжение для крупных населенных пунктов Российской Федерации.

6. Методика определения теоретического потенциала и резервов энергосбережения и полученные численные их значения для систем потребления тепла коммунально-бытовой сферы г. Иркутска.

7. Впервые полученные численные значения эффективности системы теплоснабжения как единого комплекса.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректным использованием фундаментальных методов термодинамики и системного анализа, обсуждением на научных конференциях, публикацией в отечественной и зарубежной печати правомерности и эффективности применения выбранных методов для решения задач, рассматриваемых в диссертации.

Практическая значимость и использование результатов работы.

Использование разработанных в диссертации методов и показателей будет способствовать повышению эффективности работ в области энергосбережения как на стадии разработки энергосберегающих программ, так и на стадии контроля за их реализацией.

Результаты, полученные соискателем, были использованы при выполнении проектов по гранту Комитета по высшей школе Миннауки РФ, раздел б «Создание эффективных инженерных систем жизнеобеспечения зданий и сооружений», направление 6.3 «Научные основы создания малоэнергоемких систем жизнеобеспечения зданий комплексной застройки» (1995-1996 гг.); по гранту Министерства высшего и среднего специального образования, приоритетное научное направление «Методология экономии и рационального использования топлива и тепловой энергии», раздел С-096 «Экономия топлива и тепловой энергии» (1996-1997 гг.); Министерства общего и профессионального образования «Разработка научно-методических основ выявления резервов экономии энергии в технологических процессах промышленности» (1998-2000 гг.); по Федеральной целевой программе «Интеграция» - проект № 94 «Поддержка и развитие совместного учебно-научного энергетического центра (УНЭЦ) ИрГТУ - ИСЭМ СО РАН» (1997 - 2000 гг.).

Результаты исследований соискателя внедрены в образовательный процесс подготовки инженеров по специальности 140101 «Тепловые электрические станции», 140104 «Промышленная теплоэнергетика» и 270109 «Теплогазо-снабжение и вентиляция» ГОУ ВПО Иркутского государственного технического университета и используются при чтении лекций, проведении практических занятий, выполнении курсового и дипломного проектирования.

Апробация результатов. Основные положения и результаты исследований докладывались на: Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения» (Киев, 1991 г.); Международной научно-практической школе-семинаре «Методы оптимального развития и эффективного использования трубопроводных систем энергетики» (Иркутск, 1994 г.); Международном семинаре «Энерго- и ресурсосбережение» (Новосибирск, 1997 г.); Международной научно-практической конференции «Человек - среда - вселенная» (Иркутск, 1997 г.); Научно-практической конференции «Энергосбережение. Проблемы и пути их решения» (Иркутск, 1999 г.); Научно-технической конференции «Энергосбережение на рубеже веков» (Москва, 1999 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, 2004 и 2011 гг.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 статьях и докладах соискателя.

Личный вклад автора. Автору принадлежат:

• усовершенствование методики определения химической энергии и эксерши твёрдых и жидких топлив и проведение расчётов этих характеристик;

• приложение методики составления и анализа полного энергетического баланса к объектам генерирования энергии в системах теплоснабжения;

• предложение принцитгально нового методического подхода к определению термодинамической эффективности процессов коммунально-бытовой сферы с использованием идеальных (идеализированных) аналогов;

• разработка принципов формирования идеальных аналогов для рассматриваемых объектов;

• проведение расчётов по определению значений минимальных затрат энергии и эксергии на отопление и горячее водоснабжение;

• разработка методики определения теоретического потенциала и резервов энергосбережения в системах отопления и горячего водоснабжения.

• участие в разработке метода исследования энергетической эффективности систем потребления тепла, источников тепла и системы теплоснабжения в целом.

Структура работы. Диссертация объёмом 132, страницы состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы из 99 наименований и Приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе обсуждается состояние исследований по основным методическим вопросам, связанным с современными подходами к оценке эффективности использования энергии, эксергетическому методу анализа и области его применения. Отмечается несовершенство используемых показателей термодинамической эффективности энергогенерирующих установок и полное отсутствие таковых для энергопотребляющих систем, без чего невозможно объективно оценить резервы энергосбережения в рассматриваемых технических объектах. Сформулирована цель диссертационной работы, намечены основные задачи, которые необходимо было решить для её достижения.

Отмечается, что вопросам разработки методов составления и анализа энергетических балансов посвящено большое количество работ как отечественных, так и зарубежных авторов. Большой вклад в решение рассматриваемых вопросов внесен исследованиями таких ученых как Е.А.Руссаковский, В.И.Вейц, Л.А.Мелентьев, М.А.Стырикович, Е.О.Штейнгауз, И.В.Гофман, Н.А.Семененко, А.И.Андрющенко, В.М.Бродянский, А.Д.Ключников, зарубежные - Ф.Бошнякович, Г.Бэр, Е.Шмидт, З.Рант, Я.Шаргут, П.Грассман и др.

Вторая глава посвящена описанию методики проведения исследований -изложены принципы составления полного энергетического баланса и.расчета

основных показателей термодинамической эффективности - энергетического и эксергетического КПД, принципы формирования идеальных и идеализированных аналогов. Введены понятия теоретического потенциала и резервов энергосбережения процесса.

В качестве инструмента для термодинамического анализа выбранных диссертантом объектов был принят полный энергетический баланс, позволяющий учесть все виды энергии, включая химическую энергию топлива, сырья, продуктов и отходов рассматриваемого процесса [74, 127].

Уравнение полного энергетического баланса имеет вид:

££»)'+ (££«)'+ЕЛ (£,)]'+ЕЛ (£,)]' =

(1)

= (!£„)'+(!£„)'+[!/, №«)]'+[Е/, (£,)]'

Здесь Ет,Еи- соответственно электрическая и механическая энергия; /х, Е% -химическая энергия (энтальпия) и эксергия топлива, сырья, продуктов и отходов; 1Ч,ЕЧ - тепловая энтальпия и эксергия, вносимые в систему с потоком

сырья, топлива, дутья, и отводимые из нее с потоком продуктов и отходов, переданные процессу или отведенные из него излучением или теплопередачей. Одним штрихом обозначены статьи прихода, двумя - статьи расхода.

Правильное определение количества энергии, вносимой в процесс топливом, чрезвычайно важно, поскольку ее доля в приходной части энергобаланса топливосжигающих установок не просто велика, а является единственной статьёй прихода. Общепринятый в нашей стране расчет по низшей теплоте сгорания 01 означает, что мы искусственно снижаем затраты энергии на осуществление процессов, тем самым завышая их КПД. Хотя уже более 50 лет назад были предложены более универсальные энергетические характеристики топлив - их химическая энергия и эксергия, которые более адекватно характеризуют реальный энергетический потенциал топлив.

Химическая энергия и эксертя газообразных топлив рассчитываются как средневзвешенная величина данных характеристик для составляющих эти топлива газов по выражениям:

',=1^1'; (2) 1 1

где \>} - доляу-го химического элемента (простого вещества) или соединения в единице рассматриваемого газа; соответственно удельная химическая

энергия и эксергияу'-го элемента (простого вещества) или соединения.

Однако целый ряд твердых и жидких технических топлив, таких, как каменный и бурый угли, кокс, торф, дрова, нефть, мазут и др., имеют неоднородную структуру. Для них, как правило, известен химический состав, но не известны структурные связи содержащихся в них элементов. К таким топливам не применима общая методика определения химической энергии и эксерпш

веществ из-за отсутствия необходимых для расчета термодинамических характеристик: стандартной энтальпии образования и абсолютной их энтропии. Поэтому для определения химической энергии и эксзргии для технических топ-лив, имеющих неоднородный состав, используются различные приближенные методы.

Соискателем в качестве основы для совершенствования была выбрана методика Ши - Фана. При выводе расчетных формул были использованы значения химической энергии и эксергни веществ, содержащихся в топливе и образующихся при его сгорании, полученные В.С.Степановым. В результате были получены следующие уравнения.

Для случая, когда величина ДН° для топлива установлена экспериментально, расчеты проводились по выражениям:

= 10218,75[8] + 3058,217|Т] + 2132,1[С1]+2560,06[Вг] + + 2020,17[1]-Д#°;

=70,746[С] - 24150,743[Н] + 4327,948[0] + 7060,306[8]+

+ 1547,588|Т]+1774,422[С1]+1750,363[Вг]+1463,267[1]- (5)

-298,15КЗСХ,-ДЯ:. Здесь буквы в квадратных скобках обозначают массовые доли элементов; Кзот -масса золы в 1 кг топлива; .!>30ол - удельная энтропия золы.

При проведении расчетов по формулам (4) и (5) нами принималось

Поскольку в методике Ши - Фана расчет эитропии выполняется не совсем корректно, было предложено использовать ее в сочетании с более совершенным методом расчета энтропии, разработанным Икуми - Луо - Вэном. На основе статистической обработки энтропии для 80 чистых органических веществ авторами установлены константы и получены следующие выражения для расчета энтропии:

- жидких технических топлив

Б" =4,69 + 18,41 (Н/С) + 44,61 (О/С) +86,01 (И/С) + 86,61 (Б/С); (6)

- твердых технических топлив

=5,69+13,12 (Н/С)+14,19 (О/С) +21,45 (N/0), (7)

где (Н/С), (О/С), (Ы/С), (8/С)-отношения числа молей водорода, кислорода, азота и серы соответственно к числу молей углерода в органической массе топлива.

По этой комбинированной методике для большой группы газообразных, жидких и твердых топлив Российской Федерации нами были проведены расчеты значений химической энергии и эксергии. Полученные результаты приведены в Приложении I диссертации.

Анализ полученных результатов показал следующее. Значения химической энергии топлив, найденные по комбинированной методике, всегда выше (¿1 на величину от 0,1 до 11% как для твердых, так и для жидких тоилив в зависимости от их химического состава.

К числу важнейших задач, решаемых на основе изучения энергетических балансов любых технических систем, относится оценка эффективности использования подведенной к ним энергии. Наиболее известным и распространенным показателем такой оценки является коэффициент полезного действия, представляющий собой отношение полезной (целевой) энергии к затраченной.

77=/ и . (8)

Ч пол затр' 4 ■'

Здесь необходимо отметить, что при расчете КПД по выражению (8) не учитывается разное качество энергии, затраченной рассматриваемым объектом и полученной в нем целевой энергии. Строго говоря, этот показатель, рассчитываемый лишь на основе первого начала термодинамики, пригоден для оценки степени совершенства технических систем, к которым подводится и в которых получаются только безэнтропийные формы энергии. Поэтому для оценки термодинамической эффективности процесса следует использовать два КПД -энергетический (?7ЭН) и эксергетический (Г]жс). Первый из них рассчитывается по данным энергетического баланса, построенного на основе лишь первого начала термодинамики, а второй - по данньш полного энергетического баланса:

0°)

По выражениям (9) и (10) можно определить значения КПД процессов и установок, целью функционирования которых является получение энергии в той или иной (¡юрме. Для технических систем, целью которых является получение металлов, химических веществ и материалов, производство изделий из них, обеспечение микроклимата и т.д., понятие полезной энергии теряет свой смысл. Это означает, что для подобных объектов КПД не может быть рассчитан по выражениям (9) и (10) и поэтому вообще не определяется.

В термодинамике широко используется такой показатель энергоэффективности, который называется относительный КПД. Он определяется как отношение реального КПД объекта к КПД его идеального аналога, т.е.

яГ^Г'яГ; 01)

02)

Поскольку полезный эффект реального процесса и его аналога должен быть одинаков, то выражения (11) и (12) могут быть записаны в виде

С = (13)

(14)

Для любого технического объекта можно сформировать идеальный/идеализированный аналог, который должен производить ту же продукцию, что реальный, но в некоторых идеальных, практически недостижимых услови-

ях. На функционирование такого аналога также требуется затратить определённую величину энергии/эксерпш. По отношению этой величины к реальным энергетическим затратам рассматриваемого объекта можно оценить степень его совершенства или относительный КПД.

Следовательно, относительный КПД, определяемый по выражениям (13) и (14), можно использовать в качестве показателя энергоэффективности при исследовании абсолютно любых технических систем, в том числе тех, которые были рассмотрены в диссертации.

Чем выше значение , тем совершеннее в энергетическом смысле реальный процесс и тем труднее найти пути дальнейшего его совершенствования. На основе относительных КПД можно сравнивать различные технические системы и выбирать из них наилучшую по критерию минимального расхода энергии.

Характер изменения КПД реального процесса во времени представляет собой возрастающую кривую, асимптотически приближающуюся к пределу -идеальному КПД данного процесса. Соответственно этому энергозатраты на производство продукта с течением времени стремятся к некоторой предельной, практически недостижимой величине - энергозатратам его идеализированного аналога (рис. 1).

/

А)

I

тш

1

г

годы

Рис. 1. Потенциал и резервы экономии энергии за счет совершенствования технологического процесса 10

Исходя из этого, под потенциалом энергосбережения П, в момент / понимается теоретически возможная величина снижения энергозатрат в технологическом процессе I' до уровня затрат энергии в его идеальном аналоге/"П1П. Иными словами, потенциал энергосбережения представляет собой разницу между достигнутыми и теоретическими затратами энергаи (эксергии) на производство рассматриваемого вида продукции или проведение работ и является предельной, реально недостижимой величиной. Подобно тому, как реальные энергозатраты, снижаясь с развитием техники и технологии, стремятся к величине энергозатрат идеального процесса, потенциал энергосбережения вследствие тех же причин является величиной переменной и в пределе асимптотически приближается к нулю.

Суммарная величина резервов экономии энергии представляет собой по существу разницу между энергопотреблением процесса (технологической схемы) на базовом и перспективном уровнях:

05)

Таким образом, резервы экономии энергоресурсов за счет совершенствования процесса в сильной степени зависят от достигнутого базового уровня производства, уровня энергоиспользования, а, следовательно, потенциала энергосбережения в данный момент времени

В третьей главе описаны принципы исследования термодинамической эффективности.потребителей тепла в коммунально-бытовой сфере (на примере отопления и горячего водоснабжения). Показаны способы формирования их идеального и идеализированного аналогов, определения теоретического потенциала и резервов энергосбережения в процессах отопления и горячего водоснабжения.

Было предложено оценивать эффективность использования энергии в таких системах по их КПД, рассчитанному на основе минимально необходимых (и предельных) затрат энергии/эксергии. С этой целью для процессов коммунально-бытовой сферы, как и для других энергопотребляющих процессов, необходимо разработать идеальный или идеализированный аналоги.

Для их определения, в частности, на отопление жилых зданий, необходимо было разработать идеальный (идеализированный) аналог процесса отопления. При его формировании мы исходили из следующих положений:

1. Целью процесса является обеспечение минимально необходимых условий для жизни и деятельности человека.

2. Эти условия определяются санитарно-гигиеническими нормами по нижней их границе.

3. Минимальные потребности в тепле не должны зависеть от технических характеристик зданий, их конструктивного и архитектурно-планировочного исполнения (материала и типа ограждающих конструкций, этажности, ориентации в пространстве и т.п.).

4. Минимальные затраты тепла на цели отопления должны учитывать климатические условия отдельных регионов и населенных пунктов.

Только такой подход применим для исследования всего многообразия систем отопления зданий, в том числе1, на базе воз,душного отопления, теплого пола, теплового насоса и всевозможных их комбинаций.

Вариант предельной идеализации (идеальный аналог) этих объектов, по-видимому, должен характеризоваться бесконечно большим коэффициентом сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций (Я0 = и полным отсутствием инфильтрации (01Шф = 0). Для такого аналога здания минимально необходимая потребность в тепле для целей отопления очевидно равна нулю.

Однако в таких зданиях не могут жить и работать люди, им необходим постоянный приток свежего воздуха. В отопительный период этот воздух, подаваемый в жилое или общественное помещение, очевидно, должен подогреваться. Минимальный расход тепла, необходимый для этой цели, будет определяться, с одной стороны, температурой внутри помещения, которая в общем случае также устанавливается в соответствии с санитарными нормами, регламентирующими ее в зависимости от назначения здания. Для жилых зданий эта температура обычно составляет 18-20°С.

С другой стороны, минимально необходимый расход тепла на подогрев воздуха зависит от температуры наружного воздуха, т.е. от климатического района, в котором размещается здание. При известном годовом графике хода температур *,(г) минимальные затраты тепла на отопление такого идеального жилого здания составят

ОГ=0-ГУг)съ-Гп}(1>в-1н)с1т, (16)

где Ссй - нормативный объем свежего воздуха, м3/ч; гн, гк - время начала и окончания отопительного периода, ч; у,л - коэффициент регенерации тепла, т.е. доля тепла удаляемого вентиляционного воздуха, полученная в утилизационной установке; св - средняя удельная теплоемкость воздуха, Вт-ч/(м3 • °С); /вр - расчетная температура воздуха внутри помещения, °С.

Если известны средние температуры наружного воздуха за некоторые промежутки времени (например, среднемесячные), то минимальные затраты тепла можно найти по выражению:

еГ=(1-Гу^в<£(/>-<и,)Дг(, (17)

1=1

где п - число временных интервалов; Дг,- - продолжительность /'-го периода.

Такт образом, не составляет большого труда рассчитать, например, величину минимально необходимых затрат тепла на отопление и вентиляцию жилых зданий на человека в год, обусловленных санитарно-гигиеническими требованиями, для любого климатического района, для которого известны соответствующие климатологические характеристики.

При определении величины минимально необходимых затрат эксерпш для потребителей тепла нужно использовать эксергетическую температурную функцию вида (01, при вычислении которой принимать: Т1 равной расчетной

температуре внутри помещений Г, -/вр; Г0 равной средней за рассматриваемый

Т -Т

период температуре наружного воздуха Г0 =СИ , т.е. со1 = 1 ■ 0.

Л

Располагая значениями /П1Ш и Еш для каждого потребителя тепла, можно оценить его термодинамическую эффективность по соотношениям:

СЧпь,^ и Ч^Е^Е^, (1В)

которые показывают степень приближения реального процесса к его идеализированному аналогу.

На основе значений минимально необходимых затрат тепла и эксерпш на отопление, можно определять КПД системы отопления. Причем минимально необходимые затраты можно соотносить как с нормативными затратами тепла, так и с фактическими. В первом случае мы оцениваем, какой КПД был принят для процесса отопления, когда устанавливались те или иные строительные нормативы, во втором - определяется фактически достигнутый КПД системы отопления здания в период его эксплуатации

энергетический КПД

эксергетический КПД

пя £тИу£И. „ф £»шу£ф (20)

'/экс ^от '^от> ''эк ^от ' '-О! •

Аналогичный подход пригоден и для установления минимальных затрат тепла и эксергии на горячее водоснабжение.

Под нормой расхода теплоты на горячее водоснабжение понимают количество теплоты, необходимой для удовлетворения санитарно-гигаенических и хозяйственно-бытовых нужд одного человека. Потребление горячей воды зависит от степени благоустройства жилья, от оснащенности его санитарными приборами, от плотности заселения и т.д.

Годовая потребность в тепле на горячее водоснабжение на 1 человека определяется по выражению

<2„ =сг> ■ ^ [6'г -Гх)т„ (/, -О (та -т«)), (21)

где с„- теплоемкость горячей воды; О^1 - нормативный расход воды на человека в час; /г, - соответственно расход горячей и холодной воды зимой и летом; <рй- коэффициент снижения часового расхода горячей воды в летнее время; тт, тп - продолжительность работы систем отопления и горячего водоснабжения.

Заменив в этой формуле нормативный расход воды на минимально необходимый С™", получим минимальные затраты тепла на горячее водоснабжение

<9™ш- Определив в соответствии с параметрами горячей воды также значение эксергии можно найти как энергетический, так и эксергетический КПД этой системы:

(22)

С П1=ет/Е1 (23)

Установление минимальных санитарно-гигиенических норм расхода горячей воды и ее параметров требует проведения специальных натурных исследований и анализа тенденций их изменения за последние годы как у нас в стране, так и за рубежом. Нами в течение трёх лет ежесуточно проводились замеры расходов воды в многоквартирном жилом доме, которые показали, что расход горячей воды на 1 человека в сутки не превышает 65 литров.

Путём целого ряда аналогичных обследований установлено, что в действующих нормативах заложены завышенные почти в 2 раза расходы горячей воды по отношению к действительно необходимым потребностям. С учётом мнения специалистов, проведенных натурных замеров при расчёте минимальных затрат тепла и эксергии на горячее водоснабжение расход горячей воды был

принят равным С?™" = 50 л/(чел • сут).

Эти значения были установлены для тех же населённых пунктов, что и для отопления. Для примера в табл.1 показаны минимально необходимые затраты энергии/эксергии на отопление и горячее водоснабжение, полученные на основе разработанных нами идеальных моделей этих систем, для некоторых городов РФ. В Приложении II диссертационной работы приведены результаты расчётов этих показателей для всех административных центров субъектов Российской Федерации.

В диссертационной работе выполнена комплексная оценка теоретического потенциала и резервов энергосбережения в системах отопления и горячего водоснабжения в коммунально-бытовой сфере на примере г. Иркутска.

И расчетные и фактические затраты энергии на отопление с течением времени уменьшаются за счет внедрения всевозможных энергосберегающих мероприятий. Характер их изменения иллюстрируется рис. 2.

Теоретическим пределом снижения как нормативных, так и фактических затрат является величина минимально необходимых затрат энергии на отопление для данного климатического района - . Она соответствует некоторому идеальному/ идеализированному процессу отопления и может служить уровнем отсчета и оценки реально затраченных количеств энергии на эти цели.

Согласно разработанному общему методическому подходу разница между С*ф и минимально необходимыми затратами в /-ом году представляет собой теоретический потенциал энергосбережения в системе отопления в данном году П(:

Таблица 1

Минимально необходимые затраты энергии/эксерпш на отопление и горячее водоснабжение

для некоторых городов РФ

Минимально необходимые затраты на Минимально необходимые затраты на горячее

отопление водоснабжение

Город Эне эти Эксергии Эне] эгии Эксе ргии

Гкал/ ГДж/ Гкал/ ГДж/ Гкал/ ГДж/ Гкал/ ГДж/

чел-год чел-год чел-год чел-год чел-год чел-год чел-год чел-год

і 2 2 3 4 5 3 4 5

Т^птттгтчя я ------ 0,465 1 ЪД.1 • ' 0,046 0,194 0,708 2,964 0,322 1,349

Владивосток 0^545 2,283 0^064 0^268 0/721 3,020 0,304 1,272

Екатеринбург 0,666 2,790 0,066 0,278 0,748 3,133 0,267 1,119

Иркутск 0,771 3,230 0,108 0,451 0,762 3,190 0,249 1,043

Кемерово 0,735 3,079 0,081 0,340 0,748 3,133 0,267 1,119

Краснодар 0,313 1,311 0,023 0,098 0,680 2,847 0,360 1,507

Красноярск 0,718 3,007 0,091 0,381 0,762 3,190 0,249 1,043

Магадан 0,909 3,805 0,127 0,532 0,790 3,306 0,211 0,884

Москва 0,560 2,347 0,058 0,242 0,735 3,077 0,286 1,196

Новосибирск 0,733 3,067 0,081 0,339 0,748 3,133 0,267 1,119

Петропавловск

Камчатский 0,632 2,645 0,061 0,256 0,775 3,246 0,231 0,966

С-Петербург 0,532 2,226 0,050 0,210 0,735 3,077 0,286 1,096

Ставрополь 0,363 1,519 0,029 0,123 0,693 2,903 0,342 1,431

Тюмень 0,679 2,845 0,070 0,293 0,748 3,133 0,267 1,119

Улан-Удэ 0,815 3,413 0,126 0,529 0,762 3,190 0,249 1,043

Якутск 1,168 4,889 0,252 1,055 0,775 3,246 0,231 0,966

Суммарные резервы энергосбережения за счет внедрения определенного списка мероприятий, реализованных за время представляет разницу

между фактическими затратами в и годах:

РЬ2=<2фг2Ф2 (25)

Рпс. 2. Графическое представление понятий теоретического потенциала и резервов энергосбережения в сис темах отопления до и после принятия энергосберегающих нормативов на теплоизоляцию здании

Дальнейшее снижение затрат тепла на отопление может быть достигнуто только при повышении теплозащитных характеристик здания, т.е. для вновь построенных зданий и Оп и Оф будут меньше, чем в предыдущий период. Для

существующего жилого фонда может быть выполнена реконструкция зданий с целью приближения их теплозащитных характеристик к новым нормативам (штриховая линия на рис. 2).

Введенный нами теоретический потенциал энергосбережения действительно является величиной предельной и ни при каких условиях технически недостижимой. Однако его ценность заключается в том, что зная этот предел, мы можем оценить реальные возможности экономии энергии. Теоретический потенциал включает все возможные пути экономии:: снижение затрат тепла за

счет ужесточения строительных нормативов, улучшения качества строительства, улучшение эксплуатации, повышение КПД отопительного оборудования и многое другое, включая регенерацию тепла вентиляционного воздуха.

Для иллюстрации возможностей предложенной методики нами сделана попытка оценить потенциал и резервы энергосбережения в сфере отопления многоэтажных жилых зданий, охваченных централизованным теплоснабжением, для Иркутска.

Нормативный расход тепла на отопление в этом типе застройки составляет 18,75 ГДж на 1 жителя. Фактические затраты, по нашим оценкам, составляют 24,30 ГДж/чел. в год. Располагая этими данными, а также величиной минимально необходимых затрат на эти цели для климатических условий Иркутска, мы определили потенциал энергосбережения в этой сфере и энергетические КПД систем отопления - нормативный и фактический (табл. 2).

Таблица 2

Оценка потенциала и резервов энергосбережения в системах отопления г. Иркутска (многоэтажная застройка, централизованное теплоснабжение), ГДж/чел-шд (Гкал/чел-год)

Затраты Теоретиче-

Показатели тепла на ский потен- Резервы Ц-м, %

- отопление циал экономии

1 2 3 4 5

Минимально необходимые 3,23

теоретические затраты

Современное состояние

-фактические затраты 24,30 21,07 - 13,3

-расчетные (по нормативам 18,75 15,52 5,55 17,2

предыдугцего периода)

Энергосберегающие

мероприятия

-перевод жилого фонда 20,25 17,02 4,05 16,0

на трехслойное остекление

-повышение сопротивления

ограждающих конструкций 16,16 12,93 8,14 20,0

-совместная реализация

обоих мероприятий 12,11 8,88 12,19 26,7

Из таблицы видно, что в период действия нормативов прежнего СНиП фактические расходы тепла на отопление не достигли расчётных, разница между ними (резерв экономии) составила 5,55 ГДж/чел. в год.

В связи с вводом в действие нового энергосберегающего СНиП мы попытались оценить резервы энергосбережения в этих системах при реализации двух мероприятий: а) перевод всех рассматриваемых зданий на трёхслойное ос-

текление и б) повышение сопротивления их ограждающих конструкций до значений. Рекомендуемых СНиП.

Результаты этих расчётов также приведены в табл. 2. Они показывают, что реализация этих мероприятий позволит вдвое сократить расходы тепла на эти нужды и повысить КПД систем отопления рассмотренных зданий с 13,3 % до 26,7 %. В масштабах, города экономия тепла на отопление составит 6,3 ПДж/го д или 215 тыс. т у .т./го д.

Аналогичные расчёты были проведены также для систем горячего водоснабжения тех же многоэтажных жилых зданий. Результаты расчётов приведены в табл. 3. При этом были оценены теоретический потенциал энергосбережения на достигнутом уровне и после реализации мероприятий по сокращению расходов горячей воды до 90 л/сутки на жителя. Рассчитаны также для этих уровней состояния системы горячего водоснабжения значения энергетического КПД, которые составили соответственно 37,5 % и 54 %.

Таблица 3

Оценка потенциала и резервов энергосбережения в системах горячего водоснабжения, ГДж/чел-год

Показатели Затраты те- Теоретический потен- Резервы

пла циал экономии

Минимально необходимые 3,19 - - -

затраты Современное состояние (фактические затраты) При снижении расхода горячей воды до 90 л/сут 8,52 5,85 5,33 2,66 2,67 37,5 54,0

В настоящей работе мы намеренно не затрагиваем вопросов экономической эффективности внедрения энергосберегающих мероприятий. Это очень важная и самостоятельная проблема, представляющая задачу дальнейших исследований.

Четвёртая глава посвящена приложению разработанных методов для исследования термодинамической эффективности источников тепловой энергии (парогенератора и теплоэлектроцентрали) и системы теплоснабжения в целом как комплекса связанных между собой элементов: источники тепла (И) -транспорт тепла, тепловые сети (ТС) - потребители тепла (П) (рис. 3).

Полный энергобаланс ТЭЦ рассчитан на производительность котлов 230 т пара в час с параметрами /т= 510°С, рп=10,8 МПа и турбинами Т-87-90. Приход энергии (эксергии) с топливом определялся на основе удельных значений химической энергии и эксергии топлив, приведенных в [12]. Расчёты выполнены для ключевых подразделений теплоэлектроцентрали - котельного и турбинного цехов, а затем ТЭЦ в целом по принципу «вход-выход». Результаты расчётов показаны на рис. 4 в виде диаграммы энергетических потоков.

I________________________________I

Ta =const Т0 =idem Т0 = var

Г, =var 7j =var 7j =const

-H--H-

Рис. 3. Принципиальная схема системы теплоснабжения (источник -тепловые сети - потребитель)

Данные позволяют определить энергетические и эксергетические КПД для котельного цеха

I 572

„*=Lm-=±L±= о,794; (27)

* I 720

ззтр

Е 290

'Ù=~s-=-~=0'408- (2Н)

Ештр 710

Здесь I и ЕТЛ9 соответственно равны химической энергии и эксергии израсходованного в котельной топлива В, т.е. /Jaîp = и Езщ>= B'eXi\ Inm и £пй1 соответственно равны энергии и эксергии выработанного пара. Эля турбинного цеха

180^177 = 4, 572

/экс 290

где 1т,Ет - соответственно энтальпия и эксергия перегретого пара; Эм- отпущенная электроэнергия; Owa - отпущенная тепловая энергия; и для ТЭЦ в целом

тэц ..ЭЯ011 + (2П0Д _ 180+177_ B-iXt 720

180+66 =034б. (32)

/эк В-е% 710

Здесь /, - соответственно удельная химическая энергия и эксергия топлива.

Расход на собственные нужды 32(5,5)

Перегретый пар

572 (290)

Прочие потери 28,5(17,51)

Потери с отходящими газами 119.5 (36.241

Прочие потери 47 (34)

Тепловая энергия потребителям 177 (66)

Электроэнергия 180 (180)

Потери с

охлаждающей водой 136(4,5)

Рис. 4 . Диаграмма полного энергетического баланса ТЭЦ

Нами предлагается распределять расход топлива в соответствии с соотношением эксергии получаемых на электростанции видов продукции, т.е. в соответствии с суммарной эксергией полученных электроэнергии и тепла.

Потери тепла и эксергии в магистральных и распределительных трубопроводах в диссертации подробно не рассматривались и приняты равными нормативным.

Данные, полученные при рассмотрении отдельных компонентов (подсистем) системы теплоснабжения, позволяют оценить термодинамическую эффективность конкретной системы в целом. Такая система была нами исследована. В качестве примера была рассмотрена система теплоснабжения комплекса многоэтажных жилых зданий в г. Иркутске, снабжаемых тештом от ТЭЦ.

Реализовав метод разнесения затрат топлива на основе соотношения величин эксергии производимой на ТЭЦ тепловой и электрической энергии, мы получили возможность определить термодинамическую эффективность элементов системы теплоснабжения рассматриваемого микрорайона и СТС в целом. Потоки энергии и эксергии в системе показаны на рис. 5.

г) Я Я О

1р

"в- Л

§ §

Н к

о §

£

5!

Р

Я

ю

и

с В

Л

ч \ Ч N \ 31,54 (7,34) ►

193,17 (190,49)

177 (66) V

161,2 (64)

У

я

я § и >я а «

о,

В

® £ Ї * ¡2 я Й « о. 3 е я о н

а з

3 ч? и о ■в 3

и

Рис. 5. Диаграмма потоков энергии (эксергии) в системе теплоснабжения жилого района

В результате получены следующие значения энергетических и эксергети-ческих КПД:

для теплофикационной части ТЭЦ

0,916; »7™=— -=0,346; /эя 193,17 эк 190,49

для тепловых сетей

£="=0,91; С = |=0,%9;

для потребителей тепла

3154 7 34

,£=¿^±1= 0,196; Т]" = —7—=0,115;

/э„ ]61)2 64

КПД системы теплоснабжения в целом

с1с=2и4_=01бз. „стс = —^—=0,0385. /зн 193,17 экс 190,49

Как видно из расчётов, полученные значения КПД для системы теплоснабжения оказались очень низкими, что, впрочем, неудивительно, поскольку минимальные затраты потребителя нами определены на основе идеальных аналогов. Как уже ранее было отмечено, минимальные затраты тепла на цели отопления и горячего водоснабжение могут быть определены на основе других аналогов с иными допущениями и параметрами их функционирования. Именно они требуют согласования и стандартизации.

Однако полученные значения этих КПД очень важны, поскольку показывают степень приближения энергоэффективности СТС к пределу. Это примерно то же самое, что КПД цикла Карно даёт для оценки реальных тепловых установок.

Заключение

Основные результаты работы состоят в следующем

1. Выполнен анализ используемых в настоящее время методов оценки уровня энергоиспользования в системе теплоснабжения и её элементах. Анализ показал, что для оценки энергоэффективности источников тепла применяется КПД, а для его потребителей подобные показатели вообще отсутствуют. Поэтому таких оценок нет и для системы теплоснабжения в целом как единого комплекса.

2. Существенно доработан эксергетический метод анализа для исследования систем теплоснабжения и их элементов.

3. Усовершенствована методика определения химической энергии и эксергии твёрдых и жидких топлив, что позволяет определить их действительный энергетический потенциал, существенно отличающийся от установленного на основе теплоты сгорания. Рассчитаны значения химической энергии и эксергии твёрдых, жидких и газообразных топлив, добываемых и производимых в России.

4. Для оценки энергоэффекгивности потребителей энергии, целевой продукт которых невозможно выразить в энергетических единицах, предложены новые показатели - относительные энергетический и эксергетический КПД. Разработана методика их определения на основе минимально необходимых (предель-

ных) затрат энергии. Рассчитаны значения минимальных затрат энергии и эк-сергии на цели отопления и горячего водоснабжения жилых зданий на человека в год для административных центров субъектов РФ.

5. Введены понятия теоретического потенциала и резервов энергосбережения применительно к системам отопления и горячего водоснабжения. Несмотря на то, что теоретический потенциал является величиной предельной и ни при каких условиях недостижимой, его ценность заключается в том, что имея этот предел, можно оценить реальные возможности и целесообразность реализации намеченных энергосберегающих мероприятий. При этом потенциал и резервы энергосбережения можно связать с КПД рассматриваемых систем.

6. Впервые получены численные значения потенциала и резервов энергосбережения в системах отопления и горячего водоснабжения в расчёте на 1 жителя г. Иркутска на существующем уровне и после реализации ряда энергосберегающих мероприятий. Определены значения энергетических КПД рассматриваемых систем для этих уровней.

7. Впервые исследована система теплоснабжения жилого района г. Иркутска как единого комплекса с определением численных значений энергетического и эксергетического КПД её элементов:

теплофикационной части ТЭЦ - = 0,916; ifj:c - 0,346;

тепловых сетей- С = 0,91; 7^ = 0,969;

для потребителей тепла - = 0,196; = 0,115;

КПД системы теплоснабжения в целом - Т]"с = 0,163; Tj^Jf = 0,0385.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Степанов B.C., Старикова Н.В. Определение эффективности энергоиспользования в народном хозяйстве // Общие вопросы энергетики и энергосбережения / Труды Ин-та проблем энергосбережения АН УССР. - Киев, 1991,- С. 2231.

2. Степанов B.C., Старикова Н.В. Оценка эффективности использования тепловой энергии в системах отопления и горячего водоснабжения // Там же.

- С. 32-37.

3. Старикова Н.В. Глава 5 «Определение уровня энергоиспользования в процессах коммунально-бытовой сферы» в монографии В.С.Степанов, Т.Б.Степанова «Эффективность использования энергии». - Новосибирск: Наука, Сиб. отд., 1994.-257 с.

4. Степанов B.C., Старикова Н.В. Оценка термодинамической эффективности систем отопления и горячего водоснабжения // Известия вузов. Строительство.

- 1994, №11. -С. 110-114.

5. Stepanov V.S., Starikova N. V. Indices for estimation of energy conservation in space heating // Energy & Buildings. - 2000, 31. - PP. 189 -193.

6. Степанов B.C., Старикова Н.В. Эффективность использования энергии и энергосбережение в сфере отопления (материалы конференции) // Повышение

Ч Л

d Э -

я с

эффективности производства и использования, энергии в условиях Сибири / Материалы Всерос. науч.- практ. конф. - Иркутск: ИрГТУ, 2004. - С.428-435

7. Степанов B.C., Степанова Т.Б., Старикова Н.В. Постановка задачи и методические подходы для термодинамического исследования системы тепло-снабжния // Энергосистемы, электростанции и их агрегаты / Сб. трудов НГТУ: Новосибирск, 2005. - Вып.9. - С. 159-166.

8. Степанов B.C., Старикова Н.В. Разработка идеализированных аналогов системы отопления для оценки её термодинамической эффективности // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: Материалы Всеросс. науч.- практ. конф. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011. - С.621-627.

9. Старикова Н.В., Степанов B.C. Исследование термодинамической эффективности системы теплоснабжения // Системы, методы, технологии. - Братск, 2012 (в печати).

10. Степанов B.C., Старикова Н.В. Эксергетический анализ термодинамической эффективности теплоэлектроцентрали и её подсистем // Вестник ИрГТУ, 2012 (в печати).

Подписано в печать 9.02.2012. Формат 60 х 90 /16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Зак. 27. Поз. плана Юн.

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

61 12-5/3755

Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

СТАРИКОВА Наталья Владимировна

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДЛЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА СИСТЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ КАК

ЕДИНОГО КОМПЛЕКСА

Специальность:

05.14.14 - Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

СТЕПАНОВ Владимир Сергеевич

Иркутск - 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................4

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Проблема энергосбережения и эффективность использования энергии...............................................................................................................7

1.2. Современные способы оценки эффективности использования энергии в системе теплоснабжения коммунально-бытовой сферы...........................9

1.3. Эксергетический метод анализа и области его использования........... 14

1.4. Постановка задачи диссертационной работы. Объекты

исследования...................................................................................................19

Выводы по главе 1 .....................................................................27

Глава 2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1. Полный энергетический баланс, процедура его составления и анализа..............................................................................................................29

2.2. Методы расчёта химической энергии и эксергии топлив...................39

2.3. Понятие теоретических (предельных) и минимально необходимых затрат энергии/работы. Энергетический и эксергетический КПД процесса............................................................................................................54

2.4. Формирование идеальных и идеализированных аналогов (моделей) процесса. Классификация процессов по полезному эффекту.....................59

2.5. Теоретический потенциал и резервы энергосбережения.................... 63

Выводы по главе 2.............................................................................................. 68

Глава 3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

ТЕПЛА В КОММУНАЛЬНО-БЫТОВОЙ СФЕРЕ 3.1. Системы отопления..................................................................................70

3.1.1. Расчет энергетических затрат на отопление жилых зданий.......70

3.1.2. Разработка идеальных аналогов и оценка термодинамической эффективности системы отопления жилых зданий...............................74

3.2. Системы горячего водоснабжения............................................................82

3.3.. Определение потенциала и резервов энергосбережения в комму=

нально-бытовой сфере многоэтажной застройки.........................................86

3.4. Оценка КПД, потенциала и резервов энергосбережения в системах отопления и горячего водоснабжения жилых зданий для климатических

условий г. Иркутска........................................................................................91

Выводы по главе 3............................................................................................. 100

Глава 4. ПРИЛОЖЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ИССЛЕДО ВАНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ТЕП ЛОСНАБЖЕНИЯ

4.1. Определение КПД сложной технической системы, состоящей из нескольких подсистем..................................................................................101

4.2. Определение термодинамической эффективности источников тепловой энергии............................................................................................................105

4.2.1. Термодинамический анализ и оценка эффективности парогенератора ................................................................................................105

4.2.2. Полный энергобаланс теплоэлектроцентрали и его анализ.......110

4.3. Термодинамическая эффективность тепловой сети............................119

4.4. Оценка термодинамической эффективности системы теплоснабжения жилого района.................................................................................................119

Выводы по главе 4..............................................................................................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................123

ЛИТЕРАТУРА........................................................................... 125

ПРИЛОЖЕНИЯ

. Приложение I. Термодинамические характеристики технических топлив

Российской Федерации..........................................................133

Приложение II. Минимально необходимые (теоретические) затраты энергии и эксергии на коммунально-бытовые нужды для административных центров субъектов Российской Федерации..............151

ВВЕДЕНИЕ

Начиная с энергетического кризиса 70-х годов XX века, проблема энергосбережения вошла в число наиболее актуальных. В последующие годы в зависимости от колебания цен на энергоресурсы ей уделялось то несколько большее, то меньшее внимание. Но тем не менее направление на энергосбережение (в общей постановке - ресурсосбережение) является отличительной чертой развития экономик всех развитых стран мира, что находит отражение в огромном числе публикаций по данной проблеме в научно-технической литературе.

Вся совокупность технических объектов, созданных человеком, работает на основе использования энергии. Поэтому совершенно естественно, что среди различных аспектов их изучения, проектирования, эксплуатации и совершенствования важнейшее место занимает энергетический. Суммарные резервы энергосбережения на предприятиях, в отрасли, в масштабах государства складываются из экономии энергии, связанной с повышением эффективности каждого единичного процесса.

Однако при проведении подобных исследований пришлось столкнуться с серьезными методическими трудностями, поскольку для многих сфер потребления энергии в настоящее время отсутствуют объективные показатели для оценки энергетической эффективности. В частности, речь идет об оценке термодинамической эффективности использования энергии в различных сферах ее потребления.

В настоящее время научно обоснованные методы оценки эффективности использования энергии в виде расчёта коэффициента полезного действия (КПД) существуют, а значит, и используются, только применительно к энергетическим процессам и техническим системам, базирующимся на них. Все остальные оцениваются какими-либо условными показателями, основывающимися на применении принципа сравнения, аналогий и тому подобных не слишком совершенных методах. В то же время именно на эти процессы за-

трачивается существенное количество энергетических ресурсов и в них же находятся основные резервы энергосбережения. Поэтому разработка научно обоснованных, базирующихся на фундаментальных законах науки, в первую очередь термодинамики как науки о законах преобразования одних форм энергии в другие, методов оценки эффективности чрезвычайно важна.

В число таких процессов, для которых невозможно определить общепринятый КПД, попадают многочисленные процессы промышленности, сельского хозяйства, коммунально-бытовой сферы, установки, производящие металлы, различные материалы, создающие комфортные условия для жизни и работы людей и т.п.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке методов для оценки эффективности использования энергии в системах теплоснабжения, одного из самых крупных потребителей ископаемого органического топлива, и на их основе выявления резервов энергосбережения. В эту систему помимо общепринятых элементов - генерирования и транспорта тепловой энергии -диссертант включает потребителей тепла, в качестве которых рассмотрены системы отопления и горячего водоснабжения жилых зданий.

Для России проблема экономии энергии в сфере отопления является, возможно, одной из самых актуальных. Согласно статистическим данным, на отопление и вентиляцию воздуха в стране затрачивается примерно 40% всего потребляемого топлива, из них 2/3 - это жилищно-коммунальный сектор. Подобное положение определяется, в первую очередь, суровыми климатическими условиями на большей части территории страны. Кроме того, энергия в сфере отопления расходуется крайне неэффективно. Специалисты считают, что в системах теплоснабжения и вентиляции вследствие их неотрегулиро-ванности, из-за дефектов в строительных конструкциях зданий и по другим причинам перерасход тепловой энергии составляет 25-30% от расчетных величин.

Основной целью диссертации является разработка методов для проведения исследований эффективности использования энергии во всех элементах системы теплоснабжения (включая потребителей тепла) на основе термодинамического анализа. Для этой цели привлекаются современные научные методы и аппарат для анализа тех элементов системы, для которых они существуют, и разрабатываются новые методы и показатели, вводятся новые понятия. Подготовлен цифровой материал для внедрения предложенных методик для практических расчётов.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1. Проблема энергосбережения и эффективность использования энергии

Общеизвестно, что человечество на свои нужды использует в основном невозобновляемые энергетические ресурсы (ЭР), запасы которых ограниченны. Осознание того, что их надо экономить и рационально использовать, возникло не так давно. Разразившийся в 70-х годах прошлого века мировой энергетический кризис заставил во многом пересмотреть сложившиеся взгляды на энергопотребление и необходимость проведения работ по его рационализации. Именно этот момент можно считать началом отсчёта для серьёзной и планомерной энергосберегающей политики во всех странах мира, как не имеющих собственных запасов ископаемых топлив, так и обладающих ими.

В результате возникает вопрос, как наиболее безболезненно перейти от прошлого, с практически неконтролируемым, ничем не ограниченным расходом энергии и неуклонно возрастающими темпами роста энергопотребления, к совершенно другой идеологии расходования энергоресурсов. Появилась необходимость определить возможности энергопотребляющих объектов и систем без сокращения выпускаемой ими продукции и услуг, без снижения уровня комфорта и т.п. при изменении экономической ситуации, и в частности повышении цен на энергоресурсы.

Определить возможности регулирования энергопотребления можно только на основе проведения исследований по оценке существующего уровня эффективности энергоиспользования в каждой сфере экономики и возможностей его повышения.

Каждая техническая система нуждается в энергетическом анализе, при осуществлении которого исследуется, насколько эффективно она использует энергию для выполнения предусмотренных полезных функций - производст-

ва продукта, преобразования энергии из одного вида в другой, производства работы, обеспечения комфорта или предоставления иных полезных услуг. Поэтому энергетический анализ технических систем является непременным условием для выбора путей дальнейшего развития не только народного хозяйства, но и общества в целом.

В нашей стране вопросам рационального (с точки зрения использования энергии) ведения хозяйства всегда уделялось достаточно много внимания. Однако оно преимущественно было обращено на сферы производства, преобразования и распределения энергии, возможности совершенствования которых в настоящее время практически близки к исчерпанию. В то же время в потребляющих отраслях экономики, где совершенствованию технологических процессов, повышению энергетических показателей не уделялось должного внимания, имеются значительные резервы экономии энергии. В последние годы интерес к проблеме эффективного использования энергии в сфере потребления значительно возрастает [5, 18, 26, 39. 71, 72, 81, 86].

Опыт разработки энергосберегающих программ показал, что спектр включаемых в них мероприятий весьма широк и многообразен. Поэтому для удобства анализа их приходится объединять в группы. При этом обычно принято группировать по следующим направлениям проводимых работ:

• Внедрение новых технологических процессов, оборудования, машин, механизмов с улучшенными энерготехнологическими характеристиками;

• Совершенствование действующих технологических процессов, модернизация и реконструкция оборудования;

• Использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР);

• Использование низкопотенциального тепла, в том числе вентиляционных выбросов;

• Организационно-технические и прочие мероприятия.

Из перечисленных направлений особое значение имеет первое, связанное с внедрением новой техники и технологий. Если другие направления

энергосбережения с течением времени могут быть исчерпаны, то первое представляет собой постоянный источник резервов экономии энергии. При этом важно отметить, что реализация мероприятий этого направления требует относительно больших капиталовложений.

Когда речь идёт об определении понятия экономия энергии большинство исследователей единодушно в том, что это не снижение энергопотребления просто любой ценой, а лишь при условии достижения тех же экономических и социальных показателей, т.е. «... под экономией понимаются лишь те меры, которые не сказываются отрицательным образом на конечных результатах использования энергии» [71].

Выявление возможных резервов экономии энергии требует прежде определить, как оценивать величину этой экономии, какова должна быть точка отсчёта.

Иначе говоря, для того, чтобы определить эффект от реализации энергосберегающего мероприятия (программы), необходимо оценить существующий уровень энергоиспользования техническим объектом и возможности его повышения за счёт данного мероприятия (комплекса мероприятий).

Сделать это качественно, обоснованно и объективно можно только на основе составления энергетического баланса рассматриваемого объекта.

Энергетический баланс, составленный на основе лишь первого начала термодинамики, не дает возможности установить места и причины возникновения всех видов потерь, правильно произвести их количественную и качественную оценку, найти возможности их устранения. Иначе говоря, анализ таких балансов не может дать ответ на вопрос о том, какие из потерь изучаемого процесса являются безвозвратными, а какие можно использовать в качестве вторичных энергоресурсов (ВЭР). На это неоднократно указывалось целым рядом авторов [2,3, 13-15, 22, 23, 44, 52, 69, 86, 98].

Требования практики способствовали тому, что ученые начали активные поиски характеристик и методов анализа сложных термодинамических

систем с привлечением второго закона термодинамики, которые бы позволили учитывать качество разных видов энергии. В результате было предложено несколько методических подходов, в том числе разработана методика составления полного энергетического баланса [52, 94], который совмещает балансы энергии и эксергии и в наибольшей степени отвечает тем задачам, которые решает автор настоящей диссертации.

Работа по энергосбережению, на наш взгляд, должна производиться

следующими этапами:

- разработка энергетического баланса объекта и определение достигнутого уровня энергоиспользования (значений КПД, удельных расходов энергии и т.п.);

- выявление участков неоправданно высоких потерь энергии и установление причин, их вызывающих;

- нахождение возможных мер по экономии энергии и оценке их экономической эффективности;

- определение задач по экономии энергии и составление: планов их реализации;

- осуществление плана энергосберегающих мероприятий и оценка результатов.

Таким образом, основные задачи энергетического анализа, как нам представляется, следующие:

• оценка уровня энергоиспользования в технической системе;

• определение удельных расходов энергии на производство продукции в исследуемой системе (достигнутых и предельных);

• выявление возможностей снижения энергозатрат.

Однако очень часто эти три задачи решаются по отдельности с привлечением разных методов и источников исходной информации, в то время как они могут и должны решаться в едином исследовании.

1.2. Современные способы оценки эффективности использования энергии в системе теплоснабжения коммунально-бытовой сферы

Одной из важнейших в энергетике проблем: является проблема оценки термодинамической эффективности использования энергии в различных процессах, производствах, иных сферах ее потребления.

Общепринятым фундаментальным показателем для такой оценки в термодинамике является энергетический КПД. В течение многих десятилетий он используется для оценки эффективности тех процессов, в которых либо производится энергия какого-либо вида, либо полезный эффект процесса может быть выражен в энергетических единицах. Несмотря на это, до настоящего времени в технической литературе вопрос о совершенствовании и уточнении расчета КПД является одним из наиболее актуальных [1-3, 13-15, 22, 23, 32, 33, 55, 63, 77]. В частности, до сих пор не решена проблема расчета КПД топливосжигающих установок и тепловых электростанций, поскольку часть стран мира проводит его по высшей теплоте сгорания, часть (в том числе и Россия) - по низшей. В то же время уже несколько десятилетий назад было предложено определять для таких установок энергетический и эксергетический КПД на основе хи�