Раздел - Энергоснабжение

Схемы систем горячего водоснабжения

Установка солнечного горячего водоснабжения сезонного действия без дублера с принудительной циркуляцией (рис. 1.12) состоит из солнечных коллекторов, скоростных теплообменников, циркуляционных насосов теплоприемного контура, насосов контура горячего водоснабжения, расширительного бака, баков-аккумуляторах, регулирующей и водоразборной арматуры.

Она может быть рекомендована для жилых зданий, спальных корпусов пансионатов, баз отдыха и т. д. Количество теплоносителя, циркулирующего через водонагреватели, изменяется регулятором в зависимости от интенсивности солнечной радиации для поддержания постоянной температуры его нагрева.

Холодная вода в скоростном теплообменнике также нагревается до постоянной температуры +50 °С за счет изменения ее расхода регулятором и сливается в баки-аккумуляторы. Из них вода насосами горячего водоснабжения подается к водоразборной арматуре, либо, при ее достаточном количестве в баках, но недостаточной температуре (в результате остывания и малого расхода) к водоподогревателю - теплообменнику, для догрева до требуемой температуры.

Установки солнечного горячего водоснабжения сезонного и круглогодичного действия со 100 %-ным обеспечением горячей водой с использованием дублера могут быть выполнены по двум схемам: с периодической работой дублера (рис. 1.13) и с использованием постоянно работающего дублера в качестве догревателя (рис. 1.14).

Установка включает в себя два контура циркуляции:

-теплоприемный контур, состоящий из солнечных коллекторов, циркуляционных насосов и теплообменников в баках–аккумуляторах;

-контур горячего водоснабжения, состоящий из баков-акку-муляторов, циркуляционных насосов и насоса внутренней циркуляции.

Оборудование соединено между собой трубопроводами с регулирующей арматурой.

Установка оборудования системы автоматического регулирования, обеспечивающей начало циркуляции теплоносителя и прекращение ее при определенном уровне температур в теплоприемном контуре и в баках–аккумуляторах.

Рис. 1.12. Установка солнечного горячего водоснабжения

сезонного действия без дублера

На рисунке обозначено: 1 – солнечный коллектор; 2 – расширительный бак; 3 – циркуляционный насос теплоприемного контура; 4 – скоростной водоподогреватель; 5 – бак–аккумулятор горячей воды; 6 – насос контура горячей воды; 7 – клапан трехходовой смесительный; 8 – регулятор температуры.

Рис. 1.13. Установка солнечного горячего водоснабжения с периодической работой дублера

На рисунке обозначено: 1 – солнечный коллектор; 2 – расширительный бак, 3 – циркуляционный насос теплоприемного контура; 5 – бак-аккумулятор со змеевиком; 6 – насос контура горячей воды

Установка функционирует следующим образом: теплоноситель теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах, объединенных трубопроводами в две параллельные петли, направляется в теплообменники баков-аккумуляторов и далее – в межтрубное пространство скоростных водонагревателей, оттуда к циркуляционным насосам теплоприемного контура, которые возвращают его в солнечные коллекторы.

При разогреве водопроводной воды в баках-аккумуляторах до +50 °С автоматически включается в работу циркуляционный насос (основной или резервный), установленный на обратном трубопроводе установки горячего водоснабжения. В случаях, когда интенсивности солнечной радиации недостаточно для подогрева водопроводной воды до требуемой температуры, в установку горячего водоснабжения автоматически, с помощью регулятора, добавляется горячая вода из дополнительного бака-аккумулятора, постоянно подогреваемая от теплосети.

Заполнение теплоприемного контура производится из теплосети.

Для детских дошкольных учреждений рекомендуется применять установку с двумя отборами проб воды разных температур (рис. 1.14): для кухни +50...+55 °С с дублированием нагрева в проточном электроводоподогревателе, для умывальников и душевых – +40 °С с возможностью автоматического переключения подачи воды из верхней или средней секции бака–аккумулятора и зависимости от их температуры.

Рис. 1.14. Установка солнечного горячего водоснабжения

с постоянной работой дублера

На рисунке обозначено: 1 – солнечный коллектор; 2 – расширительный бак; 3 – циркуляционный насос теплоприемного контура; 4 – скоростной водоподогреватель; 5 – бак–аккумулятор; 6 – сетевой насос; 7 – электроводонагреватель

Обозначения

О – нормы расхода горячей воды при температуре +65 °С, л;

тt – нормы расхода горячей воды при температуре горячей воды, отличающейся от +65 °С, л;

tг1 – нормированное значение температуры горячей воды, °С;

tг – температура воды, подаваемая потребителю, °С;

F – площадь поглощающей поверхности гелиоустановки, м2;

Мг – расход горячей воды в системе горячего водоснабжения или отопления, кг/сутки;

q1 – интенсивность солнечной радиации, падающей на поверхность, коллектора, Вт/м2;

Iв – интенсивность прямой солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, Вт/м2;

Id – интенсивность рассеянной солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, Вт/м2;

Рз, Рd – коэффициенты положения солнечного коллектора соответственно для прямой и рассеянной радиации;

b – угол наклона солнечного коллектора к горизонту, град;

η – КПД установки;

– среднедневная температура наружного воздуха, °С;

t1 , t2 – температура теплоносителя соответственно на входе и выходе солнечного коллектора, °С;

tг – температура горячей воды, поступающей потребителю, °С;

tx – температура водопроводной воды (tx = +15 °С);

U – приведенный коэффициент теплопотерь солнечного коллектора, Вт/(м2∙К);

V – объем бака-аккумулятора, м3;

Fm,а – площадь нагрева теплообменного аппарата, м2;

Ф – тепловая мощность систем горячего водоснабжения и отопления, Вт;

к m а – коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата, Вт/(м2∙К);

Δtm а – разность температур в теплообменнике, °С;

Δtmах, Δtmin – максимальный и минимальный перепад температур в теплообменнике, °С;

φn т – количество теплоты, которая вырабатывается гелиоустановкой в единицу времени, ГДж;

η1 – годовой (сезонный) КПД установки;

A,V – характеристики солнечных коллекторов, м2/(ГДж·сутки) и м3/(ГДж·сутки), соответственно;

Q – количество теплоты, вырабатываемой гелиоустановкой за год, ГДж;

B – количество сэкономленного условного топлива за год, т;

Q – суммарное количество теплоты, выработанное установкой за год (сезон), ГДж;

ηзам – КПД заменяемого источника теплоты.

Проекты использования нетрадиционных источников энергии в системе теплоснабжения г. Ростова-на-Дону. В 1996-1997 гг. институт Ростовтепло-электропроект совместно с рядом Ростовских организаций выполнил разработку первоочередных мероприятии по реконструкции системы теплоснабжения г. Ростова-на-Дону. Значительное место в нем уделено использованию нетрадиционных источников энергии. Наиболее целесообразным определено применение солнечной и ветровой энергии. Для ростовского региона характерны пиковая интенсивность прямой солнечной радиации порядка 0,9, а суммарной – примерно 1 кВт∙ч/м2, годовая интенсивность солнечной радиации – 1350 кВт∙ч/м2, среднее число солнечных часов в году – 2149. Эти условия благоприятны для использования солнечной энергии и получения с помощью простых плоских солнечных коллекторов горячей воды с температурой до 70 °С. Имеется возможность создавать достаточно эффективные гелиоустановки как коллективного, так и индивидуального пользования с применением тепловых аккумуляторов относительно малой мощности.

Так, автоматизированная гелиоустановка горячего водоснабжения производительностью 1000 т воды в сутки (около 50 Гкал/сут) может обеспечить горячей водой в весенне-летне-осенний период микрорайон с населением 10-15 тыс. человек. Для сооружения такой установки требуется площадка размерами всего 100х200 м. При грамотном решении вопросов подготовки теплоносителя с исключением коррозии, накипеобразования и бактериальных отложений на внутренних поверхностях преобразователей солнечного излучения можно гарантировать срок службы установки не менее 25-30 лет.

Размещение гелиоустановок возможно на пустырях городских окраин, на специальных конструкциях над руслами малых рек, на солнцезащитных тентах над спортивными площадками, пляжами, местами отдыха, на крышах и фасадах жилых и производственных зданий и т. п.

В Ростове-на-Дону и Ростовской области в настоящее время действует несколько крупных гелиоустановок с площадями солнечных коллекторов от 100 до 450 м2. Эксплуатация подтвердила их эффективность.

Для использования солнечной энергии с целью повышения экономичности и улучшения экологических параметров Ростовских городских систем теплоснабжения в период 2000-2002 гг. планируются к внедрению новые гелиоустановки.

Для солнечного догрева воды в обратной магистрали теплосети Ростовской ТЭЦ-2 намечено сооружение гелиоустановки в районе подкачивающей насосной станции у реки Темерник. Здесь имеется площадка с бросовыми землями, и возможно сооружение тентовых конструкций над рекой. Общая площадь для размещения гелиоустановки составляет примерно 8 га. На этой площади можно создать крупную солнечную станцию с преобразователями солнечного излучения в тепловую энергию, имеющими общую площадь 20 000 м2. Пиковая тепловая мощность такой солнечной станции составит 12 МВт (10,3 Гкал/ч), что позволит подогревать весь объем воды в обратной магистрали на 12-15 0С летом (при расходе 800-900 т/ч) и на 2-3 0С зимой (при расходе 2 500-2 600 т/ч). При этом общее расчетное количество тепловой энергии, отдаваемой за год в теплосеть ТЭЦ-2 при выводе солнечной станции на полную проектную мощность, составляет не менее 12 000 Гкал.

Расчетные температуры в обратной магистрали теплосети составляют в зимний период 70, в летний -60 0С. Поэтому необходимо на выходе из поля солнечных модулей получить температуру теплоносителя до 80-85 0С. Обеспечить такие значения с помощью простых плоских солнечных коллекторов затруднительно даже с применением селективных покрытий теплоприемных панелей. В связи с этим принято решение использовать модули с параболоцилиндрическими концентраторами и вакуумированными трубчатыми приемниками солнечного излучения.

Гелиоустановка строится по двухконтурной схеме (рис. 1.15). Закрытый первичный циркуляционный контур включает поле солнечных модулей, циркуляционный насос ЦП и подогреватель обратной сетевой воды ПОСВ. Контур снабжен расширительным баком РБ и заполнен незамерзающим нетоксичным теплоносителем, приготовление которого осуществляется на установке подготовки теплоносителя УПГ. Во вторичном контуре обеспечивается подогрев сетевой воды.

Рис. 1.15. Структурная схема гелиоустановки Ростовской ТЭЦ-2

Специальное оборудование (солнечные модули, аппаратура управления и пр.) для рассматриваемой гелиоустановки будет изготовлено силами КБ «РАДИАН» (г. Ростов-на-Дону) и НПО «Астрофизика» (г. Москва).

Требуемый объем капитальных вложений для сооружения рассматриваемой гелиоустановки весьма значителен и на 1.06.99 составляет около 30 млн р. Поэтому предлагается строить ее в две-три очереди.

В соответствии с технико-экономическими расчетами себестоимость вырабатываемой солнечной установкой тепловой энергии будет в 2-3 раза меньше отпускных цен на тепловую энергию Ростовской теплосети, и в период с 2001 (после вывода установки на полную проектную мощность) до 2005 г. все затраты на ее создание окупятся.

В зоне расположения северной котельной № 3 также имеется площадка с бросовыми заболоченными землями и существует возможность размещения тентовых сооружений над р. Каменка. Общая площадь этого участка составляет 6 га. На такой территории возможно размещение солнечных модулей общей площадью 14 000 м2.

Сопряжение гелиоустановки с тепловой частью котельной предлагается выполнить по схеме, показанной на рис. 1.16. Благодаря низким рабочим температурам в гелиоконтуре в этом случае можно использовать в качестве преобразователей дешевые плоские солнечные коллекторы.

После солнечных коллекторов включается в первичный закрытый контур с незамерзающим теплоносителем, в него вводится подогреватель первой ступени П1, вода в который нагнетается главным электронасосом ГВЭН. Циркуляция теплоносителя в этом контуре обеспечивается насосом ЦН. На выходе поля солнечных коллекторов расчетная температура составляет 40 0С. Догрев воды, подаваемой в аккумулятор горячей воды АГВ, до нужной температуры осуществляется в подогревателе второй ступени П2 котлами К1, К2, К3. Вода в котлы подается, питательным электронасосом ПЭН, а из АГВ в теплосеть – сетевым электронасосом СЭН. Теплоноситель для гелиоконтура (он поступает сюда через расширительный бак РБ) и контура котлов готовится на химводочистке ХВО.

Рис. 1.16. Структурная схема гелиоустановки

Северной котельной № 3 в г. Ростов-на-Дону

Расчетная пиковая тепловая мощность гелиоустановки составит 6,8 МВт, при этом в схему котельной поступает 10 тыс. Гкал теплоты в год. Использование гелиоустановки в данном варианте более эффективно, чем в гелиоустановке теплосети ТЭЦ-2 в связи с уменьшением тепловых потерь с поверхности теплоприемников солнечного излучения при более низких рабочих температурах.

Общая сумма капитальных вложений для сооружения гелиоустановки на 1.06.99 превышала 18 млн р. Эти затраты предлагалось разделить на 2 года и построить гелиоустановку в две очереди с вводом в 2000 г. секции пиковой тепловой, мощностью 3 МВт, а в 2001 г. – второй секции мощностью 5,8 МВт. Расчет основных технико-экономических показателей установки показывал, что все затраты на ее создание окупятся к началу 2006 г.

В Ростове-на-Дону за период 1999-2002 гг. планировалось строительство многоэтажных жилых домов общей площадью примерно 1 млн 300 тыс. м2 (150 домов) и индивидуального жилья (коттеджей) общей площадью 600 тыс. м2 (до 2000 домов). При этом появляется возможность получить значительную экономию тепловой энергии, потребляемой из городских теплосетей за счет создания автономных гелиоустановок горячего водоснабжения на крышах строящихся зданий (сооружение таких гелиоустановок предписано специальным постановлением главы администрации г. Ростова-на-Дону).

Гелиоустановки для жилых домов могут быть построены по схемам закрытым или открытым циркуляционным контуром.

Примечание: в помощь специалисту введен впервые ГОСТ 51594-2000.

Нетрадиционная энергетика (Солнечная энергетика). Термины и определения.