ВОПРОСЫ ТЕОРИИ. И ИННОВАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ. ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ. ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

С СЕЗОННЫМ АККУМУЛИРОВАНИЕМ

Специфической чертой СТНССА, принципиально от­личающей их от других энергоинтенсивных систем, явля­ется наличие одного «бесплатного» источника - Солнца. Поэтому проведение чисто термодинамического анализа СТНССА на потери эксергии и степень термодинамиче­ского совершенства, хотя и является возможным, но будет мало информативным, поскольку часть эксергетических потерь как будто бы «ничего не стоит».

Однако при переходе к термоэкономическим показате­лям потери эксергии в подсистеме солнечный коллектор - теплообменники обретают вполне конкретную стоимость, поскольку привязаны к стоимостным характеристикам со­ответствующего оборудования.

СК - солнечный коллектор; Т1-Т15 - теплообменники; И - испаритель; К - конденсатор; СБА - сезонный бак-аккумулятор; БПТ - бак промежуточ­ных температур; БАФ - бак антифриза; БГВС - бак горячего водоснабжения; ЭлК - электрокотел; МОП - маслоохладитель и переохладитель ТНУ; индек­сы: ГВС — горячего водоснабжения; СО — системы отопления; обр - обратной воды; п. п - питательного потока; БПТ - блока промежуточных температур

Для построения графа термоэкономических затрат, от­ражающего структуру СТНССА, приведенной на рис. 2.9 [25], необходимо представить данную систему в более удоб­ном для дальнейшего анализа виде. В частности, необхо - димо указать потоки теплоносителей во всех теплообмен­никах и последовательность прохождения этих потоков по СТНССА (рис. 2.10). Кроме того, на подготовительном эта­пе целесообразно также скомпоновать элементы СТНССА в виде линейной агрегированной структуры, содержащей четыре последовательные зоны (уровня).

Нетрудно видеть, что структурированная схема СТНССА легко трансформируется в граф термоэкономиче­ских затрат, представленный на рис. 2.11. Здесь Z. (г = I, II, ..., XXIII) - термоэкономические затраты в соответству­ющем элементе СТНССА. Номера индексов і совпадают с номерами теплообменников на схеме рис. 2.10 (например, - термоэкономические затраты в теплообменнике Т5). Кроме того, в графе на рис. 2.11 отражено следующее соответствие элементов СТНССА вершинам графа: СК -

Матрица инциденций графа термоэкономических за­трат в СТНССА показана на рис. 2.12.

В соответствии с алгоритмом AZ2opt (2) необходимо сфор­мировать дерево решений (граф возможных термоэконо­мических затрат в СТНССА), общий вид которого показан нарис. 2.13.

Как следует из анализа графа термоэкономических за­трат, приведенного на рис. 2.10, в данном случае дерево ре­шений будет содержать четыре уровня (см. рис. 2.13).

Все приведенные выше процедуры могут быть реализо­ваны для СТНССА как мощностью 0,5 МВт, так и мощно­стью 1 МВт (табл. 2.6).

Дальнейшее рассмотрение проведем на примере СТНССА мощностью 0,5 МВт.

Уровень І (см. рис. 2.13) содержит четыре висячие вер­шины, отражающие возможные суммарные термоэконо­мические затраты в зоне I, включающей в себя (см. рис. 2.10) солнечный коллектор и три теплообменника - Т1, Т2, ТЗ.

Количество вершин уровня II равно четырем в соответ­ствии с четырьмя типоразмерами солнечного коллектора
(Аск = 1000, 2000; 3000, 4000 м2). Соответственно возмож­ные затраты на уровне I

(2.74)

где k = 1, 2, 3, 4 - отражает четыре типоразмера коллекто­ра и необходимые для этого коллектора теплообменники.

Нетрудно видеть, что zi<zi<zi<zIi, поскольку с увеличе­нием площади коллектора возрастает не только стоимость самого коллектора, но и стоимость теплообменников Т1, Т2, ТЗ.

Уровень II также содержит четыре висячие вершины, отражающие возможные термоэкономические затраты в зоне 2 (см. рис. 2.10), включающей в себя баки БПТ, СБА, БАФ, а также теплообменники Т4, Т5,Т6.

Поскольку каждый типоразмер бака-аккумулятора (FCBa = 3000; 4000; 11000; 15000 м3) требует также СБА, БАФ и теплообменников Т4, Т5, Тб соответствующих раз­меров, то по аналогии с уровнем I здесь

Кроме того,

Z[! < Zf < Zl1 < Zf, (2.76)

поскольку с ростом объема FCEA возрастают необходимые затраты на остальные баки и теплообменники.

Уровень III, отражающий возможные термоэкономиче­ские затраты на тепловой насос и вспомогательное теплооб­менное оборудование, содержит четыре вершины, характе­ризующие коэффициент использования теплового насоса. Здесь основным отличием от предыдущих двух уровней яв­ляется неизменная стоимость самого оборудования, но при этом существенно разнятся затраты на электроэнергию в зависимости от коэффициентов использования теплового насоса п = 0,2; 0,4; 0,6; 1,0. Здесь

гжІІІ _ г? т і ym, ym, r/m, гтт. г? тп, rrm, rjm. r? m, ijm / n rr Г7

— **VII + Z*IX + "X + ZtXI +^XII +ZJXIII + Z/IX +Z/XX + ^XXl + ^XXTV » П J

m = 1, 2, 3, 4. Кроме того,

Z™ < Z2//J < z{u <z[n, (2.78)

поскольку с увеличением n возрастают и затраты в этой зоне.

Уровень IV отражает возможные термоэкономические затраты на электрокотел, теплообменники Т14 и Т15, а также на бак горячего водоснабжения (БГВС). Включение БГВС в эту зону является условным, поскольку затраты на его работу не зависят от времени работы электрокотла.

На уровне IV происходит нагрев воды после уровня III и, соответственно, этот уровень также содержит четыре вер­шины, которые упорядочены по возрастанию затрат:

В дереве решений на рис. 2.13 число нижних индексов у висячих вершин соответствует номеру уровня (зоны) де­рева решений и отражает суммарные термоэкономические затраты в системе СТНССА на данном и предыдущем уров­нях. Например, вершина Z[T.[_3 отражает затраты по вы­бранному варианту: 1 - в зоне I, 1 - в зоне II и 3 - в зоне III.

Таким образом, оценка висячих вершин в зоне IV дает суммарные затраты в предлагаемом варианте СТНССА в целом.

Применение алгоритма AZ£pt (2) в соответствии с опи­санной выше методикой позволило получить минимальное
значение термоэкономических затрат для висячей верши­ны Z113 2. Поэтому оптимальной с термоэкономической точки зрения СТНССА мощностью 0,5 МВт является систе­ма, содержащая солнечный коллектор Аск = 1000 м2, FCBA = 3000 м3, п = 0,8. Здесь минимальное значение термоэко­номических затрат:

Z°pt = г1Л_з_2 = 80 048 руб/год. (2.81)

Эксергетические же потери в системе солнечного кол­лектора, как уже отмечалось выше, определяются также через стоимостные характеристики оборудования.

В дереве решений на рис. 2.13 оптимальный вариант, по­казан «жирными» линиями, связывающими различные уровни дерева (зоны СТНССА).

Предлагаемый метод позволяет однозначно определить оптимальный из 16 исходных вариантов, равноценных в функциональном и энергетическом отношениях. Как по­казывает предварительно выполненный анализ, для опре­деления минимальных затрат методом прямого перебора надо было бы рассчитать полных 64 варианта системы, в то время как применение предлагаемой процедуры термоэко­номической оптимизации на графе термоэкономических затрат потребовало в данном случае всего восемь полных расчетов СТНССА (зона IV), восемь расчетов до зоны III и по 16 расчетов зон I и II. В результате время определения оптимального варианта уменьшилось более чем в 6 раз.

Необходимо подчеркнуть, что эксергоэкономический метод оптимизации в равной степени применим для опти­мизации и других энергетических систем, использующих возобновляемые источники энергии [26, 27]. Более того, он может быть использован при поиске оптимального вари­анта любой технической системы, так как в каждом тех­ническом устройстве имеются потоки и потери эксергии, которые могут быть оценены в денежном отношении. По величине потерь эксергии можно определить энергетиче­
ские показатели рассматриваемых вариантов технических систем.