Главная страница -> Технология утилизации

Основы методики проектирование т. Вывоз мусора. Переработка мусора. Вывоз отходов.

М.В. Тарновский, директор ЧЭФ "ОптимЭнерго, г. Харьков

В результате энергоаудитов нескольких предприятий коммунальной энергетики Украины мы установили общие для них проблемы технического, экономического и организационного характера. Наше видение путей решения этих проблем представлено в настоящей статье.

Производственная и хозяйственная деятельность коммунальных предприятий Теплоэнерго не претерпела за последние 20 лет радикальных изменений. Но для теплоснабжения сегодня, как и для любого бизнеса, необходимо проводить маркетинговые исследования рынка, иметь стратегию сбыта и своевременно реагировать на изменения в экономике, в технике, в настроениях потребителей и на многое другое, что нужно для выживания предприятий в условиях рыночной экономики.

Отсутствие в энергетике таких специалистов, как энергоменеджеры, маркетологи, финансовые аналитики привело к практическому банкротству энергетических предприятий. Возможность пользоваться услугами профессиональных консультантов также не получила широкого распространения из за нежелания платить за новый вид дорогой услуги и отсутствия уверенности в эффективности помощи консультантов.

Основные проблемы, с которыми сталкиваются в настоящее время предприятия Теплоэнерго таковы:
неплатежи потребителей;
падение технического уровня эксплуатации и, как следствие, низкое качество энергоуслуг, связанных с отоплением и горячим водоснабжением;
снижение профессиональной привлекательности энергетики, переток квалифицированных кадров в другие отрасли;
агрессивный маркетинг поставщиков альтернативных систем теплоснабжения;
отсутствие действенных правовых механизмов регулирования хозяйственных отношений между поставщиками и потребителями энергоуслуг;
нескоординированные действия ветвей власти ответственных за эксплуатацию систем теплоснабжения;
отсутствие квалифицированного наблюдательного совета от собственника и невозможность влияния потребителей на политику предприятий;
низкая информированность населения, а, следовательно, и пассивная позиция по экологическим последствиям некачественных энергоуслуг .

Проблемы существующей системы теплооснабжения

Основной проблемой является отсутствие эффективного собственника.

Может ли считать себя хозяином системы отопления простой житель, потребитель энергоуслуг? Может ли он доверять и проверять, вообще как-то воздействовать на систему энергоснабжения? Конечно, нет, т. к. не существует механизма участия потребителей в деятельности энергетических предприятий. И диктатуре энергопредприятия противостоит не менее мощная анархия потребителя.

Состоятельные граждане и благополучные предприятия идут на устройство локальных источников энергоснабжения, несмотря на то, что с экономической и экологической стороны это не всегда лучший вариант. Но в результате такого решения они получают свободу выбора качества и количества энергоуслуг. Именно этого лишены сегодня потребители централизованных систем теплоснабжения. Эта категория потребителей, тем не менее, тоже воспользовалась свободой выбора, но уже в иной форме - форме протеста по поводу низкого качества и количества энергоуслуг, выражая его путем саботирования оплаты за энергоуслуги. Тем самым, разумеется, только усугубляя и свое собственное положение.

Экономические проблемы

В системе централизованного теплоснабжения нарушен закон экономики "ТОВАР – ДЕНЬГИ - ТОВАР". То, что за товаром является не энергоуслуга, а ее количественное выражение (Гкал, м 3), явилось главным фактором, стимулирующим расточительное отношение к энергоносителям. Можно отметить, что такой подход изначально разделяет на непримиримых антагонистов тех кто продает и тех кто покупает теплоэнергию. Первые вполне удовлетворяются количественными показателями своего товара, а вторые просто вынуждены оплачивать этот товар, вне зависимости от его качества. Следует заметить, что потребитель, предпочитающий индивидуальный источник теплоснабжения, идет на сознательное удорожание теплоснабжения ради его качества.

Основой экономических проблем являются и недостатки в формировании тарифов на энергоуслуги. Двуставочные тарифы, которые могли бы стать экономической основой для энергосбережения, из-за некомпетентности и нерешительности местных властей, пока не находят широкого распространения.

Недостатком является и то, что предприятия должны приносить прибыль, и, следовательно, нести бремя налогов, которое значительно увеличивает и без того высокую плату за энергоуслуги.

Во многих городах платежи за энергоуслуги превратили в “общак”, из которого пытаются залатать все дыры в бюджете энергоснабжающих предприятий. Централизованное распределение средств лишает энергичных и предприимчивых руководителей районных предприятий инициативы, а иных приучает к бездеятельности и иждивенчеству.

Среди экономических проблем, проблема неплатежей самая острая и порождена она следующими причинами:

отсутствие учета фактического теплопотребления каждым абонентом дает формальный повод оспаривать объем и качество услуги теплоснабжения, а далее и платежей за энергоуслугу;

техническая невозможность регулирования или отключения от системы теплоснабжения не платящего или действительно неплатежеспособного потребителя;

отсутствие у абонента технической возможности для добровольного ограничения теплопотребления. В связи с этим возникает социальная напряженность: люди думают, что им навязывают чрезмерные объемы дорогой услуги;

уверенность недисциплинированного абонента в том, что в очередной раз государство заплатит за него или обяжет и далее оказывать энергоуслугу бесплатно (к ним не следует относить малоимущие слои населения, забота о которых является обязанностью государства);

отсутствие юридических форм воздействия на неплательщиков, вплоть до изъятия занимаемых помещений и зданий;

несовершенство структуры социальной защиты малоимущих слоев населения;

повальное сокрытие фактических доходов гражданами, что создает иллюзию невозможности оплаты ими коммунальных услуг (заметим, что при этом наблюдается небывалый рост прибыли в пивоваренной, табачной промышленности, в секторе услуг мобильной связи).

Поступления средств от населения в течение года, согласно установленным правилам, равномерные, а основные платежи за топливо приходятся на отопительный период. В советский период дешевого топлива затраты на ремонт оборудования в летний период почти соответствовали затратам на топливо в зимний период и, следовательно, такая система оплаты за теплоснабжение была как-то оправдана.

В настоящее время наблюдается прибыль в летний период и убытки в зимний период. При повышении дисциплины платежей за газ, поступлений денежных средств от населения будет явно недостаточно для закупки необходимого количества газа.

Экономические проблемы не позволяют решать проблемы технические, а те в свою очередь, не позволяют повысить энергетическую и экономическую эффективность деятельности предприятий.

Как показала практика, те немногие денежные средства, имеющиеся на предприятии для ремонтов и модернизации энергетического оборудования, используются интуитивно и без тщательных расчетов технической и экономической эффективности выполняемых мероприятий. По нашему опыту, консалтинговая помощь при выборе закупаемого оборудования и материалов приносит экономический эффект, сравнимый с эффектом от внедрения технических энергосберегающих мероприятий.

Технические проблемы

Системы централизованного теплоснабжения в Украине, как правило, четырехтрубные с зависимым элеваторным присоединением к источникам.

Система регулирования теплоснабжения качественная (количество циркулирующего теплоносителя в системе постоянное, а температура варьируется в зависимости от температуры наружного воздуха по температурному графику).

Устаревшие приборы регулирования гидравлического режима - элеваторы и дроссельные диафрагмы не позволяют снизить теплопотребление отдельными абонентами без ущерба для всей системы. А именно, сэкономленная одним потребителем теплоэнергия будет перераспределена между другими потребителями и эффект энергосбережения на источнике будет отсутствовать. При такой системе установка теплосчетчиков на отдельных потребителях не имеет энергосберегающего эффекта для теплоснабжающей организации.

Расход электроэнергии при качественном регулировании в 2-3 раза выше, чем при количественном регулировании с использованием частотно-регулируемых приводов сетевых насосов.

Повсеместное отсутствие качественной наладки гидравлических режимов тепловых сетей приводит к значительному перерасходу электроэнергии сетевыми насосами на перекачку теплоносителя и нерасчетному теплопотреблению зданиями со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Экологические аспекты

Децентрализация теплоснабжения приводит к снижению управляемости теплопотребления и увеличению расхода первичного топлива. Использование населением для нужд горячего водоснабжения газовых плит, газовых колонок с невысоким КПД и электрических водонагревателей приводит к повышенным в 1,5 - 3 раза расходам первичных энергоносителей, а, следовательно, приводит к эквивалентному увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу. Если обратиться к опыту мирового лидера в области энергосбережения - Дании, то проблему снижения экологической нагрузки там решили централизованные источники теплоснабжения на базе комбинированной выработки тепловой и электрической энергии.

Пути решения проблем предприятий централизованного теплоснабжения

Мы видим их в реструктуризации системы управления предприятиями тепловых сетей. Управлять предприятиями должен собственник, по крайней мере, собственник должен иметь возможность влиять на политику руководства предприятием. Районные предприятия должны подчиняться районным властям, которые должны нести ответственность за нормальную деятельность предприятия.

Необходимо реструктуризировать одиозную систему жилищно-эксплуатационных предприятий в сервисные фирмы по продаже услуг собственникам жилья или предприятиям. Они должны быть полноправными оптовыми покупателями энергоуслуг и одновременно их розничными продавцами. Должны быть установлены четкие и жесткие правила функционирования рынка энергоуслуг. Нежелание решать эту проблему приводит к нарастанию противостояния между энергоснабжающими организациями и потребителями. Не должны люди стоять в очередях под теплосбытами, энергосбытами, газосбытами и прочими. Потребитель должен знать одного розничного продавца и оплачивать все энергоносители, а не только те, которые ему могут отключить. При такой организации системы сбыта появляется возможность корпоративной ответственности за оплату всех потребленных энергоресурсов. Например, при неуплате за отопление сбытовая организация в состоянии воздействовать на неплательщика отключением электроэнергии и газа, т.к. она несет ответственность за оплату всех энергоносителей перед всеми поставщиками энергоресурсов. Розничный продавец энергоуслуг будет заинтересован в полном охвате приборами учета всех видов энергоресурсов, как на вводах в здания, так и у каждого потребителя.

При увеличении численности персонала сбытовых организаций, тем не менее, будет получен положительный эффект как в снижении энергопотребления, так и в увеличении сбора платежей. А если эта структура будет создана при участии всех энергоснабжающих организаций, то роста численности инспекторов по сбыту не произойдет, а эффективность их работы возрастет. Потребитель тоже почувствует выгоду общения с одной организацией, а не с четырьмя, как в настоящее время. Розничный продавец в дальнейшем может выступить заказчиком энергоэффективных мероприятий, таких как утепление зданий, термоизоляция трубопроводов в подвалах и на стояках, проведение просветительной работы по энергосбережению и экономии средств потребителей не за счет снижения тарифов, а за счет реального снижения энергопотребления.

К сожалению, администрации всех уровней власти идут на популистские меры, которые связанны с борьбой за удержание низких цен на энергоресурсы с помощью инспекций по ценам, а не на более радикальные меры по снижению энергопотребления.

Путь энергосбережения более сложный и требует значительных интеллектуальных и организационных усилий, но он единственно правильный и экономически целесообразен.

Отсутствие политической воли властей бороться юридическими методами со злостными неплательщиками порождает чувство вседозволенности у большего числа потребителей и "узел" экономических проблем затягивается.

Система продажи энергоуслуг должна быть и прозрачной, и управляемой.

Функции существующих централизованных областных управленческих структур должны сводится к высокопрофессиональной консалтинговой деятельности, технической и экономической экспертизе деятельности районных предприятий, а также к выполнению обязанностей наблюдательного совета. Нельзя, чтобы судьба теплоснабжения региона зависела от компетентности управленческих решений высшего руководства. У каждой структуры теплоснабжения должен быть свой бюджет, а не общий и потому чужой, управляемый сверху "вручную" по принципу "тришкиного кафтана".

Особого анализа требуют общеэксплуатационные и цеховые статьи затрат предприятий. Возможно, при тщательном рассмотрении окажется, что выгоднее устанавливать современное дорогостоящее оборудование, требующее меньших эксплуатационных затрат, чем содержать большой штат ремонтного персонала и обслуживающей техники.

Резюме

При существующем техническом состоянии, тарифах на тепловую энергию и уровне сбора платежей предприятия Теплоэнерго не выглядят инвестиционно привлекательными. Во времена СССР энергоснабжение коммунального сектора всегда находилось на дотации государства. Эта порочная практика продолжается и до настоящего времени. Для изменения положения, когда энергоснабжение будет эффективным бизнесом, необходимо пройти путь, который считается классическим для любого бизнеса. Ниже перечислены этапы, которые в той или иной форме необходимо реализовать.

Этапы работ на пути к эффективному энергетическому бизнесу

А. Маркетинговые исследования.

Необходимо провести маркетинговые исследования рынка энергоуслуг для региона, включая услуги:

газоснабжающей организации,

электроэнергетической организации,

водоснабжающей организации,

теплоснабжающей организации,

жилищно-эксплуатационных организаций.

Б. Финансовый анализ.

Выполнить финансовыми аналитиками финансовый анализ энергоснабжающих организаций по международным стандартам, который бы представил понятную картину для инвестора и дал бы конкретные рекомендации по оздоровлению экономики предприятий.

В. Инвестиционный Энергоаудит.

Выполнить энергетические обследования предприятий энергопоставщиков и потребителей энергоресурсов с целью разработки энергоэффективных инвестиционных проектов.

Г. Новые правила формирования тарифов на энергоуслуги.

Тарифная политика подлежит кардинальному пересмотру и следует срочно переходить на двуставочные тарифы на все виды энергоносителей.

Д. Бизнес-планирование.

Необходимо, на основании оптимальных расходов энергоносителей и воды, определенных в ходе энергоаудитов, выполнить бизнес-планы инвестиционных проектов, направленных в первую очередь на:

организацию четкой системы учета и сбора платежей;

снижение потерь энергоносителей при производстве и транспортировке;

снижение энергопотребления абонентами;

установку агрегатов комбинированной выработки тепловой и электрической энергии.

Е. Реорганизация структуры сбыта энергоуслуг.

Ввиду того, что все энергопоставщики, так или иначе, связаны между собой, то необходим комплексный подход в решении задачи качественного оказания энергоуслуг и сбора платежей за них. Нельзя оставить ни одной лазейки для бесконтрольного и бесплатного энергопотребления.

Следует ввести систему розничного продавца энергоуслуг для объектов жилищно-коммунального сектора, как это принято во многих странах Европы. В Киеве используется одна квитанция за коммунальные услуги. Однако какие бы квитанции не выписывались, без возможности отключения газа, воды, электроэнергии и без солидарной ответственности перед энергопоставщиками, вопрос сбора платежей не будет решен. Без решения вопроса с платежами невозможно даже думать об инвестициях, которые мы ждем уже не один год.

Ж. Внедрение инвестиционных энергоэффективных проектов.

Типовые инвестиционные проекты:

1. Организация системы учета энергоносителей и продажи энергоуслуг. Проект предусматривает:

создание эффективного розничного продавца энергоуслуг;

установку приборов учета всех энергоресурсов у потребителей;

создание районной службы энергетического менеджмента для системного анализа и принятия своевременных мер, направленных на повышение эффективности использования взаимосвязанных энергоносителей (газ, электроэнергия, тепловая энергия и вода) потребителями района.

2. Реконструкция источников тепловой энергии.

По нашему мнению наиболее эффективным решением при выборе источника теплоснабжения является ТЭЦ, т.е. обязательное внедрение установок комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. В противном случае централизация теплоснабжения теряет всякий технический и экономический смысл.

Наиболее оптимальным для сложившейся системы тепловых сетей считаем установку на районных котельных Теплоэнерго газовых двигателей с электрогенераторами и котлами-утилизаторами. Существующие котлы должны работать, как пиковые. При стоимости 0,035 доллара за 1 кВтч выработанной электроэнергии и 15 долларов за 1 Гкал произведенной теплоэнергии окупаемость проекта не превысит 3 лет.

3. Реконструкция тепловых сетей.

Произвести плановую замену существующих трубопроводов тепловых сетей предварительно изолированными трубами, обеспечивающими минимальные потери теплоэнергии в окружающую среду.

4. Реконструкция тепловых пунктов зданий.

Систему качественного регулирования теплоснабжения следует заменить количественным регулированием. Для чего необходимо установить автоматизированные индивидуальные тепловые пункты (ИТП) на вводе каждого здания.

Все эти проекты должны реализовываться одновременно и комплексно, т.е. технические проекты должны подкрепляться проектами по реорганизации структур, способных обеспечить внедрение, эксплуатацию энергоэффективного оборудования и 100%-ю оплату энергоуслуг.

Необходимым условием успеха возрождения предприятий коммунальной энергетики является энергетический менеджмент, осознание важности которого уже пришло на Украину, но внедрение которого наталкивается на уже перечисленные политические, экономические и иные проблемы.

ЧЭФ "ОптимЭнерго" готово оказать помощь решительному и озабоченному проблемой теплоснабжения руководству любого региона Украины в повышении эффективности работы коммунальных предприятий и обеспечить 30% снижения затрат на энергоносители при условии четкого выполнения наших рекомендаций.

Наш практический опыт позволяет гарантировать успех..

Данная статья является продолжением серии статей, описывающих работу тепловых насосов [7]. В настоящей статье излагаются основы методики проектирования (расчета) тепловых наосов с горизонтальными грунтовыми теплообменниками, нашедших широкую популярность в развитых странах.
С точки зрения специалиста по отоплению, грунт является неиссякаемым источником тепловой энергии. Отобрать геотермальное тепло (теплота грунта) можно лишь с помощью тепловых насосов. Тепловой насос - это аппарат, который позволяет передавать теплоту от холодного (низкотемпературного) источника к теплому (высокотемпературному) потребителю. Тепловые насосы, которые используют для отбора тепла грунта, иногда называют грунтовыми. Это понятие довольно условное, т.к. один и тот же тепловой насос может быть использован, как для отбора теплоты грунта, так для отбора теплоты от воды, да и из воздуха.

При отборе теплоты Земли используют ее верхний слои, находящиеся на глубине до 100 метров от поверхности. С точки зрения теплообмена этот слой грунта находится под воздействием лучистой энергии Солнца, радиогенного тепла из глубинных слоев Земли, конвективного теплообмена с атмосферным воздухом и теплопереноса за счет различных массообменных процессов (дождь, таяние снега, грунтовая вода и т.д.).

В зарубежной литературе существует несколько различных классификаций грунтов. Нас, в большей степени, интересует классификация грунтов по их теплопроводности. В нижеприведенной таблице 1 используется данные известного американского справочника ASHRAE [3 ].

Таблица 1. Классификация грунта по [3]

Класс грунта

l, Вт/(м*°С)

Тип грунта

Очень низкая теплопроводность

Легкая глина (15% влажность)

Низкая теплопроводность

<1,5

Тяжелая глина (5% влажность)

Нормальная теплопроводность

Тяжелая глина (15% влажность) Легкий песок (15% влажность)

Высокая влажность

<2,5

Тяжелый песок (5% влажность)

Очень высокая теплопроводность

>2.5

Тяжелый песок (15% влажность)

В российских источниках нами обнаружены таблицы 3 СНиП 2.02.04-88 [4], на основе которой можно составить таблицу 2 по определению теплопроводности талого грунта.

Таблица 2 .Классификация грунта по [4]

Класс грунта

l, Вт/(м*°С)

Тип грунта

Очень низкая теплопроводность

Заторфонные грунты и торфы

Низкая теплопроводность

<1,5

Суглинки и глины, супесь пылеватая, легкая супесь пылеватая

Нормальная теплопроводность

Тяжелая супесь пылеватая

Легкий песок

Высокая влажность

<2,5

Тяжелый песок (5% влажность)

Очень высокая теплопроводность

>2.5

Тяжелый песок (15% влажность)

Из сравнения таблиц 1 и 2 видно, что данные американских и российских справочников довольно адекватны. Для точного определения теплопроводности грунтов необходимо проводить экспериментальные исследования теплопроводности в месте предполагаемого строительства.

Отметим, что теплопроводность грунта не является величиной постоянной в течение года. Она зависит от влажности, агрегатного состояния влаги в грунте и температуры. Причем особенно сильно влажность меняется при замерзании грунта. Данные [4] говорят о том, что теплопроводность мерзлых грунтов lf составляет lf =1.05…2.1*lth. (1)

О температуре грунта на различной глубине у автора есть лишь данные из зарубежных источников (см. рис.1 [1]). Из этих данных можно сделать вывод, что на глубине более 8 метров температура практически постоянна в течение года (изменения составляют только 1/20 изменений на поверхности). За границей существует такое понятие, как температура грунта. Справочник ASHRAE [3] предлагает определять температуру грунта по температуре грунтовых вод в данной местности. Если исходить из температуры грунтовых вод, то она колеблется в пределах 8-10°С для условий Беларуси.

Значение количества радиогенной теплоты составляет (для зоны Центральной Европы) 0,05-0,12 Вт/м 2 [2]. Если оно не известно, то обычно принимается 0,1 Вт/м 2.

Рис. 1. Распределение температур грунта по глубине

Существует два основных способа отбора геотермального тепла – с помощью открытых и закрытых контуров. Под открытым контуром понимают использование теплоты грунтовых вод, предусматривающих доставку этих вод на поверхность, использования их теплоты и возврат в пласт. Под закрытым контуром понимают использование теплоты грунта с помощью промежуточных теплообменников и теплоносителей. В свою очередь системы с закрытыми контурами различают по типу теплообменников – горизонтальные (рис. 2а) и вертикальные (рис.2в). Устройство закрытых контуров с вертикальными теплообменниками дороже, чем с горизонтальными теплообменниками. В тоже время контура с горизонтальными теплообменниками занимают большие площади, что может оказать в некоторых случаях весьма критичным условием.

Рис. 2. Разводка труб горизонтального (А), вертикального ( B) грунтовых теплообменников и варианты укладки горизонтального теплообменника в траншею (С) [6]

Трубы горизонтальных теплообменников размещают в траншеях. Размещение труб в траншее обычно выполняется двумя основными способами: прямые и свитые в спираль трубы. В жизни существуют и другие, иногда довольно экзотические, способы, например, трубопроводы, прикрывают сверху медными пластинками ( copper fins) – видимо для улучшения теплообмена.

В этой статье мы не смогли обойти вниманием такой вопрос, как выпор типа тепловых насосов. Рассмотрим здесь несколько важных характеристик тепловых насосов: теплопроизводительность, СОР – коэффициент трансформации, температура теплоносителя на входе в конденсатор (или же температуру конденсации, которая на 10°С выше) и температура антифриза на выходе из испарителя. Для стандартных условий все эти значения дает завод-изготовитель теплового насоса. Из всего ряда фирм выберем известную французскую фирму CIAT. В таблице представлены данные, взятые из справочника для теплового насоса LGN-100 Z этой фирмы. Тепловой насос LGN-100 Z использует в качестве хладагента R407 c. Из этой таблицы легко получить значение COP, которое равно

COP = Qh/N . (2)

На рисунке 3 приведены графики зависимости коэффициента трансформации от температуры воды (антифриза) на выходе из испарителя.

Таблица 3. Характеристики теплового насоса LGN 100 Z (при температуре конденсации 55°С)

Температура воды на выходе из испарителя,°С

Qc, кВт

N, кВт

Q h, кВт

COP

Водно-гликолевая смесь

-8

13,8

22,8

2,53

-4

9,1

25,1

2,76

20,4

9,4

29,9

3,18

Вода

23,2

9,5

32,7

3,44

9,5

34,6

3,64

9,6

39,6

4,16

Выбор теплового насоса на стадии проектирования не является простой задачей. Это связано с тем, что тепловой насос никогда не подбирают на полную пиковую отопительную нагрузку. Если это сделать, то капитальные затраты будут так велики, что окупаемость вашего решения не наступит никогда. Понятно, что выбрав тепловой насос не на пиковую нагрузку, необходимо будет предусмотреть специальный пиковый доводчик. В качестве последнего обычно применяют электрокотлы. И здесь возникает вопрос: «На какую нагрузку подбирать тепловые насосы?».

Рис.3. Тепловой насос CIAT марки LGP

Моделирование работы теплового насоса вместе с грунтовым теплообменником может быть проведено с помощью программы по имитационному моделированию – МОДЭН, разработанной ОДО «Энерговент» [8]. На основание многочисленных компьютерных экспериментов и сравнения полученных данных с известными зарубежными методиками, а также учитывая опыт устройства теплонасосной установки с грунтовыми теплообменниками на водозаборе Мухавецкий (Брест), в ОДО «Энерговент» были подготовлены рекомендации по проектированию таких систем. В настоящей статье мы воспользуемся лишь некоторыми данными из этих рекомендаций.

Для наглядного показа этого факта рассмотрим как ведет себя горизонтальный теплообменник, состоящий из двух труб Dнар=32 мм уложенных в траншею длиной 100м. Зададимся начальной температурой грунта 10°С и температурой антифриза равной минус 10°С и начнем отбирать тепло грунта (теплопроводность грунта принята равной 3 Вт/(м*°С).

Еще один вопрос. Какой мощностью, как теплоисточник, обладает в процессе работы теплового насоса грунт? Для ответа на этот вопрос проведем компьютерный эксперимент.

На рисунке 4 приведены результаты компьютерного эксперимента, выполненного в рамках программы МОДЭН (версия 2.1). Начинается эксперимент 1 ноября и заканчивается 1 марта.

Рис. 4. Результаты компьютерного эксперимента, выполненного с помощью программы МОДЭН

Проанализируем график. На первой стадии можно отобрать более 4000 Вт, но этот период длится недолго далее происходит падение до 1500 Вт, а затем опять начинается небольшой рост. Падение теплоотбора связано с охлаждением грунта (работа теплообменника и понижение температуры наружного воздуха), а рост обусловлен увеличением солнечной радиации и некоторым ростом температур наружного воздуха. Средний же отбор за расчетный период составит Qср =2232 Вт. Собственно этим расчетным отбором теплоты мы и обладаем. В какие-то часы его можно превысить, в какие-то наоборот, но средний отбор не должен превышать этой цифры. Для нахождения значения требуемой мощности теплового насоса воспользуемся довольно простой методикой очень распространенной в США.

Определяем число часов использования максимума тепловой мощности

tmax = Qгод/Qmax. (3)

Коэффициент загрузки

Kзагр= tmax/tгод. (4)

Расчетная мощность теплового насоса в зарубежной литературе предлагается определять по формуле

Qтн=2*Qmax * Kзагр. (5)

Коэффициент 2 в этой формуле учитывает тот факт, что продолжительность отопительного периода составляет, приблизительно, 50% всего года. Сейчас мы не будем ставить под сомнение эту формулу, хотя, несомненно, она нуждается в уточнении.

Мощность грунтового теплообменника рассчитывается по простой формуле

Qгт= Qтн* (COP-1)/СОР (6)

Как уже было ранее сказано, трубопроводы горизонтального теплообменника укладывают в траншеи. Число труб в траншее может быть различным (1,2, 4, 6, 10 и т.д.), как и расстояние между траншеями. Почему бы не уложить все трубы в одну траншею? Заманчивость такого предположения ошибочна потому, что как между близко лежащими трубами, так и между траншеями может возникнуть интерференция, т.е. наложение температурных полей, приводящая к существенному снижению теплового потока от грунта к трубам. Поэтому, если предположить, что труб, уложенных в одиночную траншею с одной трубой необходимо Lтр1, то число труб в реальных условиях равно

Lтр= Lтр1*Kтр* Kтран, (7)

здесь

Kтр – поправочный коэффициент, учитывающий число труб в траншее (см. табл. 4),

Kтран – поправочный коэффициент, учитывающий расстояние между траншеями, расчеты показывают, что если расстояние между траншеями более 2 м, то Kтран=1.

В общем случае

Lтр= F(Kтр, Kтран, Tгр , Тж, lth , Сгр, Dнар , l ст….) (8)

Учесть все факторы путем введения коэффициентов (типа Kтр, и Kтран) не всегда представляется возможным. Наиболее предпочтительным является прямой расчет для соответствующих условий. В настоящее время такой прямой поверочный расчет может быть выполнен с помощью программ имитационного моделирования. Проведя ряд таких расчетов, мы хотим показать читателю статьи влияние отдельных параметров на величину теплоотбора теплообменником.

Влияние температуры грунта, теплопроводности грунта и температуры антифриза (теплоносителя циркулирующего через испаритель теплового насоса) может быть оценено с помощью таблицы 5. Из таблицы видно, что температура теплоносителя очень сильно влияет на величину теплоотбора, далее следует теплопроводность грунта и его температура, которая в наименьшей степени влияет на эту величину. Хотя полученные данные получены в результате численного расчета, автор не совсем четко понимает, почему так невелико влияние коэффициента теплопроводности? Я представлял, что это будет прямо пропорциональная зависимость, как в случае стационарной задачи теплопроводности. В просмотренных мной зарубежных источниках эта зависимость не обсуждается на численном уровне.

Таблица 4. Поправочный коэффициент на число труб в одной траншее - Ктр

Основание

Число труб в траншее

Расчет по программе МОДЭН

1,45

1,97

2,34

[5]

1,43

1,73

2,16

Таблица 5. Теплоотдача горизонтального грунтового теплообменника из 2-х труб при длине траншеи 100 м

Тгр, °С

lth, Вт/(м*°С)
при Тж=-10 °С

lth, Вт/(м*°С)
при Тж=-6 °С

lth, Вт/(м*°С)
при Тж=-2 °С

1,5

1839

2287

1307

1561

794

83 3

1951

2391

1428

1674

897

958

Пример. Рассчитать горизонтальный грунтовый теплообменник и подобрать тепловой насос для отопления здания расположенного в Минске. Расчетная нагрузка на систему отопления составляет 80 кВт, теплопроводность грунта равна 3 Вт/(м*°С).

Для Минска при работе системы отопления при наружной температуре ниже +8°С, значение числа часов максимума равно 2320 (рассчитано в программе МОДЭН), при этом коэффициент загрузки равен 0,264. Определяем требуемую мощность тепловых насосов по формуле (5)

Qтн=120*0,264*2=63,3кВт.

Для того, чтобы принять наиболее эффективный вариант установки, проведем ряд расчетов на различные значения числа труб в траншее (1, 2 и 4) и температуры антифриза (-10, -6 и -2°С). Покажем как проводится один из расчетов: одна труба в траншее и температура антифриза -10°С

Принимаем к установке тепловой насос фирмы CIAT марки LGN. Для таких теплонасосов по графику на рис. 3 выбираем СОР, который будет равен 2.35.Исходя из формулы (6) мощность грунтового теплообменника составит

Qгт= 63,3*(2,35-1)/2,35=36,36 кВт.

Как видно в таблице 5 нет данных по теплоотдаче в траншее с одиночной трубой. Поэтому берем аналогичную траншею, но с 2-мя трубами. Среднее значение отобранной теплоты со 100 м траншеи, за отопительный период равно 2391 Вт. На 100 м трубы теплосъем составит
2391/2=1196 Вт/100м

Если в траншее лежит не 2, а только одна труба, то теплосъем с учетом Ктр составит

1196*1,45=1730 Вт/100м

Общая длина труб и траншеи составит

Lтр= Lтран=36360*100/1730=2098 м

Результаты расчета заносим в таблицу 6.

Расход электрической энергии определяем по формуле

Nгод= Ny*2320*2

Анализ результатов расчета показывает, наиболее экономичным, по статье капитальных затрат, являются варианты с температурой антифриза равной -10°С. Это варианты с минимальным количеством труб и большим типоразмером теплового насоса. Такие проекты наиболее популярны в Центральной Европе, что связано с недостатком площадей. Несмотря на большие капитальные затраты, вариант с температурой антифриза раной -2°С имеет меньшие эксплуатационные затраты, что связано с меньшим типоразмером теплового насоса. Большее количество труб требует значительных площадей для их размещения. Такие проекты наиболее популярны в США и Канаде. Сказать о том, какой вариант имеет безоговорочные преимущества, не представляется возможным. Отклонения между затратами вполне укладываются в рамки точности проведения вычислительного эксперимента.

Сводная таблица результатов расчета к примеру

Таблица 6

Параметры

Размер
ность

1 труба в траншее

2 трубы в траншее

4 трубы в траншее

Температура антифриза

-10

-6

-2

-10

-6

-2

-10

-6

-2

Общая мощность котельной

кВт

120

Требуемая теплопроизводи-
тельность теплового насоса

кВт

63.30

Мощность пиковых электрокотлов

кВт

56.7

СОР

2.35

2.65

2.90

2.35

2.65

2.90

2.35

2.65

2.90

Мощность грунтового теплообменника

кВт

36.36

39.41

41.47

36.36

39.41

36.36

39.41

41.47

Отобранная теплота
на 100 м траншеи

кВт

1.73

1.20

0.65

2.39

1.66

0 .90

3.52

2.44

1.32

Длина траншеи

2097.74

3274.88

6355.93

1520.86

2374.29

4608.05

1033.14

1612.88

3130.29

Длина труб

2097.74

3274.88

6355.93

3041.73

4748.58

9216.09

4132.55

6451.52

12521.17

Марка теплонасоса

350z

300z

250z

350z

300z

2 50z

3 5 0z

30 0z

250z

Паспортная мощность ТН

125.00

107.00

90.00

125.00

107.00

90 .00

125 .00

107 .00

90.00

кВт

26.94

23.89

21.83

26.94

23.89

21.83

26.94

23.89

21.83

Стоимость ТН

18750.00

18190.00

17100.00

18750.00

18190.00

17100.0

18750.0

18190.0

17100.00

Стоимость труб

1048.87

1637.44

3177.96

1520.86

2374.29

4608.05

2066.28

3225.76

6260.59

Стоимость траншеи

559.4

873.3

1637.44

608.35

949.72

1843.22

619.88

967.73

1878.18

Стоимость пикового котла

1500

Прочие кап. затраты

8000

Итого капитальных затрат

29858

30200

3147.3

30379

31014

33051

31879

31014

33051

Экономия электрической энергии

кВт * час

14149

23703

14149

23703

14149

23703

Выводы

В статье рассмотрены основные факторы, влияющие на работу горизонтальных грунтовых теплообменников: теплопроводность грунта, взаимодействие труб в траншее и траншей между собой, температура антифриза в контуре теплообменников.

Представлены основные положения методики проектирования теплонасосных систем с горизонтальными грунтовыми теплообменниками. Методика составлена на основе компьютерных экспериментов, выполненных с помощью программы МОДЭН (версия 2.1).

Приведен пример подбора теплонасосной установки с применением полученных результатов.

Условные обозначения

СОР- коэффициент трансформации теплового насоса,

Сгр – теплоемкость грунта, Дж/(м 3*°С),

Dнар – наружный диаметр трубопровода грунтового теплообменника, м,

Kзагр - коэффициент загрузки теплового насоса,

Kтран – коэффициент, учитывающий расстояние между траншеями,

Kтр – коэффициент, учитывающий число труб в траншее,

Lтран – длина траншеи для размещения горизонтального грунтового теплообменника, м,

Lтр – длина трубопроводов горизонтального грунтового теплообменника, м,

N – электрическая мощность привода теплового насоса, Вт,

Тгр – температура грунта, °С,

Тж – средняя температура антифриза (теплоносителя, проходящего через испаритель),°С,

Qгод- суммарный годовой расход тепловой энергии, Дж,

Qmax- максимальная тепловая нагрузка, Вт,

Qh – теплопроизводительность теплового насоса, Вт,

Qc – холодопроизводительность теплового насоса, Вт,

Qтн – требуемая теплопроизводительность теплового насоса, Вт,

Qгт – тепловая мощность грунтового теплообменника, Вт,

tmax- число часов использования максимума тепловой нагрузки, с (час),

tгод - продолжительность года,

l -теплопроводность, Вт/(м*°С),

lth -теплопроводность талого грунта, Вт/(м*°С),

lf -теплопроводность мерзлого грунта, Вт/(м*°С),

lст – теплопроводность стенки трубы, Вт/(м*°С).

Литература

Sanner B . DESCRIPTION OF GROUND SOURCE TYPES FOR THE HEAT PUMP . -

Sanner B. Ground Heat Sources for Heat Pumps (classification, characteristics, advantages) -

ASHRAE Handbook. 1999 HVAC Application. Chapter 31. Energy resources.

СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты вечномерзлых грунтов.

Commercial Earth Energy Systems: a Buyers Guide. - Her Majesty the Queen in Right of Canada , 2002

Closed Loop Ground-Coupled Heat Pumps - HPC-IFS2, January 2002

Волов Г.Я., Кочепасов К.Л. Использование тепловых насосов в теплоснабжении и горячем водоснабжении. – Энергия и менеджмент, 2002, NN2 и 3.

Волов Г.Я. Внедрение имитационного моделирования в инженерную практику (программа МОДЭН, версия 2,0) – Энергия и менеджмент, 2001, NN 2, с. 30-33.

Вывоз мусора личной и утилизация отходов

Чубайс. Электростанция без будущего. Основные концептуальные положения энергосбережения на предприятиях черной металлургии. Цены на газ в ес-25. Компрессоры ceccato с обратной с.

Главная страница -> Технология утилизации

Экологически чистая мебель:

Сайт об утилизации отходов: