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

全文:

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.

作者简介

O. Kokorin

Moscow State Construction University

编辑信件的主要联系方式.
Email: info@eco-vector.com

D. in Engineering, Professor

俄罗斯联邦, Moscow

I. Levin

TrainTechnologies

Email: info@eco-vector.com
俄罗斯联邦

参考

补充文件