Energy and economic advantages of combining autonomous heat sources of buildings with sources of cooling air conditioning systems

Full Text

За последние годы расширилось применение децентрализованных источников теплоснабжения как отдельных зданий, так и группы зданий различного назначения [1, 5]. Для нагрева воды в местных и групповых источниках теплоснабжения используют эффективные котлы на газовом топливе. Высокая степень автоматизации работы газовых котлов позволяет обеспечить их безопасность и минимизировать участие людей в эксплуатации, в том числе при необходимости изменения режимов [1].

Характерный пример современного автономного источника теплоснабжения - показанная на фото газовая крышная котельная мощностью 10 МВт, сооруженная в первом высотном здании комплекса «Москва-Сити» [1]. На нужды отопления, вентиляции и функционирования систем кондиционирования воздуха (СКВ) в холодный период года в этом здании в расчетном режиме по параметрам Б [4] затрачивается 8 МВт теплоты. На нужды горячего водоснабжения в течение года расходуется только 2 МВт теплоты. Поэтому в теплый период года часть мощности крышной котельной, составляющая 8 МВт, не используется.

 

Высотное административно-общественное здание в комплексе “Москва-Сити” с газовой крышной котельной на техническом этаже

 

Как показывают натурные наблюдения и расчеты, в жаркие дни июня - июля в Москве температура наружного воздуха превосходит расчетные параметры Б [4] и достигает = 32...34 °С. В помещениях современных административно-общественных зданий находится достаточно много служебного оборудования, потребляющего электроэнергию, которая переходит в теплоту. Значительные внутренние тепловыделения и высокая температура наружного воздуха создают условия для формирования в помещениях дискомфортных для людей параметров микроклимата.

 

Абсорбционная одноступенчатая холодильная машина (2000...4800 кВт) Система Horizon™

 

Характерно, что в административно-общественных зданиях, проекты которых не предусматривали применения СКВ, для охлаждения помещений широко применяют автономные кондиционеры оконного типа или монтируемые по раздельной схеме (сплит-системы). Пример массовой установки оконных кондиционеров в построенном здании - институт «Гидропроект», расположенный на развилке Ленинградского и Волоколамского шоссе в Москве. В новых жилых зданиях повышенной этажности постройки последних лет массовым явлением становится последующая установка жильцами автономных кондиционеров по раздельной схеме. Смонтированные на наружных стенах компрессорно-конденсаторные блоки искажают архитектурный облик здания, а из-за возможности падения они представляют собой источник потенциальной опасности для людей.

Обязательным условием энергосбережения и снижения оплачиваемой стоимости теплоты на нужды отопления и вентиляции всех видов зданий становится применение организованной приточно-вытяжной вентиляции с утилизацией теплоты вытяжного воздуха на нагрев санитарной нормы приточного наружного воздуха [4]. Вместо стихийного применения дорогих и энергоемких средств охлаждения воздуха в уже построенных зданиях энергетически, экономически и эстетически рационально предусматривать средства охлаждения помещений в проектах зданий. Системы кондиционирования воздуха выполняют все функции круглогодового обеспечения комфортных для людей параметров воздуха в помещениях. Одной из дорогих и энергозатратных составляющих СКВ (по капитальным и эксплуатационным затратам) является источник получения холода для охлаждения приточного воздуха и служебного оборудования.

Наиболее распространены СКВ с источниками получения холода на базе парокомпрессионных холодильных машин. Энергетический показатель систем холодоснабжения с помощью таких машин СКВ имеет среднее значение η_{х.ком.СКВ}, равное 2,4 кВт холода на 1 кВт электроэнергии.

 

Абсорбционная одноступенчатая холодильная машина (400...1630 кВт)

 

Наметившаяся тенденция к расширению применения автономного теплоснабжения зданий создает возможности для более энергетически и экономически целесообразного решения вопроса об обеспечении холодом СКВ в зданиях различного назначения путем использования теплоты от местных автономных источников.

В первом высотном здании комплекса «Москва- Сити» с мощной газовой крышной котельной для обеспечения холодом СКВ сооружена холодильная станция па базе парокомпрессионных холодильных машин. Более рационально было бы для получения холода использовать часть вырабатываемой крышной котельной теплоты в количестве 8000 кВт, которая не расходуется в теплое время года. Это можно сделать с помощью абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин.

 

Абсорбционная двухступенчатая холодильная машина (1300...6000 кВт) Система Horizon™

 

Фирма «Трейн» является одним из мировых лидеров в создании энергетически эффективных и надежных в работе абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин. Долголетний опыт конструирования, исследования и эксплуатационного обслуживания позволил фирме создать современные энергоэкономичные и надежные в работе такие машины номинальной холодопроизводительностью от 390 до 6000 кВт [3].

По результатам работы бромисто-литиевых холодильных машин типа ABSC фирмы «Трейн» на горячей воде (110/80°С) в торговом центре «Три Кита» в Московской области [2, 3] энергетический показатель холодоснабжения СКВ η_{х.абс.скв}=7,6 кВт/кВт.

Располагая летом свободной тепловой мощностью 8000 кВт от газовой крышной котельной высотного здания «Москва-Сити», можно получить в абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машинах фирмы «Трейн», 5000 кВт • ч холода. При этом расход электроэнергии составит 5000/7,6=658 кВт•ч.

Известно, что при сжигании в современных котлах 1 м³ газа вырабатывается 7 кВт теплоты. При стоимости 1 м³ газа 0,7 руб. стоимость теплоты составит 0,7/7 = 0,1 руб/кВт. Электроэнергия в дневные часы, когда требуется холод для СКВ в административных зданиях, стоит 1,45 руб/(кВт•ч). Тогда для выработки 5000 кВт•ч холода в абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машинах фирмы «Трейн» стоимость электроэнергии

С_{х.абс.СКВ}=8000-0,1+658•1,45=1754 руб/ч.

В традиционной схеме холодоснабжения на базе парокомпрессионных холодильных машин, принятой в высотном здании, для выработки 5000 кВт•ч холода потребуется электроэнергия в количестве 5000/2,4=2083 кВт•ч. В этом случае стоимость затраченной электроэнергии составит 2083·1,45=3020 руб.

В климате Москвы холодильные машины в составе СКВ работают около 1600 ч/год при среднем потреблении холода, равном 0,65 их номинальной холодопроизводительности.

Вычислим годовые затраты на холодоснабжение

СКВ от абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин фирмы «Трейн»: расход теплоты

ΣQ_т.абс = 8000·1600·0,65=8320000 кВт•ч/год;

стоимость теплоты

ΣС_абс.=8320000-0,1=832000 руб/год;

расход электроэнергии

ΣN_{абс.СКВ}=658•1600•0,65=684320 кВт•ч/год;

стоимость электроэнергии

ΣC_N.a6c.CKB=684320•1,45=992264 руб/год;

суммарная годовая стоимость энергии, затраченной на выработку холода для СКВ:

ΣΣС_{х.абс.скв.}=ΣС_т.абс.+ΣС_{Nабс.скв.}=832000+992264=1824264 руб/год.

В традиционной СКВ с холодоснабжением от парокомпрессионных холодильных машин годовые затраты составляют:

расход электроэнергии

ΣN_{х.ком.скв}=2083-1600-0,65=2166320 кВт•ч/год;

стоимость затраченной электроэнергии

ΣC_{Nх.ком.скв}=2166320-1,45=3141164 руб/год.

Годовая экономия оплаты за энергию при использовании теплоты газовой крышной котельной для работы абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин фирмы «Трейн» по сравнению с традиционным холодоснабжением от парокомпрессионных холодильных машин

ΔΣC_х.СКВ=ΣC_{Nх.ком.СКВ}-ΣΣC_{х.абс.СКВ}=3141164-1824264=1316900 руб/год.

Большое значение для сооружения системы электроснабжения здания имеет снижение подводимой к нему электрической мощности от центральных систем электроснабжения. Для СКВ с холодоснабжением от абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин фирмы «Трейн» снижение расхода электроэнергии по сравнению с традиционным решением (применение парокомпрессионных холодильных машин) составляет

ΔN_x.CKB=N_{x.ком.СКВ}-N_{x.абс.СКВ}=2083 658=1425 кВт·ч.

Такое снижение подводимой электрической мощности позволит значительно сократить затраты на электрические кабели, трансформаторную подстанцию и другое оборудование. Сокращение затрат на энергоснабжающее оборудование будет сопоставимо с повышением стоимости абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин по сравнению с парокомпрессионными холодильными машинами одинаковой номинальной холодопроизводительности.

Применение абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин фирмы «Трейн» обеспечивает по сравнению с парокомпрессионными холодильными машинами следующие дополнительные преимущества.

Максимально упрощаются эксплуатационное обслуживание и визуальный контроль [2]. Не требуется масла для смазки движущихся частей. Вакуум-насосы и насосы для циркуляции рабочего раствора смазываются и охлаждаются дистиллированной водой. Летучим компонентом рабочего вещества является вода, которая при нарушении герметичности системы и испарении не может нанести вреда окружающей среде.

Отсутствуют дорогостоящие механизмы, содержащие пары трения, что снижает стоимость монтажа и обслуживания, увеличивает срок службы оборудования, который превышает 50 лет.

Система автоматического контроля абсорбционных холодильных машин фирмы «Трейн» предусматривает:

• контроль температуры охлажденной воды, что позволяет изменять холодопроизводительность холодильных машин в соответствии с потребностями СКВ в холоде;
• предотвращение замерзания охлаждаемой воды в испарителе холодильной машины и предохранение абсорбера от кристаллизации бромистого лития, обеспечивающие безопасность и надежность работы;
• применение насосов с электронным регулированием частоты вращения рабочих колес, что сокращает до 60% годовой расход электроэнергии в режимах суточного и годового изменения потребности воздухоохладителей в СКВ в холоде.

В России имеется опыт успешного использования абсорбционных холодильных машин фирмы «Трейн» в СКВ крупных зданий. Так, например, в Московской области в торговом комплексе «Три Кита» осуществлено строительство автономной теплоэлектростанции (АТЭС) на газовом топливе [3]. От сгорания газа в двигателях внутреннего сгорания обеспечивается вращение генератора, вырабатывающего электроэнергию в количестве 5800 кВт, необходимом для функционирования торгового комплекса. Система жидкостного охлаждения двигателей внутреннего сгорания, циркулирующего масла и отходящих дымовых газов позволяет получать теплоту в количестве 5900 кВт в виде горячей воды (110°С), которая зимой используется на нужды отопления и горячего водоснабжения. Традиционно в летние дни горячая вода системы охлаждения двигателя сбрасывается в атмосферу через градирню. Так как торговый комплекс нуждается в летнем охлаждении помещений, то для повышения энергетической эффективности работы АТЭС было принято решение применить две абсорбционные холодильные машины, работающие на сбросной теплоте от системы охлаждения двигателя и дымовых газов [2]. В результате затраты электроэнергии на выработку 1 кВт-ч холода составили 0,1315 кВт•ч. Энергетический показатель холодоснабжения СКВ от работы абсорбционных холодильных машин на сбросной теплоте возрастает до η_х.абс.скв=1/0,1315=7,6 кВт холода на 1 кВт электроэнергии.

В зарубежной практике в административно-общественных зданиях значительных размеров широко применяют АТЭС на газовом топливе в сочетании с абсорбционными холодильными машинами. При этом оборудование АТЭС располагается на крыше. Абсорбционные холодильные машины могут быть размещены на нижних этажах и присоединены к трубопроводам, по которым зимой горячая вода поступает в системы отопления и вентиляции здания.

Строительство высотных зданий в комплексе «Москва-Сити» и других районах Москвы, а также в других регионах страны продолжается. Поэтому излагаемые в статье энергоэффективные и экономичные решения по комплексному энерго-, тепло- и холодоснабжению зданий могут оказаться полезными инвесторам и проектантам. Авторы готовы оказать необходимую консультативную помощью в реализации предлагаемых энергоэффективных методов функционирования зданий различного назначения.

About the authors

O. Ya. Kokorin

Moscow State Construction University

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com

D. in Engineering, Professor

Russian Federation, Moscow

I. E. Levin

TrainTechnologies

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

References

Supplementary files