Показатели для количественной оценки энергетической эффективности отдельных элементов системы централизованного теплоснабжения



оказывает количество дней с гололедной нагрузкой за декаду. Менее значительное влияние в течение теплого и холодного периодов года оказывает средняя де кадная скорость ветра, причем влияние ветра усиливается при снижении средней декадной температуры. Отдельного влияния количества осадков за декаду в течение года, практически не наблюдается, однако совместное влияние осадков с другими погодными факторами оказывает незначительное воздействие на возникновение замыканий на землю.

Для автоматической обработки большого количе ства данных при прогнозировании однофазных замы каний на землю , разработано программное обеспече ние SIZAM – синоптик замыканий , рабочее окно про граммы представлено на рисунке 2.

Рисунок 2 – Рабочее окно программы SIZAM

Таким образом , предложенный метод прогнози рования однофазных замыканий на землю в распреде лительных сетях 10 кВ позволит энергетическим предприятиям ( на основании имеющихся у них дан ных по разным категориям линий , а также на основа нии поступающих сводок прогноза погоды ) своевре менно осуществлять ремонтно - восстановительные работы на наиболее уязвимых линиях , что позволит предотвратить массовое возникновение замыканий на землю , а следовательно повысит безопасность рас пределительной сети .

Литература

• 1.    Арцишевский , Я . Л . Определение мест повреж дения линий электропередачи в сетях с изолирован ной нейтралью : Учеб . пособие для ПТУ / Я . Л . Арци - шевский - М .: Высш . шк ., 1989. - 87 с .

• 2.    Гмурман , В . Е . Теория вероятностей и математи ческая статистика : Учеб . пособие для вузов / В . Е Гмурман . - М .: Высш . шк ., 2003. - 479 с .

• 3.    ГОСТ 16350-80. Климат ССР . Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей . - М .: Издательство стандар тов , 1986. - 140 с .

УДК 697.34

П ОКАЗАТЕЛИ ДЛЯ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТДЕЛЬНЫ Х ЭЛЕМ ЕНТОВ СИСТЕМ Ы ЦЕНТРАЛИЗОВАН НОГО ТЕПЛОСНАБЖ ЕНИЯ

• В.П. Горшенин , к.т.н. (ФГОУВПО Орел ГАУ)

Повышение энергетической эффективности от дельных элементов системы централизованного теп лоснабжения ( котлов , тепловой сети , теплообменни ков , систем водяного отопления , зданий ) направлено на снижение потребления и потерь ими энергетиче ских ресурсов : топлива , тепловой и электрической энергии .

В рамках проводимых исследований система теп лоснабжения рассматривается в виде системы , со стоящей из двух основных циркуляционных колец и совокупности сопутствующих колец .

Порядковый номер основных колец возрастает от источника теплоты к потребителю . Первое циркуля ционное кольцо (k=1), представляет собой совокуп ность газоходов котла ( его газовый тракт ) и замыка ется на окружающую среду ; оно обеспечивает нагрев продуктами сгорания теплоносителя ( воды ) при его движении по трубам водяного тракта котла .

Второе кольцо (k=2) включает в себя водяной тракт котла , трубопроводы тепловой сети и замыкает ся или на один из каналов наиболее удаленного теп лообменника или на контур наиболее удаленной сис темы отопления , подключенной по зависимой схеме . Отмеченное кольцо представляет собой расчетный контур тепловой сети .

К сопутствующим кольцам относятся кольца 3 (k=3). Эти кольца включают в себя главный стояк , магистрали систем отопления и их последний стояк и начинаются они с канала теплообменника . Кольца 3 представляют собой расчетный контур систем ото пления , подсоединенных к тепловой сети по незави симой схеме ( через теплообменник ).

Кроме того , в рамках кольца 2 выделяются про межуточные ( рядовые ) кольца 2^*, в которых замы кающими элементами (k=3^*, 4) являются , соответст венно , зависимо подсоединенные системы отопления и теплообменники , предшествующие замыкающему элементу кольца 2. В кольцах 2 и 2^* их начальные участки до замыкающих элементов 3^* и 4 являются общими .

Энергетическая эффективность теплообменного оборудования ( котлов и теплообменников , систем отопления ) характеризуется полнотой использования в нем подведенной теплоты . Чем меньше конечное значение t_{2 г k} температуры греющего теплоносителя при заданном ее начальном значении t_{1 г k}, т . е . чем больше перепад его температуры Δ t _{г k} при заданном значении его расхода G_k, тем больше значение тепло вого потока , переданного от греющего теплоносителя к нагреваемому , тем выше энергетическая эффектив ность теплообменного оборудования .

Оценка энергетической эффективности котлов (k=1), как известно , осуществляется с использованием коэффициента полезного действия ( КПД ) [1]:

η к = Q ис 1 /Q рп 1 ,                  (1)

где Q ис 1 – тепловой поток , затраченный на нагрев во ды в котле ( полезно использованный ), Вт ; Q ис 1 =Q 2 , т . к . поверхности нагрева котла являются начальным участком циркуляционного кольца 2; Q рп 1 – тепловой поток , выделившийся при сгорании топлива в топке котла ( располагаемый тепловой поток топлива ), Вт .

Энергетическая эффективность процесса транс портирования теплоносителя по тепловой сети растет с уменьшением потерь тепловой энергии в ее тепло проводах . При этом тепловая энергия в теплопрово дах теряется путем теплопередачи через их стенку и с утечками теплоносителя . В результате потери тепло ты уменьшается температура теплоносителя при его движении по теплопроводам .

Для оценки энергетической эффективности про цесса транспортирования теплоносителя может найти применение коэффициент эффективного функциони рования тепловой сети ( КЭФ ):

η тс = Q п /Q рп 2 ,                 (2)

где Q _п – тепловой поток , подводимый к инженерным системам зданий ( потребляемый ), Вт ;

определяется по известной формуле :

Q п =cG п (t г -t o );

с – теплоемкость теплоносителя ( горячей воды ), Дж /( кг ^оС ); G п – расход теплоносителя , подводимого к инженерным системам ( индивидуальным тепловым пунктам ) зданий , кг / с ;

G п =G 2 -G с ;

G₂ – расход теплоносителя , поступающего из котель ной в подающую магистраль тепловой сети , кг / с ; G₂=G _п +G _с ; G _с – количество теплоносителя , теряемого в тепловой сети ( утечки теплоносителя ), кг / с ; t _г , t_o – значения температуры теплоносителя , соответствен но , на входе и на выходе из индивидуальных тепло вых пунктов зданий , ^оС ;

t г =t г ^*- Δ t г , t o =t o ^*+ Δ t o ;

t г ^*, t о ^*- значения температуры теплоносителя , соответ ственно , на входе в подающую магистраль и на выхо де из обратной магистрали тепловой сети , ^оС ; Δ t г , Δ t o – перепады температуры теплоносителя , соответст венно , в подающей и обратной магистралях , ^оС ; Q _{рп 2} – тепловой поток , отпущенный котельной в тепловую сеть ( располагаемый ), Вт ;

Q рп 2 =Q ис 1 =Q 2 ; Q ис 1 – тоже , что и в выражении (1); ве личина Q₂ определяется по известной формуле :

Q 2 =cG 2 (t г ^*-t о ^*).

Раскрыв , образующие выражение (2), величины через их формулы и произведя преобразования , окон чательно имеем :

η тс = (1 - (G с /G 2 ))(1 - (( Δ t г + Δ t o )/(t г ^*-t o ^*)))=

=(1 - β 0 у )(1 - β 0 т )                     (3)

где β _{0 у} – доля теплоносителя , теряемого в тепловой сети ; по определению β _{0 у} =G _с /G₂; β _{0 т} – доля теплоты , теряемой тепловой сетью путем теплопередачи ; по определению β _{0 т} =( Δ t _г + Δ t_o)/(t _г ^*-t_o^*);

КЭФ тепловой сети показывает какая часть тепловой энергии , отпущенной котельной , поступает в инже нерные системы потребителей .

Соответственно , доля тепловой энергии , теряемой в тепловой сети , составляет :

β тс =(Q рп 2 -Q п )/Q рп 2 =1- η тс = β 0 у + β 0 т - β 0 у β 0 т .     (4)

Оценку энергетической эффективности теплообменников и систем водяного отопления представляет- ся возможным проводить с помощью коэффициента полезного использования тепловой энергии (КПИ):

η то = Q ис k /Q пд k ,                    (5)

где k=4, 3, 3^*; индекс k – номер циркуляционного кольца , по которому перемещается греющий теплоно ситель в рассматриваемом элементе ; Q _{ис k} – тепловой поток , воспринятый нагреваемым теплоносителем ( полезно использованный ), Вт ; Q _{ис k}=Q _{г k} η ; Q _{г k} – тепло вой поток , отданный греющим теплоносителем , Вт ; Q г k = Q пд k -Q ов k ; Q пд k , Q ов k – тепловые потоки , соответ ственно , подведенный и отведенный , Вт ; определяют ся с использованием известной формулы :

Q пд k = cG k (t 1 г k -t sk ); Q ов k = cG k (t 2 г k -t sk );

с – тоже , что и в выражении (2); G k – расход теплоно сителя , циркулирующий через теплообменник ( сис тему водяного отопления ), кг / с ; t 1 г k , t 2 г k – соответст венно , начальные и конечные значения температур греющих теплоносителей , циркулирующих через теп лообменники ( системы водяного отопления ), ^оС ; t_sk – значение температуры , принимаемой за « ноль отсче та »; применительно к теплообменнику с движением теплоносителя по схеме « прямоток » t_sk – это конечное значение температуры нагреваемого ( холодного ) теп лоносителя (t sk =t 2 х k ); применительно к теплообменни ку с движением теплоносителя по схеме « противо ток » t sk – это начальное значение температуры нагре ваемого ( холодного ) теплоносителя (t sk =t 1 х k ); приме нительно к системе водяного отопления t sk – это зна чение температуры внутреннего воздуха в помещени ях здания (t sk =t в ); η - коэффициент , учитывающий теплопотери теплообменного аппарата в окружаю щую среду [2]; применительно к системе водяного отопления η =1.

Раскрыв , образующие выражение (5), величины через их формулы и произведя преобразования , окон чательно имеем :

η_то =(1 - ((t_{2 г k}-t_sk) / (t_{1 г k}-t_sk))) η .           (6)

Учитывая известное уравнение теплового баланса котла :

ВQррηк = В(I1г-Iух)η* = cG2(tг*-tо*), формула (6) применительно к котлу принимает вид: ηк=(1 - ((Iух-Iв) / (I1г-Iв))) η*,           (7)

где В – расход сжигаемого топлива , кг / с ( м ³/c);

Q _р ^р – располагаемая теплота топлива , Дж / кг ( Дж / м ³); в большинстве случаев : Q _р^р≈ Q _н ^р ; Q _н ^р – низшая теплота сгорания топлива ; η_к - тоже , что и по выражению (1); I_{1 г} , I _ух , I _в – энтальпия , соответственно , продуктов сго рания в факеле , уходящих продуктов сгорания и на ружного воздуха , Дж / кг ; η ^* - коэффициент , учиты вающий теплопотери котла ;

η ^*=1 – (q 3 +q 4 +q 5 +q 6 );

q 3 , q 4 , q 5 , q 6 – доли потерь теплоты , соответственно , с химическим и механическим недожогами , от наруж ного охлаждения корпуса котла , с удаляемыми шла ками [1]; c, G₂, t _г ^*, t _о ^* - тоже , что и в выражении (2).

Оценка энергетической эффективности зданий и сооружений, как потребителей тепловой энергии, осуществляется с использованием такого известного показателя как удельный годовой расход теплоты на отопление (qо, (Вт ч)/(м3 год)) и проводится в рамках сравнительного анализа. Абсолютного показателя в этом случае не может быть, т.к. здания не являются энергетическими установками, которые предназначены для получения или трансформации энергии. Соот- ветственно, какое количество теплоты поступило во внутренний объем здания, такое же количество ее и теряется.

Значение величины q _о при заданных климатиче ских условиях зависит от уровня теплозащиты здания и нормативного значения интенсивности воздухооб мена .

Энергетическая эффективность использования тепловой энергии в отдельном здании оценивается по значению дополнительного расхода тепловой энер гии , затрачиваемой на перегрев в нем внутреннего воздуха . Под перегревом внутреннего воздуха в зда нии понимается превышение значения его температу ры сверх нормативного значения .

Возникновение перегревов внутреннего воздуха в зданиях связано с низким уровнем автоматизации систем теплоснабжения в целом и , в частности , инже нерных систем зданий . В этих условиях распределе ние теплоносителя по отдельным циркуляционным кольцам не соответствует расчетному и наблюдается рассогласование режимов отпуска и потребления теп лоты .

В результате отклонения гидравлического режима системы теплоснабжения от расчетного в системы отопления близко расположенных зданий затекает большее количество теплоносителя , чем в системы отопления более удаленных зданий .

Рассогласование режимов отпуска и потребления теплоты , наблюдающееся , как правило , в зимние сол нечные дни и в весенний период отопительного сезо на , проявляется в том , что в системы отопления зда ний поступает теплоноситель с завышенным значени ем температуры .

Для оценки эффективности использования тепло ты в отдельном здании принимается такой показатель как коэффициент эффективного использования тепло ты в здании η_зд ( КИТ ).

КИТ показывает во сколько раз текущее значение теплового потока , подаваемого в здание , превышает его расчетное значение .

Соответственно , имеем :

η зд =Q о /Q о ^*=(1- β и ) / (1- β t ),           (8)

где Q о , Q о ^* – значения теплового потока , подаваемого системой отопления в объем здания , соответственно , расчетное и текущее ( завышенное ), кВт ;

Q о =cG р (t 1 г -t 2 г ); Q о ^*=cG s (t 1 г -t 2 г ^*);

G s =G р +G и ; G р =G s -G и ;

G_s, G _р , G _и – расход теплоносителя , соответственно , текущий ( общий ), расчетный и избыточный , кг /c;

t_{1 г} , t_{2 г} – тоже , что и в выражении (5);

t 2 г =t 2 г + Δ t;

Δ t – добавка , учитывающая повышение конечного значения температуры теплоносителя в результате увеличения его расхода в системе отопления , ^оС ; β и – доля расхода теплоносителя , избыточного по сравне нию с расчетным расходом ; по определению β и =G и /G s ; β t = Δ t/(t 1 г -t 2 г ).

Принимая во внимание известное уравнение теп лового баланса здания :

Q о +Q тв =Q тп +Q ин , величины Q _о и Q _о ^* в выражении (8) представляются следующим образом :

Qо=βдkоFо(tв-tн); Qо*=βдkоFо(tв.i-tн), где   Qтв – тепловой поток, поступающий в объем здания в виде бытовых тепловыделений, Вт; Qтп – тепловой поток, теряемый через ограждение путем теплопередачи, Вт; Qин – тепловой поток, затрачиваемый на нагрев инфильтрующегося наружного воздуха, Вт.

β д =1+ β ин - β тв ; β ин = Q ин /Q тп ; β тв = Q тв /Q тп ;

k о – коэффициент теплопередачи наружного огражде ния , средневзвешенный по площади его поверхности , Вт /( м ^{2 о}С ); F о - расчётная площадь поверхности огра ждения здания ( сооружения ) по наружному обмеру , м ²; t в , t в ^* - соответственно , нормативное и наблюдае мое ( завышенное ) значение температуры внутреннего воздуха , ⁰ С ; t _н - температура наружного воздуха в рас сматриваемый период времени , ⁰ С .

Тогда выражение (8) может быть представлено следующим образом :

η зд =Q о /Q о ^*=(t в -t н )/(t в ^*-t н ).            (9)

Соответственно , доля тепловой энергии , перерас ходуемой в здании , составляет :

β зд =(Q о ^*-Q о )/Q о ^*= 1 - η зд = ( β и – β t )/(1 – β t ) (10)

или

β зд = (t в ^*-t в )/(t в ^*-t н ).                (11)

Для оценки энергетической эффективности сис темы теплоснабжения в целом может найти примене ние коэффициент эффективного функционирования системы теплоснабжения ( КЭФ ):

η тсн = Q рч /Q рп 2 ,               (12)

где Q _рч – тепловой поток , необходимый для подачи потребителям в соответствии с расчетом , Вт ; опреде ляется по известной формуле :

Q рч =cG рч (t г -t o );

G рч – расчетный расход теплоносителя в системе теп лоснабжения , требуемый по расчету , кг / с ;

G рч =G 2 -G с -G из ;

G₂, G _с , с , t _г , t_o – тоже , что и применительно к выраже нию (2); G _из – избыточный расход теплоносителя в системе теплоснабжения , кг /c; Q _{рп 2} – тоже , что и в выражении (2).

Раскрыв , образующие выражение (12), величины через их формулы и произведя преобразования , окон чательно имеем :

η тсн =(1-(G с /G 2 )-(G из /G 2 ))(1-(( Δ t г + Δ t o )/(t г ^*-t o ^*)))(13)

или

η тсн = (1 - β 0 у - β 0 и )(1 - β 0 т ),          (14)

где β _{0 у} , β _{0 т} – тоже , что и применительно к выражени ям (2) и (3); β _{0 и} – доля теплоносителя , избыточного в тепловой сети ; по определению β _{0 и} =G _из /G₂.

КЭФ системы теплоснабжения показывает во сколько раз расход тепловой энергии , отпущенной котельной , превышает расчетный .

Соответственно , доля тепловой энергии , отпус каемой сверх расчетного значения , составляет :

β_тсн =(Q _{рп 2}-Q _рч )/Q _{рп 2}=1- η_тс = = β _{0 у} + β _{0 и} + β _{0 т} - β _{0 у}β _{0 т} - β _{0 и}β _{0 т} .          (15)

В заключение можно отметить, что энергетическая эффективность системы теплоснабжения при заданном качестве ее монтажа, ремонтов и эксплуатации определяется уровнем теплозащиты зданий (сооружений), значением параметров состояния (температур и скорости) теплоносителей в ее циркуляционных кольцах и уровнем теплозащиты теплопроводов тепловой сети. Соответственно, уровень теплозащиты зданий и теплопроводов определяется толщиной их теплозащитных оболочек при заданной теплопроводности материала этих оболочек.

При этом снижение затрат энергетических ресур сов ( топлива , тепловой и электрической энергии ) на поддержание требуемого теплового состояния внут ренней среды зданий ( сооружений ) в результате уве личения уровня их теплозащиты и уровня теплозащи ты теплопроводов , уменьшения конечного значения температуры и значения скорости движения теплоно сителей сопровождается ростом затрат материальных ресурсов ( строительных и теплоизоляционных мате риалов , металла ).

Минимизация суммарных затрат энергетических и материальных ресурсов на поддержание требуемого теплового состояния внутренней среды зданий и со оружений обеспечивается в рамках метода технико экономической оптимизации путем решения соответ ствующих частных оптимизационных задач [3-6]. В результате решения этих задач определяются опти мальные значения толщин непрозрачных участков наружных ограждений зданий и слоя изоляции тепло проводов тепловой сети , а также оптимальные значе ния перепада температуры ( энтальпии ) и скорости движения теплоносителей в циркуляционных кольцах системы теплоснабжения .

Оптимизация мощности системы теплоснабжения обеспечивает экономически целесообразные размеры тепловой сети , что позволяет улучшить условия ее эксплуатации и качество ее ремонтов .

Соответственно , экономическая эффективность проектного решения отдельных элементов системы теплоснабжения оценивается в рамках сравнительно го анализа с использованием таких известных вели чин как сравнительный срок окупаемости Т_о и приве денные затраты П [7]. Оценка экономической эффек тивности проектного решения системы теплоснабже ния в целом осуществляется с использованием абсо лютных экономических показателей [8].

Таким образом , из выполненного анализа следует , что один из главных путей повышения эффективно сти системы теплоснабжения – это грамотное обосно вание значений параметров состояния теплоносите лей , циркулирующих в ее кольцах , и значений конст руктивных параметров ее отдельных элементов , а также ее мощности .