Автоматизированная система диспетчерского управления
горячим водоснабжением с использованием
альтернативных источников энергии
Решение вопроса повышения энергетической эффективности систем энергоснабжения и жизнеобеспечения зданий и сооружений зачастую касается проблемы использования альтернативных источников энергии. Одним из таких решений может служить применение гелиосистемы с солнечными коллекторами в составе систем подготовки горячего водоснабжения (ГВС) зданий. Использование солнечной энергии для теплоснабжения является одним из наиболее перспективных направлений использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Солнечные водонагревательные установки имеют наименьшие сроки окупаемости из всех видов ВИЭ. Они технически несложны и обеспечивают хорошие экологические показатели. В условиях дефицита энергоносителей и их постоянно растущей цены возрастает роль систем, использующих альтернативные источники энергии. Солнечное тепло-водоснабжение сегодня - не миф, а уже достаточно распространенное явление.
Новое поколение гелиосистем позволяет в летнее время не использовать котел для нужд горячего водоснабжения, а в зимний период снизить нагрузку на него на 40-60%. Белгородская область располагается в районе, в котором на 1 квадратный метр поступает от 3 до 4 кВт•час солнечной энергии в день; продолжительность солнечного сияния также относительно высока по сравнению с другими центральными регионами России.
С целью экономии энергоносителей на территории БГТУ им. В.Г. Шухова в рамках демонстрационной зоны по энергосбережению внедрена система подготовки горячего водоснабжения спортивной кафедры с использованием солнечных коллекторов, структура которой приведена на рисунке 2.
До монтажа гелиоустановки тепловой пункт здания представлял собой типовую независимую схему присоединения систем холодного и горячего водоснабжения. Применительно к исследуемому объекту, схема теплоснабжения в общем виде была устроена следующим образом (рисунок 1).
Рисунок 1 - ФСА типовой АСР температуры воды в системе холодного водоснабжения по объемному расходу горячей воды в теплосети
Повышение температуры воды, идущей на потребительские нужды, осуществлялось посредством теплообменника, а ее регулирование происходило за счет изменения объемного расхода воды по каналу горячего водоснабжения. Однако, при достаточной простоте в процессе эксплуатации и обслуживания, эта схема не обладала достаточно высоким КПД.
Для повышения общей эффективности процесса теплообмена, а также для возможности использования энергосберегающих технологий была произведена интеграция гелиоустановки в общий контур теплоснабжения (рисунок 2).
Рисунок 2 - Функциональная схема автоматизации модернизированной схемы горячего водоснабжения с интеграцией гелиоустановки в общий контур
Как видно, модернизированная структура включает в себя контур теплоносителя гелиоустановки, а также 2 бойлера, служащих для нагрева воды, которыетносятся к типу косвенного нагрева и представляют собой емкости, изготовленные из нержавеющей стали в кожухе с высокоэффективной теплоизоляцией. Нагрев воды происходит через теплообменник, изготовленный по технологии ''бак в баке'', через который протекает теплоноситель системы отопления. Основным достоинствами этого типа аппаратов является быстрота нагрева воды, а также возможность обеспечения сразу нескольких точек водопотребления.
В качестве теплоносителя в рассматриваемой системе нагрева используется антифриз (тосол), который циркулирует с помощью установленных в канале насосов. При работе в летнем режиме (клапан л/з закрыт) антифриз подается при помощи коллекторного насоса; с его помощью вода из основного канала холодного водоснабжения (t = 14 0C), поступающая в 2 бойлера, нагревается до требуемой температуры (t = 14..60 0C), поступая затем к потребителю.
При работе в зимнем режиме (клапан л/з открыт) нагрев воды для потребителей, поступающей по основному каналу, происходит посредством теплообменников, связанных с основным каналом и системой горячего водоснабжения; с последней вода поступает в отопительные системы напрямую.
Структура разработанной системы представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Структура АСДУ ГВС с использованием возобновляемых источников энергии
Экранная форма АРМ диспетчера представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Экранная форма АРМ диспетчера гелиоустановки
По результатам анализа функционирования гелиоустановки в составе системы управления ГВС (рисунок 5) можно сделать вывод, что использование целесообразно в период с середины апреля по середину октября, когда среднесуточная температура воздуха не падает ниже отметки в 14ºС (температуры холодной воды). Анализируя изменение мощности нагрева (рисунок 3), можно сделать вывод, что наибольшая эффективность достигается в летний период года
Следует более детально рассмотреть изменения технологических величин во время эффективного функционирования солнечных коллекторов, т.е. в летнее время года.
Рисунок 5 - График изменения мощности гелиоустановки
Наибольший интерес, с точки зрения технологических параметров, представляет период наиболее эффективного функционирования гелиоколлекторов, который детально изображен на графике (рисунок 6)
По статистическим данным, полученным в процессе эксплуатации гелиоустановки, были построены графики, отображающие эффективность работы системы в целом.
Рисунок 6 - Временные температурные диаграммы работы гелиоустановки (где Тхвс – температура холодного водоснабжения, Тгу – температура на выходе гелиоустановки, Та – температура антифриза, Тб – температура бойлера, Тнв – температура наружного воздуха)
Цветные области на графиках являются условным обозначением промежутков времени в течение суток: обед, вечер, ночь, утро. При анализе вышеприведенных статистических данных выявлены следующие особенности работы системы в целом:
1) При работе в ночное время объемный расход является постоянным. Поскольку солнечное излучение отсутствует, температура гелиоколлекторов стремится по своему значению к температуре наружного воздуха, т.е. происходит остывание теплоносителя гелиосистемы. Вследствие непрерывной рециркуляции остывающего антифриза в системе, температура воды в бойлерах гелиосистемы уменьшается;
2) В утреннее время при возобновлении потребления воды в системе (т.е., начало ее эксплуатации потребителями) температура ГВС падает, одновременно с этим повышается температура теплоносителя вследствие нагрева солнечных коллекторов с постепенным увеличением интенсивности солнечного излучения.
3) Наблюдается максимальная солнечная активность. Температура гелиоколлекторов максимальна. Происходит постепенный нагрев воды в бойлерах гелиоустановки, который в связи с инерционностью процесса достигает своего максимального значения около 17:00 часов.
Пример работы системы солнечных коллекторов 6 сентября 2011 года в 16:00 показан на рисунке 4 в виде экранной формы автоматизированного рабочего места диспетчера. На форме показаны основные параметры системы горячего водоснабжения, поступающие к оператору в режиме реального времени.
Температура холодной воды, поступающая от горводоканала 17.82°С, тепло от солнечных коллекторов позволяет нагреть воду до 36°С, подняв температуру на 18°С, так как в данном случае, для комфортного обеспечения горячей водой требуется температура 50-52°С, вода нагревается дополнительно 14° и подается потребителям.
Таким образом, на данный момент 56% тепловой энергии на подготовку горячей воды поступает от гелиосистемы.
За текущий день потреблено 5,08 куб. метров воды, соответственно экономия 90 000 килокалорий или 100 КВтч электрической энергии при использовании электрических бойлеров. За 5 месяцев с достаточным уровнем солнечного облучения коллекторов и достаточной температурой воздуха (май, июнь, июль, август, сентябрь), соответственно, возможна эффективная работа в течение 150 дней, с результатом в 13,5 ГКал тепловой энергии или 15 000 кВт•ч электрической энергии. Таким образом обосновывается целесообразность применения солнечных коллекторов общей площадью 24 кв.метра в составе гелиоустановки с суммарным объемом баков-аккумуляторов 4000 л, при среднесуточном потреблении горячей воды 5-8 куб. м.
Применение гелиоколлекторов в составе системы энергоснабжения БГТУ им. В.Г.Шухова позволяет не только следовать современной концепции энергоэффективности, но и построить мощную демонстрационную зону для получения практических навыков по техническим дисциплинам. Гелиоустановка входит в состав комплекса виртуальных лабораторий БГТУ им. В.Г.Шухова.