Библиографическое описание:

Узаков Г. Н. Снижение затрат энергии в теплохладоснабжении комбинированного сооружения «овощехранилище-гелиотеплица» с использованием тепловых насосов // Молодой ученый. — 2010. — №11. Т.1. — С. 73-78.

В статье рассмотрена задача экономии энергии оптимального термостатирования в комбинированной системе «овощехранилище-гелиотеплица». Определена энергетическая эффективность применения теплового насоса в системе теплохладоснабжения  «овощехранилище-гелиотеплица».

Энергосбережение в системах теплохладоснабжении является одним из направлений экономии энергии, так как энергетические затраты на отопление и кондиционирование составляют около 30 – 50 % стоимости эксплуатации зданий [1].

Строительство энергоэффективных зданий стало одним из главных направлений энергосбережения, достигаемого за счет целого ряда мероприятий: забор воздуха для вентиляции через подземный теплообменник, полная регенерация тепла уходящего вентиляционного воздуха, теплохладоснабжение с использованием тепловых насосов и пр. В результате энергопотребление таких зданий в четыре-шесть раз меньше, чем зданий обычной конструкции.

В овощехранилищах и гелиотеплицах требуется поддержание заданного поля потенциалов температур, влажности и концентрации воздушной среды. Для этого необходимо подводить к этой системе потоки вещества и энергии. Системы теплохладоснабжения овощехранилищ используются для поддержания заданного поля температуры и влажности воздуха, а в условиях жаркого климата – овощехранилище один из основных потребителей энергии [2].

Овощехранилища должна обеспечивать сохранность выращенной сельскохозяйственной продукции и круглогодичное обеспечение населения продуктами питания. Овощехранилище представляет собой специальных класс зданий по параметрам микроклимата и ниличию биологически активного сырья. Важнейшим требованием к хранению овощей и фруктов является температура воздуха в интервале 0 ¸ +10 °С, которая поддерживается на постоянном уровне за счет работы холодильных установок. Хранение при низких температурах обязательно даже при использовании новых способов хранения, таких как наличие регулируемой газовой среды, и является энергоемким процессом.

Поэтому, в целях повышение энергоэффективности здания, использование альтернативных источников энергии и энергосбережения в системах теплохладоснабжения, нами предложен комбинированный вариант «овощехранилище – гелиотеплица» с тепловым насосом (ТН) [3]. Использование холодильного цикла  ТН для одновременного производства тепла и холода эффективно, когда рядом имеется потребитель тепла и холода. Периоды холодильного хранения овощей в хранилище и эксплуатация гелиотеплиц удачно совпадают, так как один из них (гелиотеплица) является потребителем тепла, а другой требует холод (т.е. искусственное охлаждение).

Показатель «энергетическая эффективность здания» характеризуется величиной удельного расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания в холодный период года. Однако этот показатель для комбинированной системы «овощехранилище – гелиотеплица» следует понимать значительно шире, имея в виду установочную мощность отопления, затраты энергии на вентиляцию помещений и установочную мощность системы охлаждения в эксплуатационном периоде. Затраты энергии в системах теплохладоснабжении при использовании ТН зависят от их конструкции, формы цикла, коэффициента трансформации тепла (отопительный коэффициент) и потребляемой мощности N (кВт). Рассматривая комбинированное сооружение «овощехранилище – гелиотеплица» как единую энергетическую систему, все элементы которой – энергетически взаимосвязаны между собой, можно выявить основные резервы и факторы энергосбережения.

Один из факторов энергосбережения – термостатирование помещений в комбинированном энергосберегающем сооружении «овощехранилище – гелиотеплица». Задача оптимального термостатирования состоит в том, чтобы поддерживать заданные температуры только в части помещений при произвольных температурах в остальных помещениях, затрачивая при этом минимальное количество энергии. И состав термостатируемых помещений, и заданные значения температур могут изменяться от сезона и времени суток. Подобная задача возникает в плодоовощехранилищах и холодильниках при поддержании низкой температуры в холодильной камере за счет отбора тепла с использованием холодильного цикла.

В данной работе рассматривается задача оптимального термостатирования в энергоэффективной системе «овощехранилище – гелиотеплица», т.е. задача теплохладоснабжения (обогрев или охлаждение) помещений с использованием цикла теплового насоса.

Задача о минимуме суммарных затрат энергии при использовании тепловых насосов (задача кондиционирования) имеет следующий вид:

,                                                         (1)

где J–критерий оптимальности; N–общая мощность, затрачиваемая на привод тепловых насосов, Вт.

при условиях теплового баланса  для каждого помещения

                                      (2)

ограничения на тепловые потоки

i³0, i=1, ………., n                                                (3)

и условия, наложенных на температуры термостатируемых помещений

Ti=fix,             i=0, ……., m                                                 (4)

где Ti – температура i – й камеры (i=0,1,….., n), °С; Кij – коэффициенты теплопередачи между i – й и j – й камерами, которые зависят от температуры в этих камерах (Кij = Кji ³0), Вт/(м2×К); qij = Кij (Tj – Ti) – тепловой поток от i – й камеры к j – й, Вт; qi0 = Кi0 (T0 – Ti) – тепловой поток от окружающей среды с температурой Т0 к i – й камере, Вт; qi – тепло подаваемое (отбираемое) в i – ю камеру, Вт.

Положительным считается направление потока тепла к камере. Поставим задачи термостатирования таким образом. Пусть температуры в т камерах Т1, …., Тт фиксированы (т< п), как и температура окружающей среды Т0. Требуется, чтобы общая мощность, затрачиваемая на привод тепловых насосов, была минимальна. Общая расчетная схема, «овощехранилище-гелиотеплица» показана на рис. 1.

Рис.1. Общая расчетная схема «овощехранилище-гелиотеплица».

Отопительный коэффициент тепловых насосов определяется по формуле [4]:

                                                         (5)

Отопительный коэффициент (коэффициент трансформации тепла) j зависит от температур окружающей среды Т0, внутреннего воздуха камер Тi и от подаваемой мощности Ni.

Тогда условие (2) запишем:

                             (6)

где

Таким образом искомыми переменными в (1), (4) и (6) являются подводимые мощности Ni³0 и температуры промежуточных камер Тi (i=m+1, …, n). Если в уравнение (6) , то тепловой насос для i – й камеры работает в режиме отопления. Если , то тепловой насос работает в режиме охлаждения, причем температура в i – й камере Тi<T0.

Условие оптимальности задачи (1), (4) и (6) сформулируем через функции Лагранжа [5]:

                                    (7)

Для нахождения экстремума этой функции определим производные по переменным Ni и Тv:

                          (8)

                       (9)

При использовании обратимой оценки отопительного коэффициента задача упрощается и система (6), (8), (9) приводит к уравнению:

                                                 (10)

где отопительный коэффициент теплового насоса в режиме отопления, Ti>T0

В этом случае Ti– температура высокопотенциальной среды, К; T0 – температура низкопотенциальной среды (окружающей среды) К. Коэффициент преобразования ТН в режиме охлаждения (Ti<T0) равен:

                                                   (11)

где Тк – температура конденсация пара хладоагента; Тi – температура воздуха в i – й камере, К.

Таким образом, учитывая значение ji можно найти количество расходуемой энергии на привод тепловых насосов в i-ой камере

                                                      (12)

На основе приведенных выражений оптимизации рассмотрим комбинированное сооружение «овощехранилище-гелиотеплица», план которого и соответствующая ему расчетная схема приведены на рис. 2.

Рис.2. План и расчетная схема «овощехранилище-гелиотеплица».

Температуры Т0 и Т1, равны соответственно, 283 К и 273 К. Коэффициенты теплопередачи между помещениями К12 = К21 = 0,3 Вт/м2×К и окружающей средой К10 = 0,4 Вт/м2×К, К20 = 0,47 Вт/м2×К [8].

Находим температуру Т2 во втором помещение и мощности N1 затрачиваемой на привод теплового насоса. Задачу (1), (4), (6) о минимуме затрат энергии на привод теплового насоса запишем в следующем виде:

J = N1 ®min;                                                            (13)

                                    (14)

                                    (15)

                                                   (16)

Т2 = 291,48 К (t2 = 18,33 °С)

Нами исследован тепловой баланс холодильной камеры ХК – 180 размером 6000´10000 мм при охлаждение яблок [6]. Средняя температура воздуха в камере за цикл охлаждения tс = +0 °С. Яблоки поступающие с температурой t1 = 25°С ох­лаждаются перед хранением до температуры t2 = 6°С.

Строительная площадь пола камеры Fстр = Lк × Bк,                                                                   (17)

где Lк — длина камеры, м (Lк = 10 м); Вк — ширина камеры, м (Вк = 6 м), емкость камеры G = Fстр×gF = 60 × 400 = 24000 кг = 24,0 т.

Для определение тепловой нагрузки ТН на основе полученных расчетных и экспериментальных данных [6] определены теплопритоки в камеру хранения по месяцам (рис.3).

Рис.3. График изменений теплопритоков в период хранения в холодильной камере.

1 – суммарные теплопритоки с учетом изменения теплоты дыхания; 2 – теплопритоки через ограждения камеры; 3 – теплоприток от охлаждаемых продуктов с учетом теплоты дыхания.

Как видно из рисунка, тепловыделения процесса хранения зимних сортов яблок составляет 51 – 82 % от суммы всех теплопритоков в холодильную камеру и изменяются 2,5 – 3,0 раза.

Энергетическая эффективность применения теплового насоса для теплохладоснабжения оценивается экономией первичной энергией [7]. Определим экономию топлива при использовании теплонаносной установки для отопления гелиотеплицы. Средняя тепловая нагрузка на ТН в период хранения продуктов Qв=15 кВт, коэффициент трансформации тепла ТН j =3,0: КПД электросетей hс=0,95: КПД автономной котельной hк=0,8.

Мощность, потребляемая электродвигателем компрессора теплонасосной установки.

Потребляемая мощность с учетом потерь в электросетях

Расход топлива на ТЭС для выработки электроэнергии для привода компрессора теплонасосной установки

кг у.т./мес; где у.т./(кВт×ч) – удельный расход условного топлива на 1 кВт×ч электроэнергии, вырабатываемой на тепловых электрических станций (ТЭС). 

Расход топлива в котельной на выработку 15 кВт тепла:

где  = 29310 кДж/кг – теплота сгорания условного топлива.

Таким образом, экономия условного топлива за счет применения теплового насоса в месяц составляет:

При этом удельная экономия условного топлива (на единицу отпущенного тепла) равна

Расчет произведен при различных значениях тепловой нагрузки ТН и результаты приведены в таблице 1.    

Таблица – 1. Расчет экономии энергии при использовании ТН для теплохладоснабжения «овощехранилище-гелиотеплица»

Тепловая нагрузка на ТН Q, кВт

Потребляемая мощность ТН

N, кВт

Расход условного топлива на выработку электроэнергии  для привода ТН Вт, кг/мес

Расход условного топлива в котельной, Вk, кг/мес

Экономия условного топлива, DВ кг/мес

Удельная экономия условного топлива, Db кг/ГДж

10

3,51

884,2

1105,42

221,2

8,52

15

5,263

1326,24

1658,13

331,89

8,53

20

7,01

1768,42

2210,8

442,43

8,54

25

8,78

2210,53

2763,56

553,03

8,534

30

10,53

2652,63

3316,26

663,63

8,53

Таким образом, исходя из критерия расхода первичной энергии, применять тепловой насос для теплохладоснабжения комбинированного сооружения энергетически выгоднее по сравнению с традиционной котельной. Кроме выше изложенного, система теплохладоснабжения с тепловыми насосами имеет следующие преимущества: отсутствуют сажа, пыль, запас всех видов топлива, зола и шлак, обеспечивается полная пожаробезопасность, отпадает необходимость транспортировки и хранения топлива, и соответственно эксплуатационные затраты на эти цели.

 

Литература:

  1. W. Feist. Passivhaus – ein neuev standard mit hohem entwicklung spotential // Enevgie Effizientes Bauen, 2000 № 1.
  2. Г.Н. Узаков. Исследование тепломассообменных процессов и теплохладоснабжения в плодоовощехранилищах. Краснодар, 2006. 152 с.
  3. А.Б. Вардияшвили, Г.Н. Узаков. Комбинированное использование солнечной энергии и вторичных энергоресурсов в теплицах-овощехранилищах. //Каталог инновационных идей и проектов I – Республиканской ярмарки. Ташкент, 2008.  с. 144.
  4. А.Б. Мартынов. Установки для трансформации тепла и охлаждения: Учеб пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 200 с.
  5. В.В. Оносовский. Моделирование и оптимизация холодильных установок. Л.: ЛГУ, 1990. 208 с.
  6. С.М. Хужакулов, Г.Н. Узаков, А.Б. Вардияшвили. Теплотехнический расчет углубленного плодоовощехранилища с регулируемой газовой средой. // Молодой ученый.  Чита, Россия.: 2010.  №8. с. 140-145.
  7. Г.Н. Узаков, С.М. Хужакулов, И.Н. Кадыров. Расчет энергетической эффективности применения теплового насоса в системах теплоснабжения. //Вестник ТашГТУ.  Ташкент, 2009.  №1-2,  с. 51-53.
  8. Л.И. Архипов и другие. Расчет тепломассообмена в промышленных установках, системах и сооружениях.  М.: МЭИ, 2001. 52 с.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle