Системы аккумулирования тепловой энергии. Эксплуатация тепловых сетей

Повышение уровня централизации теплоснабжения (что характерно для крупных городов) сопровождается двумя опасными рисками - риском серьезного аварийного нарушения процесса теплоснабжения и риском затяжного (сверх допустимого) времени обнаружения и устранения аварий и неисправностей.

Опыт эксплуатации московских систем теплоснабжения показал, что ежегодно на 100 км двухтрубных тепловых сетей приходится от 20 до 40 сквозных повреждений труб, из них 90% случаются на подающих трубопроводах. Среднее время восстановления поврежденного участка теплосети при этом (в зависимости от диаметра и конструкции его) составляет от 5 до 50 ч и более, а полное восстановление повреждения может потребовать несколько суток (табл. 1).

Таблица 1. Среднее время восстановления z р, ч, поврежденного участка тепловой сети

Диаметр труб d, м	Расстояние между секционирующими задвижками l, км	Среднее время восстановления z р, ч

Время z p , ч, необходимое для восстановления поврежденного участка магистральной тепловой сети с диаметром труб d, м, и расстоянием между секционирующими задвижками l, км, можно рассчитать также по следующей эмпирической формуле:

Конечно, ждать несколько суток или даже часов в зимних условиях и не предпринимать мер к спасению положения совершенно недопустимо. Поэтому практика эксплуатации систем ЦТ и жилищного фонда выработала важное правило предварительной оценки аварийных ситуаций с учетом теплоаккумуляционных возможностей различных зданий при различных текущих наружных температурах отопительного сезона. Вот это правило:

При подготовке к отопительному периоду рекомендуется теплоснабжающим организациям с привлечением собственников жилых домов или уполномоченных ими организаций-исполнителей коммунальных услуг выполнить расчеты допустимого времени устранения аварий и восстановления теплоснабжения по методике, приведенной в Указаниях по повышению надежности систем коммунального теплоснабжения, разработанных АКХ им. К. Д. Памфилова и утвержденных ОАО «Роскоммунэнерго» 26.06.89, и в рекомендациях СНиП 41-02-2003.

Расчеты следует представить органам управления жилищно-коммунальным хозяйством для использования при подготовке к зиме объектов жилищного фонда.

Эта методика опирается на практический опыт и исследования эксплуатации городского фонда, в условиях нарушенного (прекращения) теплоснабжения жилых строений и промышленных зданий с оценкой темпа падения температуры, °С/ч, в отапливаемых помещениях при различных температурах наружного воздуха.

Линия падения внутренней температуры отапливаемых помещений во времени при этом носит экспоненциальный (нисподающий) характер (рис. 1) и зависит в первую очередь от конструктивных характеристик зданий (конструкции и материала стен и утеплителей, коэффициента остекления, расположения помещений в здании и др.), определяющих аккумуляционную способность строений, а также климатических условий размещения объектов.

Рисунок 1. Линии падения температуры внутреннего воздуха (------) и внутренней поверхности наружной стены (- - - - -) здания после отключения отопления

Примерные кривые изменения температуры внутреннего воздуха при включении отопления - натопе показаны на рис. 2.

Рисунок 2. Кривые изменения температуры внутреннего воздуха и внутренней поверхности наружной стены при включении отопления - натопе

Эмпирически удалось вычислить примерные коэффициенты аккумуляции зданий, темпы падения внутренней температуры и разработать методику расчета, основные положения которой рассмотрим подробнее.

Замораживание трубопроводов в подвалах, лестничных клетках и на чердаках зданий может произойти в случае прекращения подачи теплоты при снижении температуры воздуха внутри жилых помещений до 8 °С и ниже. Примерный темп падения температуры в отапливаемых помещениях (°С/ч) при полном отключении подачи теплоты приведен в табл. 2, по нему определены коэффициенты аккумуляции зданий.

Таблица 2. Темпы падения внутренней температуры здания при различных температурах наружного воздуха

Коэффициент аккумуляции, ч	Темп падения температуры, °С/ч, при температуре наружного воздуха, °С
	±0	-10	-20	-30

Коэффициент аккумуляции характеризует величину тепловой аккумуляции зданий и зависит от толщины стен, коэффициента теплопередачи и коэффициента остекления. Коэффициенты аккумуляции теплоты для жилых и промышленных зданий массового строительства приведены в табл. 3.

Таблица 3. Коэффициенты аккумуляции для зданий типового строительства

Характеристика зданий	Помещения	Коэффициент аккумуляции, ч
1	2	3
1. Крупнопанельный дом серии 1-605А с трехслойными наружными стенами, с утепленными минераловатными плитами с железобетонными фактурными слоями (толщина стены 21 см, из них толщина утеплителя 12 см)
	верхнего этажа
	среднего и первого этажей
2. Крупнопанельный жилой дом серии К7-3 (конструкции инж. Лагутенко) с наружными стенами толщиной 16 см, с утепленными минераловатными плитами с железобетонными фактурными слоями
	верхнего этажа
	среднего этажа
3. Дом из объемных элементов с наружными ограждениями из железобетонных вибропрокатных элементов, утепленных минераловатными плитами. Толщина наружной стены 22 см, толщина слоя утеплителя в зоне стыкования с ребрами 5 см, между ребрами 7 см. Общая толщина железобетонных элементов между ребрами 30-40 мм	Угловые верхнего этажа
4. Кирпичные жилые здания с толщиной стен в 2,5 кирпича и коэффициентом остекления 0,18-0,25
5. Промышленные здания с незначительными внутренними тепловыделениями (стены в 2 кирпича, коэффициент остекления 0,15-0,3)

На основании приведенных данных можно оценить время, имеющееся для ликвидации аварии или принятия мер по предотвращению лавинообразного развития аварий, т.е. замерзания теплоносителя в системах отопления зданий, в которые прекращена подача теплоты.

Если в результате аварии отключено несколько зданий, то определение времени, имеющегося в распоряжении на ликвидацию аварии или принятия мер по предотвращению развития аварии, производится по зданию, имеющему наименьший коэффициент аккумуляции.

Рассмотрим такой случай на конкретном примере.

ПРИМЕР 1. Исходные условия: В результате аварии на распределительной теплосети диаметром 300 мм отключен ЦТП с группой жилых зданий, среди которых имеется крупнопанельный жилой дом конструкции инж. Лагутенко. Температура наружного воздуха - 20 °С.

Требуется: Определить допустимое время устранения аварии на распределительной теплосети при указанной наружной температуре и оценить сложившуюся ситуацию.

Решение: 1. По табл. 3 по п. 2 определяем коэффициент аккумуляции здания по среднему этажу: он равен 40 ч.

2. По табл. 2 для здания с коэффициентом аккумуляции 40 ч находим темп падения температуры (°С/ч) при температуре наружного воздуха -20 °С: он равен 1,1 °С/ч.

3. Определяем время снижения температуры в квартирах с 20 до 8 °С, при которой в подвалах и на лестничных клетках может произойти замерзание теплоносителя в трубах: (20 - 8): 1,1 = 10,9 ч ≈ 11 ч.

4. По табл. 1 находим, что для теплосети диаметром 300 мм время устранения аварии составляет от 5 до 10 ч (без учета времени обнаружения места аварии).

5. Для оценки ситуации можно сделать следующие выводы:

5.1. Время устранения аварии допустимо до 10 ч и при хорошей организации работы аварийной службы опорожнения системы отопления и других систем указанного жилого дома не потребуется, так как теплоснабжение микрорайона будет восстановлено.

5.2. При отсутствии аварийной службы или плохой организации работ по обнаружению и устранению аварийного повреждения теплосети персоналу ЖКХ необходимо в течение 10 ч произвести спуск систем отопления, горячего и холодного водоснабжения не только указанного жилого дома, но и всех других отключенных домов и строений, а в дальнейшем и отключенного участка теплосети, ЦТП и ИТП, во избежание замораживания их и цепочного, лавиноообразного развития аварии, могущих вызвать тяжелые последствия. По сообщениям «Строительной газеты» (№ 49, 50 за 2003 г.) 1 января 2003 г. в пос. Аркуль Нолинского района Кировской обл. в результате падения дерева на высоковольтную ЛЭП произошло аварийное отключение энергоснабжения поселка, в том числе и котельных. По трагическому совпадению в то время, когда перестали работать циркуляционные насосы в котельных и прекратилась циркуляция воды во всех теплосистемах поселка, температура воздуха понизилась от -1 °С до - 24 °С. Из-за отсутствия противоаварийного плана и инструкций персоналу вода на некоторых участках теплотрасс и тепловых системах зданий не была своевременно слита, к тому же не все абоненты котельных были оповещены об аварии (детсад, аптека, общежитие, медицинская лаборатория и др.). Все это привело к замораживанию теплотрасс и теплосистем 14 жилых зданий. В результате было повреждено и уничтожено имущество, восстановление которого обошлось в 690 тыс. рублей, а директор МП ЖКХ поселка А.Г. Сорокин привлечен к уголовной ответственности за преступление по статье 168 ч.1 Уголовного кодекса - уничтожение чужого имущества в крупном размере, совершенное по неосторожности, и приговорен к выплате денежного штрафа. Аварийная ситуация с электроснабжением была ликвидирована лишь через 20 ч 30 мин.

Для этого должен иметься заранее подготовленный и согласованный план ликвидации аварий и инструкции персоналу по выполнению его.

Источник фото - сайт http://www.devi-ekb.ru

Используя накопители тепловой энергии можно экономически эффективно сместить потребление гигаватт энергии. Но на сегодняшний день рынок таких накопителей катастрофически мал, по сравнению с потенциальными возможностями. Основная причина кроется в том, что на начальном этапе зарождения систем аккумуляции тепла, производителями уделялась мало значения исследованиям в этой области. Впоследствии производители в погони за новыми стимулами привели к тому, что технология испортилась, а люди стали неверно понимать ее цели и методы.

Наиболее очевидной и объективной причиной использования системы аккумуляции тепла, является эффективное сокращение количества затрачиваемых средств на потребляемую энергию, к тому же стоимость энергии в пиковые часы, значительно выше, чем в другое время.

Мифы о системах накопления энергии

Миф 1. Нечастое применение таких систем

В настоящее время на рынке широко представлены системы накопления (аккумуляции) тепловой энергии, и многие активно их используют. Отличным примерами, которые демонстрируют значение накопленной энергии, являются бытовые водонагреватели, в которых такую систему называют «системой внепикового охлаждения». Для того, чтобы мгновенно нагреть воду требуется около 18 кВт, но самые мощные нагреватели имеют нагревательные элементы мощностью 4,5 кВт. Поэтому требуется в 4 раза меньше инфраструктур, необходимых про проведения проводки кабеля и соответственно, уменьшенное потребление энергии.

Никем не устанавливаются нагреватели, рассчитанные на потребление мгновенно максимально рассчитанную нагрузку, такая же практика существует и для системы климатизации. Причем установка системы с чиллером обычно уменьшается на 40—50 % (уменьшение инфраструктуры).

Миф 2. Системы аккумуляции тепла занимают очень много места

Возвращаясь к обычному водонагревателю? Много ли он занимает места в Вашем доме?

К тому же, как правило, используется система с частичным накоплением тепла, которая обеспечивает около трети необходимой мощности, потому и места такая установка занимает мало.

Миф 3. Такие системы слишком сложны

Обычный водонагреватель имеет простую конструкцию. Он содержит нагреватель, мощность которого ниже мощности, которая обеспечивает максимальные нагрузки, а его включение происходит в момент, когда температура вводы опускается ниже 95 % от заданной.

Емкость данной системы является простым примером накопителем тепла, который не имеет никаких движущих частей. В системе с частичным обеспечением нагрузки не может произойти отказа, так как в них отсутствует способность случайного задания большого потребления электроэнергии. Большие системы внепикового охлаждения имеют более сложные структуры управления, поэтому с ними может возникать множество проблем, а проектировщику придется потрудиться, чтобы спроектировать эффективную систему со значительной экономией ресурсов.

Миф 4. Отсутствие резервирования (запаса) при частичном накоплении энергии

Практически любая система внепикового охлаждения способна удовлетворять такому же резервирования, как и обычная система такой же стоимости.

Миф 5. Большие капитальные затраты

Получить действующие цены на оборудование проблематично, так как производители их опубликовывают неохотно. Хотя во многих исследованиях указываются низкие цены себестоимости систем. Рассчитаем примерную стоимость системы, используя в качестве удельной стоимости примерную величину в 256 $ на киловатт охлаждения, при этом получим приблизительную стоимость на установку всей системы:

Система, не использующая накопление энергии:

3 чиллера с мощностью 1400 кВт x 256 $/кВт ≈ 1 080 000 долларов.

Система, использующая частичное накопление тепла:

2 чиллера мощностью 1400 кВт x 256 $/кВт ≈ 720 000 долларов.

Система аккумуляции льда на 12300 кВтч x 28 $/кВт.ч ≈ 350 000 долларов.

Общая стоимость системы: ≈ 1 070 000 долларов.

Некоторые особенности оборудования и его расположение в системе могут привести к дополнительным капитальным затратам, однако, конкурировать по стоимости такие системы могут запросто.

Миф 6. Нет обеспечения экономии энергии

Анализируя экономию, необходимо рассмотреть как энергию, которая потребляется в здании, так и энергию, которая используется в источнике ее производства на электростанции. Энергоэффективное оборудование в большинстве своем призвано снижать потребление энергии, при этом, не снижая времени ее использования. Системы внепикового охлаждения экономят энергию за счет переноса ее "за счетчик". Вероятность экономии - 50/50.

Миф 7. Тарифы на электроэнергию могут изменяться, что может привести не только к отсутствию экономии, но и к увеличению затрат

Конечно, изменение тарифов неизбежно, но условия и потребление энергии остаются неизменными.

Можно надеяться, что когда-нибудь нагрузки в дневные и ночные часы сравняются, но такое произойдет, вряд ли, поэтому существенная разница в тарифах будет существовать еще долгие годы.

Достаточно известной на сегодняшний день системой аккумуляции тепла является система «теплый пол», в которой кабель заливается стяжкой 5 см. Но немногие знают, что увеличение стяжки до 10-15 см поможет не только снизить расходы, но и начать процесс накапливания тепла.

Раньше для накопления тепла использовали «тепловые пушки», которые не грели пространство около непосредственного нахождения людей, и к тому же сжигали кислород. Кабельные же системы обогрева не только позволяют эффективно аккумулировать тепло, но еще и создают комфортный микроклимат в помещении.

Одной из причин, позволяющих экономию сделать значительной, стало введение новых трехтарифных счетчиков электроэнергии, но не у многих есть возможность использовать систему обогрева в ночные часы. Использование кабельной системы вкупе со стяжкой 5 см позволяет нагревать быстро кабель, но в тоже время происходит и быстрое его остывание. То есть процесс имеет циклический характер. Увеличение стяжки до 10-15 см позволяет дольше сохранять тепло, а значит и длительность цикла увеличивается до нескольких часов.

Одной из важнейших особенностей энергетики в наши дни является всевозрастающая неравномерность потребления энергии. Это обстоятельство в сочетании с высокой стоимостью топлива заставляет энергетиков как в России, так и за рубежом искать новые возможности покрытия переменной части графиков электрических и тепловых нагрузок.

Д ля обеспечения кратковременного повышения нагрузок в энергосистеме можно использовать тепловое, пневматическое, гидравлическое, электромеханическое и другие виды аккумулирования энергии. Весьма успешным, например, оказался первый опыт применения подземного аккумулирования сжатого воздуха. Во многих странах в промышленных масштабах используются гидроаккумулирующие электростанции, потребляющие энергию ТЭС и АЭС в периоды низкой нагрузки в энергосистемах и вырабатывающие электроэнергию в часы пика нагрузки.

В области теплоснабжения также наблюдаются значительные суточные и сезонные колебания графика нагрузок, для покрытия которых все чаще применяют теплоаккумулирующие установки.

Теплоаккумулирующие установки

В качестве рабочих емкостей в установках для внутрисуточного сглаживания графика нагрузок используют в основном секционные резервуары, сварные баки, железобетонные наземные и подземные конструкции. Для покрытия сезонных колебаний нагрузки часто используют не только искусственные резервуары, но и отработанные шахты или разного рода естественные пустоты в водонепроницаемых грунтах.

Небольшие тепловые аккумуляторы, принимая на себя обеспечение тепловой нагрузки, позволяют на время суточных пиков электрической нагрузки отключать отопительные отборы пара на ТЭЦ. В отдельных случаях, при кратковременном увеличении тепловой нагрузки, аккумуляторы позволяют обойтись без пуска пиковой котельной и тем самым сэкономить органическое топливо.

Для аккумулирования теплоты можно использовать, любые нетоксичные вещества, имеющие достаточно высокую теплоемкость или высокую теплоту плавления при хорошей теплопроводности (например, соли, находящиеся в расплавленном или эвтектическом состоянии). Однако чаще всего для аккумулирования теплоты применяется вода.

Широкое внедрение установок для аккумулирования теплоты сдерживается высокой стоимостью этих установок.

Рациональная аккумуляция тепла

Были проведены экономические расчеты, которые показали, что максимальную удельную стоимость имеют теплоаккумуляторы в виде земляных бассейнов с теплоизоляцией. Несколько дешевле обходятся стальные баки-аккумуляторы, которые имеют, как правило, небольшой объем и поэтому чаще используются для внутрисуточного регулирования.

Для создания крупных теплоаккумуляторов, обеспечивающих сезонное регулирование, экономичнее применять искусственные подземные пустоты: их удельная стоимость при вместимости более 100 тыс. м3 существенно меньше, чем у стальных теплоаккумуляторов. Еще ниже удельная стоимость аккумулирования теплоты при использовании подземных водоносных горизонтов. Этот сравнительно новый метод аккумулирования представляется весьма перспективным, так как водоносные горизонты распространены довольно широко, они являются естественными образованиями, и поэтому практически единственным видом капитальных затрат при создании таких аккумуляторов будет стоимость бурения скважин для обеспечения доступа к горизонту. Важным достоинством этого метода является и то, что теплота в данном случае аккумулируется не только в объеме воды, но и в горной породе водоносного горизонта. Природный аккумулятор не изна-шивается, не требует технического обслуживания и ремонта, а срок его использования практически неограничен.

Во многих странах энергетики проявляют интерес к этой проблеме. В Швейцарии, например, при поддержке Международного энергетического агентства сооружен теплоаккумулятор с использованием водоносного горизонта, расположенного на глубине до 36 м. Кроме центральной скважины на глубине от 7 до 24 м, были смонтированы радиальные трубы, через которые осуществлялись нагнетание и отбор теплой воды. Схема предполагала возможность аккумулирования солнечной энергии или сбросной теплоты (температура воды от 30 до 100 °С). Потребителями аккумулированной энергии были системы отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха в жилых домах.

Первая закачка горячей воды состоялась еще в конце прошлого века в июле, а отбор теплой воды температурой 30-55 °С- в январе следующего года. В первом цикле эффективность этого аккумулятора составила 35 %, однако в следующих циклах удалось аккумулировать в водоносном горизонте примерно по 1290 Гкал (при мощности около 0,43Гкал/ч) и извлекать из него по 645 Гкал (при средней мощности 0,258 Гкал/ч).

Во Франции в те же годы были проведены экспериментальные исследования для оценки эффективности сезонного аккумулирования теплоты путем закачки воды температурой 100-180 °С в водоносный горизонт, располо-женный на глубине около 50 м. Особое внимание было уделено регистрации тепловых потерь, а также воздействию аккумуляции на окружающую среду. По итогам этого эксперимента были выбраны направления дальнейших исследований и возможные объемы внедрения.

Перспективы аккумулирования тепла в водоносных горизонтах

Перспективным направлением является сочетание аккумулирования теплоты в водоносных горизонтах с использованием тепловых насосов. Расчеты показывают, что такое сочетание значительно повышает эффективность систем обогрева (в зимнее время) и кондиционирования воздуха (в летнее время) (рис. 1).

Рис. 1. Аккумулирование теплоты в водоносных горизонтах с тепловыми насосами

При определенных климатических условиях аккумулирование теплоты в этом случае (рис. 2) может значительно повысить коэффициент преобразования энергии и сэкономить до 50 % первичной энергии, расходуемой на отопление и охлаждение жилых и производственных помещений.

Рис. 2. Тепловые насосы для систем аккумулирования теплоты в водоносных горизонтах

Большой интерес вызывает аккумулирование теплоты в водоносных горизонтах с использованием гелиоустановок. Понятно, что равномерность солнечной радиации в зависимости от времени суток, сезона или погодных условий требует применения резервной системы теплоснабжения или больших и дорогостоящих аккумуляторов теплоты. Немецкими специалистами на мюнхенском семинаре по проблемам аккумулирования тепловой энергии были приведены такие цифры: гелиотермическая установка без аккумулирования теплоты может в условиях ФРГ удовлетворить лишь 10 % потребностей обслуживаемых ею домов. При наличии плоского гелиоприемника (рис. 3) площадью 2000 м2 с тепловыми трубами в сочетании с центральным тепловым аккумулятором вместимостью 150 м3 можно было бы удовлетворить уже 25 % потребностей 250 односемейных коттеджей в теплоте. Для удовлетворения 70-90 % этих потребностей гелиотермическая установка должна быть дополнена сезонным теплоаккумулятором, соединенным с теплосетью. Использование водоносных горизонтов для этих целей позволит решить проблему с минимальными капитальными затратами.

Рис. 3. Гелиоприемник

Перспективными являются и такие области применения нового метода аккумулирования теплоты, как горячее водоснабжение, обогрев теплиц и т. д. При необходимости получения технологического пара в водоносных горизонтах можно аккумулировать горячую воду под давлением выше атмосферного, что позволит использовать ее в теплообменниках для получения пара.

Большой интерес во многих странах Европы вызывает система обогрева и охлаждения с использованием тепловых насосов. Основным устройством, предназначенным для отбора теплоты из водоносного горизонта или передачи ему тепловой энергии, является тепловой насос. Налажен серийный выпуск самых разнообразных тепловых насосов с отбором низкопотенциальной теплоты из воды производительностью от 1,75 до 7034 кВт, или от 0,5 до 2000 т (1 т охлаждения - единица холодопроизводительности, которая в Великобритании соответствует 13,9 МДж/ч (3,86 кВт), в США - 12,7 МДж/ч (3,53 кВт).

Варианты применения

Основные варианты предлагаемых теплонасосных установок показаны на (рис. 4). В жилых домах на одну семью можно применять небольшие автономные тепловые насосы. В более крупных зданиях может быть создана разветвленная система тепловых насосов, которые обслуживают или большое помещение, или небольшие отдельные комнаты. В высотном здании целесообразно установить центральный тепловой насос для обогрева и охлаждения любых помещений. В жилом или деловом районе города можно также смонтировать центральную теплонасосную установку для отопления и кондиционирования жилых домов, учреждений и предприятий. Тепловой насос повышает качество энергии, аккумулированной в подземных водах, и делает более эффективным ее использование.

Рис. 4. Аккумулирование теплоты в водоносном горизонте с использованием тепловых насосов: 1 - крупные центральные теплонасосные установки в многоэтажных зданиях; 2 - небольшие децентрализованные (внутрикомнатные) тепловые насосы в многоэтажных зданиях; 3 - небольшие отдельные тепловые насосы в индивидуальных жилых домах; 4 - холодная скважина; 5 - глубинный насос; 6 - движение фронта температур; 7 - горячая скважина; 8 - двухтрубная распределительная система

Краткое описание системы

Действие системы с применением тепловых насосов, которая рассмотрена ниже, основано на аккумулировании теплоты для улучшения характеристик отдельных теплонасосных установок. Система накапливает теплоту, выделяемую при кондиционировании воздуха, а затем использует ее для отопления. Следовательно, она служит источником тепловой энергии при обогреве и теплоприемником при охлаждении.

Аккумулирующая система большой емкости создана самой природой в водоносном горизонте. Доступ к этой системе обеспечивается с помощью двух скважин. Если необходим нагрев, теплую воду (27° С для основного варианта системы) извлекают из водоносной формации и повышают ее температуру до 49 °С. В процессе отдачи теплоты окружающему воздуху вода остывает до 16 °С и ее возвращают обратно в горизонт через вторую скважину. Температурный фронт движется по водоносной породе между обеими скважинами. Количество извлекаемой и нагнетаемой воды одинаково; чистый расход подземной воды равен нулю.

При использовании воды для охлаждения весь процесс протекает в обратном порядке. Холодную воду температурой 16 °С откачивают из водоносной формации, и она поглощает теплоту, в результате чего происходит кондиционирование воздуха. Теплая вода температурой 27 °С нагнетается обратно в горизонт. Как и при обогреве поме-щений, чистый расход воды равен нулю. В ходе этого процесса температурный фронт перемещается между скважинами в обратном направлении.

Теплонасосные установки и система аккумулирования тепловой энергии соединены между собой с помощью двухтрубной системы распределения воды. По одной линии поступает теплая вода, по другой - холодная. Если понадобится нагрев, теплонасосная установка отбирает воду из линии теплой воды, а после того, как вода отдала свою теплоту, сбрасывает ее в линию холодной воды. Обогрев и охлаждение могут происходить одновременно. Насосы, находящиеся в обеих скважинах, обеспечивают постоянное наполнение соответствующих магистральных трубопроводов теплой и холодной водой. Для аккумулирования используются местные водоносные горизонты, так что протяженность трубопроводов невелика. Теплоизоляция труб не нужна, поскольку они уложены в траншею, и их температура мало отличается от температуры грунта. Для уменьшения стоимости самих трубопроводов и их прокладки рекомендуется в большинстве случаев использовать трубы из поливинилхлорида (рис. 5). Стальные и чугунные трубы следует применять лишь при очень больших расходах, которые обычно имеют место при обслуживании крупных городских районов.

Рис. 5. Трубы из поливинилхлорида

Чтобы создать действенную аккумулирующую систему с использованием тепловых насосов, надо сделать эту систему коммунальной. Тогда стоимость сооружения двух скважин распределится между несколькими потребителями. По техническим соображениям система аккумулирования тепловой энергии должна иметь емкость выше минимально допустимой, чтобы гарантировались необходимые масштабы накопления энергии. Управление системой следует поручить местной организации, которая обеспечит разработку, сооружение, обслуживание системы и возьмет ее под свой контроль.

Теплонасосные установки могут быть самыми различными - от небольшого теплового насоса (для жилого дома на одну семью или для квартиры крупного здания) до больших центральных установок (для обслуживания многоэтажного здания). Для одновременного отопления и охлаждения помещений можно создать обмен горячей и холодной водой между установками, чтобы вода вообще не циркулировала через скважины и водоносный горизонт. Две скважины или группа спаренных скважин, система с водоносным горизонтом в качестве аккумулятора тепловой энергии и тепловые насосы, находящиеся на определенном участке коммунальной системы обогрева и охлаждения, образуют в совокупности так называемый модуль. Соединяя между собой модули, можно повысить надежность и увеличить размеры всей системы в целом; в результате этого сокращаются расходы на строительство и техническое обслуживание, можно также уменьшить количество людей, занимающихся эксплуатацией системы. Например, вышедший из строя насос можно будет исправить в любое удобное время, а не обязательно сразу, как только он вышел из строя, так как насос другого модуля сможет взять на себя дополнительную нагрузку. Модули можно подключать к системе поочередно в целях планомерного расширения сети теплонасосных установок, принадлежащих населению жилого массива.

Система работает не на дефицитных видах топлива, а на электроэнергии, поступающей с пылеугольных, мазутных, газовых ТЭС, а также с атомных и гидравлических станций. Тепловой насос с отбором низкопотенциальной теплоты из воды, работающий в абсорбционном цикле с нагревом генератора, можно включить в систему, если имеется источник сбросной теплоты.

Предлагаемую конструкцию можно использовать в любой системе отопления и охлаждения, расположенной на незначительном расстоянии от водоносного горизонта, если он обладает достаточно большой водоотдачей. Именно такие условия существуют на территории, составляющей 60 % континентальной части США, с населением, численность которого равна 75 % всего населения страны. Над водоносными формациями, пригодными для аккумулирования, находятся деловые и торговые центры, крупные жилые массивы. Чем выше плотность населения, тем выгоднее сооружать подобные системы. Везде, кроме юга Флориды и отдельных районов Калифорнии, где круглый год тепло, система позволит сэкономить значительные сред-ства на стоимости теплоносителей, особенно с учетом непрерывного удорожания энергии. Даже при современном уровне технологии такими системами могут быть в ближайшие годы охвачены 72 млн домашних хозяйств и 14,6 млн коммерческих предприятий в США.

В странах Западной Европы сложилась следующая ситуация: на 2015 г. в Бельгии эксплуатировалось примерно 1130 таких систем, в Нидерландах их количество увеличилось с 2000 в 2012 г. до 2500 в 2015 г.

Согласно данным Международного энергетического агентства (МЭА), стоимость монтажа систем аккумулирования теплоты в водоносном горизонте с использованием тепловых насосов в 2005 г. составляла от 200 до 1150 евро за 1 кВтт, при снижении ее к 2030 г. на 15 %. В отчете фирмы Terra Energy 2012 г. для большой системы (700 кВтт) было показано, что стоимость ее монтажа составляет 1179 евро за 1 кВтт, а динамический срок окупаемости - 7,5 лет.

Статья из журнала "Аква-Терм", № 3 /2016. Рубрика "Отопление и ГВС"

Неравномерное потребление горячей воды требует синхронного изменения отпуска теплоты со станции или соответствующего приготовления ее на месте потребления. Ввиду неосуществимости полного соответствия выработки теплоты на горячее водоснабжение и его потребления наблюдается постоянное нарушение отопительно-вентиляционных режимов, требующих создания на станции излишних резервов теплоприготовительного оборудования.

Рис. 3.10. Графики расхода теплоты на горячее водоснабжение:
а – суточный; б – интегральный; 1 – изменение расхода теплоты по часам суток; 2 – среднечасовой расход теплоты за сутки; 3 – фактическое потребление теплоты; 4 – отпускаемая теплота

Установка аккумуляторов горячей воды дает возможность выровнять нагрузку станционных водонагревателей и тем самым уменьшить запас пиковой мощности на тепловой станции, вследствие чего обеспечивается меньшая разрегулировка расходов теплоты на отопление и вентиляцию. Аккумуляторы на абонентских вводах позволяют устранить колебания температуры горячей воды при минимальных и максимальных водоразборах и уменьшить расчетную теплопроизводительность местных подогревателей.

Емкость аккумулятора определяется с помощью интегрального графика, который строится на основе заданного суточного расхода теплоты (рис. 3.10). Для построения интегрального графика необходимо определить по суточному графику произведение часового расхода теплоты Q i по соответствующей продолжительности n i использования теплоты. Полученное произведение, представляющее расход теплоты за время n i , на интегральном графике откладывается на ординате в конце того же отрезка времени. Последующие значения расходов теплоты Q i n i за последующие промежутки времени n i на интегральном графике суммируются с предыдущими. В итоге получается ломаная линия 3 фактического потребления теплоты, каждая ордината этого графика выражает общий расход теплоты от начала потребления до рассматриваемого момента. Ордината графика фактического потребления теплоты в конце суток показывает расход теплоты за сутки.

Так как теплота из тепловых сетей поступает равномерно и непрерывно, тo график сообщенной потребителю теплоты выражается прямой линией 4. Тангенс угла наклона графика сообщенной теплоты численно равен среднечасовому расходу теплоты за сутки

. (3.1)

Меньший наклон участков линии 3 по сравнению с линией 4 означает, что поступление теплоты из сетей превосходит фактическое потребление и, наоборот, при большем наклоне участков линии 3 фактическое потребление теплоты превосходит его поступление из тепловых сетей, что при отсутствии аккумуляторов недопустимо. Разность ординат линий 3 и 4 показывает количество неспользованной теплоты из тепловых сетей, которое могло быть накоплено в аккумуляторе. Если неиспользуемая теплота аккумулируется, то разность ординат графиков поступления и потребления теплоты в каждый момент времени указывает на наличие запаса теплоты в аккумуляторе. Ордината Q макс количественно выражает наибольший запас теплоты.

При определении необходимого запаса теплоты в аккумуляторе среднечасовой расход теплоты, кВт, найденный по формуле (3.1), должен быть не менее значения

, (3.2)

где G и – расход горячей воды за сутки наибольшего водопотребения, м 3 /сут; r – плотность воды, кг/м 3 ; с – теплоемкость воды, кДж/(кг×°С); t г – средняя температура горячей воды в трубопроводах горячего водоснабжения; Т – время потребления горячей воды в сутки, ч; Q т.п – потери теплоты в подающих и циркуляционных трубопроводах, кВт.

Расход горячей воды за сутки наибольшего водопотребления находится по формуле

, (3.3)

где g и – норма расхода горячей воды за сутки наибольшего водопотребления, л/сут; m – количество потребителей (жителей) в здании или группе зданий.

Для жилых домов, общежитий, гостиниц, санаториев, больниц, школ и детских учреждений время потребления горячей воды в сутки принимают 24 ч. Для остальных общественных зданий это время принимают равным числу часов работы их в сутки, но не менее 10 ч, а при наличии аккумуляторов – по числу часов зарядки аккумуляторов. Для вспомогательных зданий промышленных предприятий время потребления горячей воды должно быть равно продолжительности зарядки аккумуляторов в смену.

При отсутствии суточных графиков расхода теплоты на горячее водоснабжение интегральный график может быть построен по безразмерным суточным графикам, приведенным для различных категорий потребителей в справочной литературе. В безразмерных графиках ордината 100% расхода теплоты соответствует среднечасовому расходу теплоты, определенному по формуле (3.2).

Применение аккумуляторов может сократить время потребления теплоты из тепловых сетей. Момент времени и продолжительность отключения тепловых сетей выбирается в зависимости от характера изломов линий интегрального графика. Например, для интегральных графиков на рис. 3.11 целесообразно выбрать продолжительность отключения сетей на время n 1 и n 2 . В период прекращения поступления теплоты из тепловых сетей горячее водоснабжение производится только из аккумулятора. Продолжительность отключения сетей подбирается так, чтобы запас теплоты в начале и в конце суток был одинаковым.

Рис. 3.11. Варианты аккумулирования теплоты:
1 – фактическое потребление теплоты; 2 – поступление теплоты из тепловых сетей;
n 1 и n 2 – продолжительность отключения тепловых сетей; n – продолжительность зарядки аккумулятора

В период пользования горячей водой запас теплоты в аккумуляторе изменяется от максимального Q м aкс до минимального Q мин значений. Если теплота аккумулируется при переменном объеме воды с постоянной ее температурой, то необходимая емкость акмулятора, м 3 , находится из выражения

, (3.4)

где Q м aкс – запас теплоты, кВт×ч.

Если теплота аккумулируется при постоянном объеме воды за счет изменения ее температуры, то емкость аккумулятора определяется по формуле

, (3.5)

где t макс и t мин – максимальная и минимальная температуры горячей воды, °С.

В аккумуляторе постоянного объема накопление теплоты осуществляется за счет увеличения нагрева воды. Следовательно, большему и меньшему запасу теплоты в аккумуляторе на интегральном графике (рис. 3.11) соответствуют максимальная и минимальная температуры воды. Наибольшая температура воды в аккумуляторе не должна превышать 75 °С, а наименьшая – быть не ниже 40 °С.

При наличии в жилых и общественных зданиях автоматизированных систем горячего водоснабжения, а в производственных зданиях душевых сеток (не более десяти) применение аккумуляторов не обязательно.

Тепловой аккумулятор – устройство, предназначенное для накопления тепловой энергии с целью ее использования в домах, зданиях, на промышленном производстве.

Тепловой аккумулятор или, как его иногда еще называют – буферная емкость – ни что иное, как обыкновенная бочка (круглая или квадратная). Но бочка эта не простая, а волшебная.

Она способна экономить ваши деньги и создавать комфортную температуру в доме. У самой простой модификации теплового аккумулятора два выхода вверху и два внизу. Что еще может быть проще? Про тепловой аккумулятор наслышаны многие, но когда и как его применить, сэкономив при этом на отоплении, знают далеко не все.

Когда выгодно выполнить монтаж теплового аккумулятора:

У вас стоит твердотопливный котел;

Вы отапливаетесь электричеством;

В помощь к отоплению добавлены солнечные коллекторы;

Есть возможность утилизировать тепло от агрегатов и машин.

Самый распространенный случай применения теплового аккумулятора, когда в качестве источника тепла используется твердотопливный котел. Тот, кто пользовался твердотопливным котлом для отопления своего дома знает, какого комфорта можно добиться с помощью подобной отопительной системы. Затопил – разделся, прогорел – оделся. По утрам в доме с таким источником тепла не хочется вылазить из-под одеяла. Регулировать процесс горения в твердотопливнос котле очень трудно.Топить нужно и при +10С, и при -40С. Горение и количество выделяемого тепла будет одинаковым, только вот этого самого тепла нужно совсем по-разному. Что же делать? О каком КПД может идти речь, когда при плюсовой температуре приходится открывать окна. Ни о каком комфорте и речи быть не может.

Схема монтажа твердотопливного котла с тепловым аккумулятором – идеальное решение для частного дома, когда хочется и уюта, и экономии. При подобной компановке вы растапливаете твердотопливный котел, нагреваете воду в тепловом аккумуляторе и получаете столько тепла, сколько вам нужно. При этом котел будет работать на максимальной мощности и с наибольшим КПД. Сколько тепла дадут дрова или уголь, столько и запасете.

Второй вариант. Монтаж теплового аккумулятора с электрокотлом. Данное решение сработает, если у вас имеется двухтарифный электросчетчик. Запасаем тепло по ночному тарифу, расходуем и днем, и ночью. Если вы решили применить такую систему обогрева, лучше поискать тепловой аккумулятор с возможностью установки электротена прямо в бочку. Электротен стоит дешевле электрического котла, да и материала для обвязки котла не потребуется. Минус работа по монтажу электрокотла. Представляете сколько можно сэкономить?

Третий вариант, когда имеется солнечный коллектор. Весь избыток тепла можно скидывать в тепловой аккумулятор. В демисезонье получается отличная экономия.

Расчет теплового аккумулятора

Формула расчета очень простая:

Q = mc(T2-T1), где:

Q - накопленная теплота;

m - масса воды в баке;

с - удельная теплоемкость теплоносителя в Дж/(кг*К), для воды равная 4200;

Т2 и Т1 - начальная и конечная температуры теплоносителя.

Допустим, у нас радиаторная система отопления. Радиаторы подобраны под температурный режим 70/50/20. Т.е. при опускании температуры в баке аккумулятора ниже 70С, мы начнем испытывать недостачу тепла, то есть попросту замерзать. Давайте расчитаем, когда это произойдет.

90 – это наши Т1

70 – это Т2

20 – температура в помещении. Она нам в расчете не понадобится.

Допустим, у нас тепловой аккумулятор на 1000 литров (1м3)

Считаем запас тепла.

Q =1000*4200*(90-70)=84 000 000 Дж или 84 000 кДж

1 кВт-ч = 3600 кДж

84000/3600=23,3 кВт тепла

Если теплопотери дома – 5 кВт в холодную пятидневку, то нам хватит запасенного тепла почти на 5 часов. Соответственно, если температура выше расчетной на холодную пятидневку, то теплового аккумулятора будет достаточно на более продолжительное время.

Подбор объема теплового аккумулятора зависит от ваших задач. Если необходимо сгладить температуру, ставим небольшой объем. Если требуется накопить тепло вечером, чтобы утром проснуться в теплом доме, нужен большой агрегат. Пусть стоит вторая задача. С 2300 до 0700 – должен быть запас тепла.

Предположим, что теплопотери – 6 кВт, а температурный режим системы отопления – 40/30/20. Теплоноситель в тепловом аккумуляторе может разогреться до 90С

Время запаса 8 часов. 6*8=48 кВт

M = Q /4200*(Т2-Т1)

48*3600=172800 кДж

V =172800/4200*50=0,822 м3

Тепловой аккумулятор от 800 до 1000 литров удовлетворит нашим требованиям.

Плюсы использования теплового аккумулятора в доме с утеплением

Если на вашем участке нет народного достояния – магистрального газа, впору задуматься о правильной системе отопления. Самое лучшее время, когда только готовится проект, а самое неподходящее – когда вы уже живете в доме и поняли, что отопление обходится очень дорого.

Идеальный дом для монтажа твердотопливного котла и теплового аккумулятора – это здание с хорошим утеплением и низкотемпературной системой отопления. Чем лучше утепление, тем меньше теплопотери и тем дольше ваш тепловой аккумулятор сможет поддерживать комфортное тепло.

Низкотемпературная система отопления. Выше мы привели пример с радиаторами, когда температурный режим составлял 90/70/20. При низкотемпературном режиме условия будут – 35/30/20. Почувствуйте разницу. В первом случае уже при понижении температуры ниже 90 градусов вы почувствуете недостачу тепла. В случае с низкотемпературной системой, можно спокойно спать до утра. Зачем быть голословным. Предлагаем просто посчитать выгоду.

Способ мы просчитали выше.

Вариант с низкотемпературной системой отопления

Q =1000*4200*(90-35)=231 000 000 Дж (231000 кДж)

231000/3600=64,2 кВт. Это почти в три раза больше при одинаковом объеме теплового аккумулятора. При теплопотерях – 5 кВт такого запаса хватит на всю ночь.

А теперь о финансах. Допустим, мы смонтировали тепловой аккумулятор с электрическими тенами. Запасаем по ночному тарифу. Мощность тенов – 10 кВт. 5 кВт уходит на текущий обогрев дома в ночное время, 5 кВт мы можем запасти на день. Ночной тариф с 23-00 до 07-00. 8 часов.

8*5=40 кВт. Т.е. днем мы будем пользоваться в течении 8-ми часов ночным тарифом.

С 1 го января 2015 года в Краснодарском крае дневной тариф составляет 3,85, ночной – 2,15.

Разница – 3,85-2,15=1,7 рубля

40*1,7=68 рублей. Сумма кажется маленькой, но не спешите. Выше мы давали ссылки на утепленный дом и неутепленный. Представим, что вами сделана ошибка – дом построен, вы уже прошли первый отопительный сезон и поняли, что отопление электричеством обходится очень дорого. Выше мы привели пример теплопотерь неутепленного дома. В примере теплопотери составляют 18891 ватт. Это в холодную пятидневку. Средняя за отопительный сезон будет ровно в 2 раза меньше и составит 9,5 кВт.

Следовательно, за отопительный сезон нам необходимо 24*149*9,5=33972 кВт

В рублях 16 часов, 2/3 (22648) по дневному тарифу, 1/3 (11324 кВт) по ночному.

22648*3,85=87195 руб

11324*3,85=24346 руб

Итого: 111541 руб. Цифра за тепло просто ужасающая. Такая сумма способна опустошить любой бюджет. Если же ночью запасти тепло, то можно сэкономить. 38502 рублей за отопительный сезон. Немалая экономия. Если у вас такие расходы, в пару к электрокотлу необходимо ставить твердотопливный котел или камин с водяной рубашкой. Есть время и желание – закинули дровишки, запасли тепло в тепловой аккумулятор, остальное добиваем электричеством.

В утепленном доме с тепловым аккумулятором стоимость отопительного сезона будет сопоставима с аналогичными неутепленными домами, в которых есть магистральный газ.

Наш выбор, когда нет магистрального газа, такой:

Хорошо утепленный дом;

Низкотемпературная система отопления;

Тепловой аккумулятор;

Твердотопливный котел иди водяной камин;

Электрокотел.