Снижение затрат энергии в теплохладоснабжении комбинированного сооружения «овощехранилище-гелиотеплица» с использованием тепловых насосов

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

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

где T_i – температура i – й камеры (i=0,1,….., n), °С; К_ij – коэффициенты теплопередачи между i – й и j – й камерами, которые зависят от температуры в этих камерах (К_ij = К_ji ³0), Вт/(м²×К); q_ij = К_ij (T_j – T_i) – тепловой поток от i – й камеры к j – й, Вт; q_i0 = К_i0 (T₀ – T_i) – тепловой поток от окружающей среды с температурой Т₀ к i – й камере, Вт; q_i – 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, …., Т_т 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 Т_i и от подаваемой мощности N_i.

Тогда условие (2) запишем:

                             (6)

где

Таким образом искомыми переменными в (1), (4) и (6) являются подводимые мощности N_i³0 и температуры промежуточных камер Т_i (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 Т_i<T₀.

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

                                    (7)

Для нахождения экстремума этой функции определим производные по переменным N_i и Т_v:

                          (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, T_i>T₀

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

                                                   (11)

где Т_к – температура конденсация пара хладоагента; Т_i – температура воздуха в i – й камере, К.

Таким образом, учитывая значение j_i 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 t_с = +0 °С. Яблоки поступающие с температурой t₁ = 25°С ох­лаждаются перед хранением до температуры t₂ = 6°С.

Строительная площадь пола камеры F_стр = L_к × B_к,                                                                   (17)

где L_к — длина камеры, м (L_к = 10 м); В_к — ширина камеры, м (В_к = 6 м), емкость камеры G = F_стр×g_F = 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 Q_в=15 кВт, коэффициент трансформации тепла ТН j =3,0: КПД электросетей h_с=0,95: КПД автономной котельной h_к=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»

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.