Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК 662.287.643.334:330.130

К ВОПРОСУ ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ ИНТЕГРИРОВАННОЙ УСТАНОВКИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ

Денисова. А.Е. Тодорцев Ю.К. Максименко И.Н

Введение, актуальность проблемы

В соответствии с Законом Украины «Про енергозбереження» и «Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки» одна из стратегических задач государства: решение вопросов экономии топливных ресурсов и энергосбережение с учётом экологических требований, внедрение соответствующих технологий [1,2,3,4]. Данная задача актуальна на фоне неудовлетворительного состояния окружающей среды и истощения топливо–энергетических ресурсов. Важным направлением решения является использование возобновляемых источников энергии.

К возобновляемым источникам энергии относят: тепло Земли; энергию Солнца; энергию ветра; тепло, выделяемое при сжигании биомассы, энергию Мирового океана (волн, приливов, отливов) и др. [2,7].

Тенденция сокращения использования традиционных источников энергии для целей отопления и горячего водоснабжения маломощных потребителей, особенно индивидуальных, характерна для большинства развитых стран Европы. Учитывая нестабильность отбора мощности от одного источника альтернативной энергии, стремятся создавать комбинированные системы теплоснабжения [2,6,8].

Работа подобных установок не эффективна без автоматического управления, хотя автоматизация повышает первоначальную стоимость объекта. Но экономия средств, расходуемых за время работы установки (до выхода её из строя), за счёт автоматизации окажется больше увеличения первоначальной стоимости установки [5].

Постановка задачи

Анализ литературных источников позволяет сделать вывод про то, что автоматизации комбинированных теплоснабжающих установок малой мощности уделяется мало внимания.

Система автоматизации такой установки должна обеспечить автономную работу каждой подсистемы, выбор рациональной структуры с точки зрения экономного использования энергии или удовлетворения требований потребителя.

Для создания автоматической системы управления (АСУ) установки необходимо оценить количество теплоты необходимое для обеспечения тепловой нагрузки потребителя в разных режимах.

Рассмотрим один из возможных технологических объектов этого типа. А.Е. Денисовой [2] обоснованы теоретические и практические аспекты создания системы теплоснабжения с солнечным и грунтовым источниками энергии – интегрированной альтернативной системы теплоснабжения (ИАСТ). Укрупнённая структура такой установки показана на рисунке 1.

На рис. 1 обозначены:

1 — гелиоколлектор (ГК);

2 — грунтовый теплообменник (ГТ);

3 — дополнительный источник энергии (ДИЭ);

4 — аккумулятор тепла (АК);

5 — трансформатор тепла (теплонасосная установка) (ТУ);

6 — потребитель (П).

Рис. 1 Структура ИАСТ:

ИАСТ состоит из пяти подсистем, которые обеспечивают теплом потребителя (6). Система содержит два возобновляемых источника энергии:

1-       солнечный коллектор;

2-       грунтовый теплообменник.

Для гарантированного теплоснабжения предусмотрен источник энергии (электрический или газовый) (3). Для накопления энергии нужного потенциала от солнечного и грунтового источников используется тепловой аккумулятор (4) и трансформатор тепла (5).

Если предположить, что потребитель представляет собой типовой двухэтажный дом, который ориентирован на юг и имеет систему естественной вентиляции, то для такого объекта нужно будет менять структуру системы.

В зависимости от времени года (наружной температуры) и требований потребителя возможны такие сочетания подсистем:

1-       1-6 (солнечный коллектор - потребитель);

2-       1-5-6 (солнечный коллектор - теплонасосная установка - потребитель);

3-       1-4-6 (солнечный коллектор - аккумулятор тепла - потребитель);

4-       1-4-5-6 (солнечный коллектор - аккумулятор тепла - теплонасосная установка - потребитель);

5-       2-4-6 (грунтовый теплообменник - аккумулятор тепла - потребитель);

6-       2-4-5-6 (грунтовый теплообменник - аккумулятор тепла - теплонасосная установка - потребитель);

7-       (1-5)+(2-4-5)-6 ((солнечный коллектор - теплонасосная установка) + (грунтовый теплообменник - аккумулятор тепла - теплонасосная установка) - потребитель);

8-       3-6 (дополнительный источник энергии - потребитель);

9-       (1-5)+(2-4-5)+3-6 ((солнечный коллектор - теплонасосная установка) + (грунтовый теплообменник - аккумулятор тепла - теплонасосная установка) + дополнительный источник энергии - потребитель).

Определение количества тепла для разных режимов может быть выполнено по следующей методике.

Полезное тепло , которое отводится рабочим телом ГК и используется для теплоснабжения с учетом приведенного оптического коэффициента  и полного коэффициента потерь тепла солнечного коллектора  определяется выражением:

,                                                  (1)

где  — тепловая производительность солнечного коллектора, Вт;  — площадь солнечного коллектора, м²;  — плотность потока солнечного излучения, которое поступает на наклоненную поверхность ГК; — полный коэффициент потерь энергии, Вт/( м²К); — температура рабочего тела на входе в ГК, К;  — температура окружающей среды, К;  — эффективный коэффициент отвода тепла от солнечного коллектора, который представляет собою отношения фактической полезной энергии ГК к полезной энергии при условии, что температура  поглотительной пластины (адсорберу) равняется температуре  жидкости на входе в солнечный коллектор. Указанный параметр, который зависит от конструктивных особенностей ГК и условий его работы, можно определить по методике.

Уравнение баланса энергии АК с учетом всех его составляющих частей имеет вид:

,                                           (2)

где— объем воды в баке аккумулятора, м³; — теплоемкость при постоянном давлении, кДЖ/(кгК); — плотность, кг/м³ и температура, К, воды в баке;  — время; — соответственно, тепловая мощность на входе и выходе АК, Вт; — потери тепла в окружающей среде, Вт.

Для расчета процесса теплообмена в почвенных теплообменниках используется критериальное уравнение для случая вынужденной конвекции в каналах. Для ламинарного режима течения справедливое критериальное уравнение

,                                     (3)

где  — число Нуссельта; — гидравлический диаметр ГТ, м; — соответственно, динамическая вязкость при средних температурах рабочей жидкости и стенки почвенной трубки, кг/(м*с).

Поток тепла, который подводится к рабочему телу "почвенного" испарителя теплового насоса по почвенным трубкам (ГТ) общим количеством , оценивается по уравнению:

,                                         (4)

где — начальная температура рабочей жидкости ГТ на входе в почвенный испаритель теплового насоса, К;  — конечная температура рабочей жидкости ГТ на выходе из "почвенного" испарителя теплового насос, К.

В случае работы теплового насоса с почвенным контуром ИАСТ, когда используется "почвенный" испаритель, последняя формула принимает вид:

,                                  (5)

где  — средняя температура рабочей жидкости контура почвенных теплообменников, которые являются источником тепла для "почвенного" испарителя ТН, К; — КПД эквивалентного цикла Карно; — разница температур в конденсаторе; — разница температур в испарителе;  — средняя температура среды в контуре теплового потребителя, К.

Уравнение теплового баланса потребителя позволяет определить количество теплоты, которое необходимо для обеспечения тепловой нагрузки потребителя:

,                                             (6)

где  — объем воды в баке аккумулятора, м³;  — теплоемкость при постоянном давлении, КДж/(кг*К);  — плотность воздуха, кг/м³;  — производная температуры воздуха, К, ко времени, с;  — суммарное количество теплоты, которое подводится к жилому помещению, кВт;  — суммарное количество теплоты, которое отводится от жилого помещения, кВт;  — суммарное количество теплоты, которое поступает от внутреннего источника помещения, кВт.

Заключение

Анализ литературных источников показал, типовых решений автоматизации ИАСТ нет. Поэтому необходимо исследовать статические свойства подсистем ИАСТ в автономном режиме и при комбинировании, что позволит выбрать концепцию управления, создать принципиальную схему регулирования количества тепла, выбрать необходимую аппаратуру, создать программное обеспечение, реализовать АСУ ИАСТ. Предлагаемая методика позволяет оценить статические характеристики объекта управления.

1.                   Волеваха Н.М., Волеваха В.А. Нетрадиционные источники энергии. – Киев: Вища школа, 1988. – 60 с.

2.                   Денисова А.Є. Інтегровані системи альтернативного теплопостачання для енергозберігаючих технологій // Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук. – Одесса: 2003. – С. 2 – 27.

3.                   Закон України про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки: № 2623-III від 11.07.2001 р. // Закони України. – Київ, 2001.

4.                   Закон України про енергозбереження: №74/94 від 1.07.1994 р. // Закони України. – Київ, 1997. – Т.7. – С. 281 – 291.

5.                   Основы теории автоматического регулирования: Учебник для машиностоительных специальностей вузов / В.И. Крутов, Ф.М. Данилов, П.К, Кузьмик и др.; Под ред. В.И. Крутова. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение. 1984. 368 с., ил.

6.                   Рабинович М.Д. Экспериментальные системы автономного энергоснабжения с комплексным использованием возобновляемых источников энергии // Праці ін-ту електродинаміки НАН України. Електродинаміка.: Зб. наук.пр. –К.:ІЕД НАН України, 2000. – С. 185 – 193.

7.                   Системы солнечного тепло- и хладоснабжения / Р.Р. Аверзов. М.А. Барский–Зорин, И.М. Васильева и др.; Под ред. Э.В. Сарнацкого и С.А. Чистовича. – М.: Стройиздат, 1990. – 328 с.: ил.

8.                   Тростянецкий Л.М., Палатник И.Л., Титарь С.С. Комбинированные системы теплоснабжения // Сборник научных трудов молодых ученых. – Одесса: ОГПУ. – 1998.– С. 85 – 89.