The system of hot water for social objects based

УДК
СИСТЕМА ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ СОЦИАЛЬНОГО
ОБЪЕКТА НА ОСНОВЕ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
©Баклин А.А., Пензенский государственный технологический
университет (г. Пенза, Россия)
©Голощапов В.М., Пензенский государственный технологический университет (г. Пенза, Россия)
© Рябихин С.П., Пензенский государственный технологический
университет (г. Пенза, Россия)
©Мальцев Е.Л., ООО «Пенза-Тепло» (г. Пенза, Россия)
©Асанина Д.А., Пензенский государственный технологический
университет (г. Пенза, Россия)
©Силаков В. Р., Пензенский государственный технологический
университет (г. Пенза, Россия)
THE SYSTEM OF HOT WATER FOR SOCIAL OBJECTS BASED
ON INNOVATIVE TECHNOLOGIES
©Baklin A. A., Penza State Technological University (Penza, Russia)
©Goloschapov V.M., Penza State Technological University (Penza, Russia)
© Ryabikhin S.P., Penza State Technological University (Penza, Russia)
©Maltsev E.L., ООО «Penza -Теplо» (Penza, Russia)
©Asanina D.A., Penza State Technological University (Penza, Russia)
©Silakov V.R., Penza State Technological University (Penza, Russia)
В статье рассматривается опыт эксплуатации системы горячего водоснабжения для
двух социальных объектов. Система состоит из солнечных коллекторов, теплового насоса,
солнечных батарей, приборов и устройств автоматизации. Рассмотрены конкретные примеры
применения солнечных коллекторов, разработанные в Пензенском государственном технологическом университете и, защищенные двумя патентами РФ и внедренные в производство.
Ключевые слова: горячее водоснабжение, возобновляемые источники энергии, солнечная энергия, тепловой насос, солнечный коллектор, тепловой контроллер, энергосбережение, энергоэффективность, экология.
This article discusses two social facilities operating experience hot water system, consisting
of a system of solar collectors, heat pump, solar panels, instrumentation and automation devices.
The concrete examples of the use of solar collectors developed in Penza State University of Tec hnology and protected by two patents of the Russian Federation and introduced into production.
Key words: hot water, renewable energy, solar energy, heat pump, solar collector, heat co ntroller, energy saving, energy efficiency, ecology.
В развитых странах мира все большее внимание уделяется переходу на
низкоуглеродную экономику, под которой понимается современный подход к
социально-экономическим и технологическим системам, имеющим главной целью создание экологически чистых технологий, но без снижения темпов социально-экономического развития любой отрасли промышленности. Практически
это современное перспективное инновационное направление на основе новых
технологий использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), приводящих к энергоэффективности и ресурсосбережению, и направленных на координацию решения широкого класса задач по охране среды обитания, снижения
выбросов парниковых газов, в частности СО2, SO2, NO2.
Известно, что применение ВИЭ основано на использовании и преобразовании, например, энергии Солнца, ветра, тепла Земли, энергии воды в энергию,
пригодную для потребительских нужд [1,2].
Ниже приведены примеры практического решения задачи выработки экологически чистой тепловой энергии на основе ВИЭ на двух социальных объектах.
В качестве первого объекта была выбрана студенческая столовая Пензенского государственного технологического университета (ПензГТУ), получение
горячей воды в которой осуществлялась двумя электрическими бойлерами с
емкостью по 150 литров. Схема системы ГВС столовой ПензГТУ на основе
ВИЭ показана на рис. 1.
Система включает в себя шесть СК марки «ИНТЭН» [4] различной модификации (рис. 2); тепловой насос-моноблок типа «воздух – вода» с воздухозаборником тепла из системы вентиляции пищевого блока столовой и накопительным баком на 300 л; солнечные батареи мощностью до 1кВт; сетевой инвертор; счетчик электрической энергии; двунаправленную насосную станцию с
расходомером; трубопроводы для подачи холодной воды в тепловой насос;
трубопроводы для подачи горячей воды; датчик температуры теплоносителя Т0
на входе в СК; датчик температуры Т1 на выходе из СК; датчик температуры Т2
горячей воды подаваемой потребителю из теплового насоса (ТН); электронный
контроллер с сетевым интерфейсом.
Работа системы заключается в следующем. Горячий воздух от кухонных
электроплит улавливается воздухозаборником ТН и направляется в низкотемпературный первичный испаритель, где происходит его фазовое превращение,
сжатие, снова фазовое превращение во втором высокотемпературном испарителе (цикл Карно) и передача тепла через теплообменник в систему ГВС столовой. Одновременно получающийся в ТН холодный воздух по вентиляционным
трубам направляется или для охлаждения варочного цеха (летом) или удаляется
наружу.
Температура горячей воды на выходе ТН в нормальном режиме работы
имеет значения не более 60оС. ТН, имея коэффициент эффективности для таких
условий 3,5 и потребляя мощность 1,2 кВт электрической энергии, на выходе
получает 4,2 кВт тепловой энергии. По сути 3 кВт тепловой энергии получается
бесплатно (из окружающего воздуха). Сравнительные данные по расходу электроэнергии и получаемой экономии приведены в табл.1.
В целях дальнейшей экономии электроэнергии в схему были введены
солнечные фотоэлектрические модули (батареи), которые обеспечивают работу
компрессора ТН за счет преобразования энергии Солнца в электрическую энергию[3].
Рисунок 1 – Схема горячего водоснабжения столовой ПензГТУ
на основе ВИЭ
Рисунок 2 – Солнечные коллекторы и солнечные батареи
в составе инновационной системы ГВС столовой ПензГТУ
В период с марта по ноябрь большая часть нагрузки по приготовлению
горячей воды приходится на СК марки «ИНТЭН-1». Теплоноситель, находящийся в них, нагревает через теплообменник бака ТН холодную воду, которая
затем направляется в сеть ГВС. Сравнительные данные по расходу электроэнергии и экономии электроэнергии приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Сравнительные данные по расходу электроэнергии
Системы ГВС
Традиционная
Новая
Новая с солнечными
батареями
Месячный расход
воды, л
28800
28800
Параметры
Месячный расход
электроэнергии, кВт*ч
1776
507
28800
200
Экономия, кВт*ч
1269
1576
Коллекторы работают в режиме активной циркуляции теплоносителя, для
чего в схеме предусмотрена насосная станция (рис.1). Эффективная мощность
СК «ИНТЭН-1» составляет от 0,8 до 1,5 кВт. Температура горячей воды на выходе СК находится в пределах от 40 до 80оС.
Для обеспечения работы всех компонентов системы в автоматическом
режиме в схеме предусмотрена система электронного контроля и управления
всеми процессами. При этом контролируемая информация сохраняется на карте
памяти контроллера (рис.1) и затем передается в локальную сеть университета
и в интернет. Такой подход позволяет контролировать в режиме онлайн работу
системы ГВС столовой университета, анализировать работу СК в разные периоды эксплуатации, время работы ТН, расход электроэнергии и горячей воды.
Обработка полученного банка данных по температурам нагрева и расходным параметрам позволяет построить аппроксимирующие кривые изменения
температуры То, Т1, Т2 и их модели регрессии с коэффициентами детерминации.
Рассматриваемый временной интервал разделен на два: «утро» - время с
5:00 до 10:59; «день» - время с 11:00 до 15:00, что соответствует режиму работы
столовой. Для каждого графика изменения температур То, Т1, Т2 построена аппроксимирующая кривая, каждая из которых описывается двумя математическими моделями – для участка времени «утро» и участка времени «день» соот-
ветственно. Полученные коэффициенты детерминации R2 указывают на сильную связь зависимой переменной (у - температуры) от независимой переменной
(t – времени). Графики изменения температур То, Т1, Т2 и их модели регрессии с
коэффициентами детерминации приведены на рисунке 3.
Рисунок 3 - Графики изменения температур Т0, Т1, Т2, в зависимости
от времени (расшифровка по оси абсцисс: 6032014050006 – 6.03.2014г.
05:00:06)
В качестве второго объекта была выбрана центральная районная больница (ЦРБ) села Бессоновка Пензенской области, получение горячей воды в которой осуществлялась двумя электрическими бойлерами с емкостью по 500 литров и среднесуточным расходом воды 4000 л.
Реализация этого проекта была осуществлена в два этапа. На первом этапе на ЦРБ были установлена автоматизированная солнечная водонагревательная установка на основе шести опытных образцов СК марки «ИНТЭН» и система управления. При этом она были включена в схему нагрева воды одного
электрического бойлера. Второй бойлер работал в штатном режиме и вода в
нем подогревалась ТЭНом,
В качестве примера приведем расчет величины экономии электроэнергии
в ЦРБ с. Бессоновка, которая определялась опытным путем в течение трех летних месяцев для рассмотренных выше двух схем.
Снижение ошибки измерений обеспечивалось:
– за счет создания одинаковых условий функционирования для обоих
бойлеров;
– за счет использования одинаковых аттестованных приборов.
Показания счетчиков воды и электроэнергии за период 5.06 – 5.09.2012 г.
указаны в табл.2.
Таблица 2 – Сравнительные данные по расходам воды и электроэнергии
Дата
5.06.2012
5.07.2012
5.08.2012
5.09.2012
Показания по схеме с солнечным
коллектором
Показания по схеме без солнечного
коллектора
Вода, м3 /ч
Эл. энер, кВт/ч
Вода, м3 /ч
Эл. энер, кВт/ч
1171
1255
1339
11434
53866
57718
61582
65997
301
332
368
392
18727
20651
22232
24404
Расчет:
1 Среднемесячный расход воды:
- по схеме с СК:
(1171  1255)  (1255  1339)  (1434  1339)
 87,7 м 3
3
- по схеме без СК:
(332  301)  (368  332)  (392  368)
 30,3 м 3
3
2 Среднемесячный расход электроэнергии:
- по схеме с СК:
(57718  53866)  (61582  57718)  (65997  61582)
 4043,7кВт
3
- по схеме без СК:
(20651 18727)  (22232  20651)  (24404  22232)
 1892кВт
3
3 Средний удельный расход электроэнергии за 1 месяц:
- по схеме с СК:
Эуд = 4043,7/87,7 = 46,1 кВт* ч/м3.
- по схеме без СК:
Эуд = 1892,3/30,3 = 62,5 кВт* ч/м3.
4 Экономия электроэнергии по удельным расходам составит:
Эуд = 62,5 - 46,1 = 16,4 кВт*ч/м3.
При расходе воды за август около 95 м 3 экономия электроэнергии в натуральном выражении составила:
Эк = 95х16,4 = 1558кВт*ч.
При существующих тарифах на электроэнергию в г. Пензе экономия за
август по стоимости составила:
Эк = 1558х3,80 = 5920,4 руб.
За 7 месяцев без отопительного периода экономия составит 41442,8 руб.
Проведенные исследования выявили недостатки опытной конструкции,
так ГВС ЦРБ только от СК объективно не обеспечивает эффективную работу
системы круглосуточно и круглогодично.
В тоже время проведенные исследования послужили основанием для
серьезного усовершенствования системы и полной реализации инновационного
проекта. В настоящее время схема системы ГВС ЦРБ на основе ВИЭ показана
на рис. 4.
Система включает в себя 24 СК марки «ИНТЭН - 1» (рис. 4); ТН типа
«воздух – вода» с воздухозаборником, многофункциональным баком на 500 л;
дополнительную емкость на 500 л; счетчик электрической энергии; двунаправленную насосную станцию с расходомером; трубопроводы для подачи холодной воды в ТН; трубопроводы для подачи горячей воды; датчик температуры
теплоносителя Т0 на входе в СК; датчик температуры Т1 на выходе из СК; дат-
чик температуры Т2 горячей воды подаваемой потребителю из ТН; электронный контроллер с накопителем информации на карте памяти.
Рисунок 4 - Схема горячего водоснабжения центральной районной
больницы с. Бессоновка на основе ВИЭ
Работа системы аналогична работе, рассмотренной для столовой университета. Отличия заключаются в следующем. Так как на данном объекте применен ТН, состоящий из двух составных частей, одна из которых размещается на
стене здания, вторая – внутри помещения, то и его работа зависит от температуры окружающего воздуха. Данная модель насоса AVH24V1 работает до температуры минус 25оС, с коэффициентом эффективности от 2,8 до 4,75. При морозах ниже минус 25оС предусмотрен автоматический переход на подогрев воды при помощи электрических ТЭНов.
В период с марта по ноябрь, также как и в предыдущем случае, большая
часть нагрузки по приготовлению горячей воды приходится на СК марки «ИНТЭН-1» (рис.4). Температура горячей воды на выходе СК определяется погодными условиями.
Для обеспечения работы всех компонентов системы в автоматическом
режиме, в том числе и ТЭНов, в схеме также предусмотрена система автоматического управления всеми процессами (рис.4).
Смонтированная система ГВС в рассмотренной комплектации (рис. 4)
полностью, круглосуточно и круглогодично обеспечивает горячей водой ЦРБ с.
Бессоновка.
Следует отметить, что конструкция СК марки «ИНТЭН» была разработана в ПензГТУ, на нее получен патент РФ [4] и с 2012 года они серийно производятся на машиностроительном предприятии Пензенской области. При этом
производится их постоянная модернизация для повышения эффективности работы.
Таким образом, использование системы горячего водоснабжения, состоящей из СК, ТН и солнечных батарей, позволило снять проблему сезонности
работы СК и обеспечить высокую энергоэффективность и надежность работы.
Список использованной литературы:
1.
Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. – М., Энер-
гоатомиздат, 1991.
2.
ВСН-52-86 Ведомственные строительные нормы. Установки сол-
нечного горячего водоснабжения. Нормы проектирования., Госгражданстрой,
Москва, 1988.
3.
Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический экспери-
мент. Справочник. Под ред. А.В. Клименко. В.М. Зорина. Издательство: МЭИ.,
Москва, 2001.
4.
Патент RU 96637 U1 «Солнечный коллектор» от 10.08.2010.