RU2826330C1 - Способ теплохладоснабжения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к централизованному теплохладоснабжению с аккумулированием низкопотенциального тепла. Способ теплохладоснабжения включает аккумулирование тепла в аккумуляторе тепловой энергии с аккумулирующей средой, состоящей из жидкой и кристаллизованной фаз, отбор тепла от жидкой фазы и трансформацию отобранного тепла в потребляемую теплоту тепловыми насосами, передачу теплоты потребителям, отпуск жидкой фазы из аккумулятора потребителям холода в качестве возвращаемого хладоносителя. Отбор тепла из жидкой фазы тепловыми насосами производят с таким расчетом, чтобы в аккумуляторе в течение всего срока эксплуатации постоянно содержалась кристаллизованная фаза в количестве, не меньшем требующегося для получения температуры жидкой фазы на выходе из аккумулятора, близкой к температуре плавления кристаллизованной фазы. Низкотемпературную жидкую фазу из аккумулятора используют в качестве возвращаемой теплопринимающей среды для отвода тепла из холодильных машин, выработанную тепловыми насосами теплоту отпускают потребителям тепла, а не требующуюся для текущего потребления теплоту передают в накопитель тепла. Техническим результатом является повышение энергоэффективности, снижение затрат электроэнергии на производство тепла и холода. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к энергосберегающим технологиям снабжения теплом и холодом коммунально-бытовых, производственных и др. потребителей.

Известен способ теплохладоснабжения с раздельным получением теплоты с помощью тепловых насосов (ТН) и холода - с помощью холодильных машин (ХМ), в котором ТН отбирают тепло из окружающей среды (воздуха, воды, грунта) или из источников техногенного вторичного тепла, повышают температуру отобранного тепла до пригодного для потребления температурного уровня и подают полученное тепло потребителям теплоты, а ХМ отбирают тепло от охлаждаемых сред или объектов, и отобранное тепло вместе с энергией, затраченной на привод компрессоров ХМ, отводят в окружающую среду [1, 2].

Недостатком в данном случае является то, что при работе ТН, например, с извлечением тепла из атмосферного воздуха, температуру воздуха понижают на несколько градусов, что делает такой холод не представляющим практической ценности. Аналогичным образом, в ХМ, например, парокомпрессионных, с отводом тепла конденсации сжатого рабочего тела в атмосферу, атмосферный воздух нагревают на несколько градусов, что также недостаточно для потребления. В результате огромные количества холода, попутно получаемого в ТН при выработке тепла, и тепла, являющегося побочным продуктом работы ХМ, превращают в тепловые отходы, целенаправленно рассеиваемые в окружающей среде, существенно снижая тем самым энергоэффективность получения теплоты и холода.

Известен способ теплохладоснабжения, принятый за прототип, включающий аккумулирование тепла в аккумуляторе тепловой энергии с аккумулирующей средой, состоящей из жидкой и кристаллизованной фаз, отбор тепла от жидкой фазы и трансформацию отобранного тепла в потребляемую теплоту ТН, предназначенными для извлечения тепла кристаллизации жидкости, передачу вырабатываемой потребляемой теплоты потребителям, отпуск жидкой фазы из аккумулятора потребителям холода в качестве возвращаемого хладоносителя [3, 4].

Отличительные особенности способа-прототипа:

- осуществление с аккумулятором тепловой энергии с аккумулирующей средой, состоящей из жидкой и кристаллизованной фаз, в котором подводимое тепло расходуется на плавление кристаллизованной фазы и повышение температуры образующейся в результате этого жидкой фазы, т.е. на аккумуляцию тепла в жидкой фазе;

- использование в качестве источника энергии жидкой фазы аккумулирующей среды, из которой с помощью ТН отбирают тепло в испарителях-кристаллизаторах первоначально за счет тепла, выделяемого при снижении температуры (охлаждении) жидкости до температуры кристаллизации, а затем за счет теплоты кристаллизации.

В отопительный период способ-прототип осуществляют, главным образом, за счет энергии, получаемой от солнечного коллектора, улавливающего энергию излучения солнца и передающего ее в виде тепла в аккумулятор. Как известно, солнечное излучение крайне непостоянно: в ночное время оно отсутствует, в дневное при неблагоприятных погодных условиях может быть незначительным. Аккумулятор тепловой энергии позволяет накапливать тепло в периоды повышенной солнечной активности с помощью солнечного коллектора и расходовать накопленное в виде жидкой фазы тепло с помощью ТН в периоды снижения или отсутствия солнечной активности.

Работа ТН, предназначенных для извлечения тепла кристаллизации жидкости, увеличивает количество кристаллизованной и уменьшает количество жидкой фаз в аккумуляторе. Соотношение между кристаллизованной и жидкой фазами в аккумуляторе зависит от погоды, и может быть самым различным. В результате высокой солнечной активности, опять же в зависимости от продолжительности солнечной погоды, в аккумуляторе может наблюдаться, как частичное, так и полное плавление кристаллизованной фазы со значительным нагревом жидкости.

Современные солнечные коллекторы в зависимости от вида в периоды высокой инсоляции способны нагревать теплоноситель до 50-300°С. Подача такого теплоносителя в аккумулятор тепловой энергии может нагревать аккумулирующую среду в аккумуляторе до положительных температур в несколько десятков градусов.

Нагрев жидкости в аккумуляторе до высоких температур увеличивает количество аккумулированной в единице объема энергии, уменьшает размеры аккумулятора тепла, повышает температуру кипения рабочего тела ТН, тем самым обеспечивая повышение коэффициента трансформации тепла в ТН и снижение затрат электрической энергии на выработку потребляемого тепла. В результате этого в отопительный период работа аккумулятора тепловой энергии по способу-прототипу, характеризуется периодами образования и накопления в аккумуляторе кристаллизованной фазы аккумулирующей среды переходящими в периоды полного плавления кристаллизованной фазы и нагрева жидкости до высоких температур, и изменением температуры жидкой фазы на выходе из аккумулятора в широком диапазоне.

В неотопительный период способ-прототип осуществляют с отключенным солнечным коллектором за счет:

- геотермального тепла, поступающего через днище, стенки и крышу аккумулятора, выполненного в виде емкости с аккумулирующей средой, размещенной в грунте;

- тепла, поступающего в аккумулятор от потребителей холода с возвращаемой отепленной аккумулирующей средой, используемой в качестве хладоносителя для охлаждения различных сред и продуктов;

- внутренней энергии жидкости, накопленной в аккумуляторе в период работы солнечного коллектора.

Указанных источников энергии вполне достаточно, для обеспечения в неотопительный период потребностей в горячем водоснабжении (ГВС).

Уменьшение поступлений тепла в аккумулятор при отключенном солнечном коллекторе приводит к выработке потребляемого тепла за счет снижения температуры жидкости в аккумуляторе до температуры близкой к температуре ее кристаллизации и дальнейшему извлечению из жидкой фазы теплоты кристаллизации, что в свою очередь увеличивает в аккумуляторе количество кристаллизованной фазы и снижает температуру жидкости на выходе из аккумулятора до температуры близкой к температуре таяния кристаллизованной фазы. Это позволяет в неотопительный период использовать низкотемпературную жидкую фазу из аккумулятора в качестве хладоносителя сезонным потребителям холода, например, для систем кондиционирования воздуха в помещениях.

Наиболее существенный недостаток способа-прототипа: отсутствие возможности отпуска жидкой фазы из аккумулятора в качестве хладоносителя в отопительный период из-за нестабильной и изменяющейся в широком диапазоне температуры жидкой фазы на выходе из аккумулятора, и частого выхода ее за диапазон, требующийся потребителям холода. В результате этого из числа потребителей низкотемпературной жидкой фазы аккумулирующей среды выпадают крупные потребители, которым хладоноситель требуется круглый год, такие как центры обработки данных, серверные, молочные фермы, молокоперерабатывающие заводы и др. предприятия пищевой промышленности. Это уменьшает потребление низкотемпературной жидкой фазы и сокращает рентабельность продаж низкотемпературной жидкой фазы в качестве хладоносителя.

Другой недостаток способа-прототипа связан с тем, что холод по способу-прототипу образуется в ТН как побочный продукт производства тепла. Окончание отопительного периода приводит к исчезновению надобности в отопительном тепле, отключению ТН, вырабатывающих отопительное тепло, прекращению выработки холода, образующегося в процессе производства отопительного тепла, сокращению возможностей по удовлетворению потребностей в холоде, значительно возрастающих в теплое время года.

Недостатком способа-прототипа также является большая потребная площадь теплопринимающих поверхностей и большие размеры солнечного коллектора при его применении в географических регионах с пониженной инсоляцией. Крупный солнечный коллектор, собирающий солнечное излучение с большой площади, отличается повышенными стоимостью и эксплуатационными затратами, снижающими экономическую эффективность его применения вплоть до полной нецелесообразности.

Также недостатком способа является выработка тепла и холода, главным образом, ТН, оснащенными электрическими приводами, потребляющими наиболее ценный и дорогой вид энергии и малая целесообразность замены электрических двигателей в приводе компрессоров ТН двигателями внутреннего сгорания, паровыми и газовыми турбинами. Указанные приводы имеют небольшой КПД (в лучшем случае 30-35%), что даже при частичной утилизации сбрасываемого из них тепла, путем его направления в поток теплоносителя, нагреваемого ТН, приводит к значительным потерям неутилизируемого тепла, отводимого в окружающую среду, и не дает серьезных преимуществ применения тепловых приводов по сравнению с электрическими.

Задача изобретения: повышение энергоэффективности, достижение круглогодичного отпуска жидкой фазы из аккумулятора в качестве продукта потребления, снижение затрат электроэнергии на производство тепла и холода, сокращение инвестиционных затрат, расширение области применения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что способ теплохладоснабжения, включающий аккумулирование тепла в аккумуляторе тепловой энергии с аккумулирующей средой, состоящей из жидкой и кристаллизованной фаз, отбор тепла от жидкой фазы и трансформацию отобранного тепла в потребляемую теплоту ТН, предназначенными для извлечения тепла кристаллизации жидкости, передачу вырабатываемой потребляемой теплоты потребителям, отпуск жидкой фазы из аккумулятора потребителям холода в качестве возвращаемого хладоносителя, производят с отбором тепла из жидкой фазы тепловыми насосами с таким расчетом, чтобы в аккумуляторе в течение всего срока эксплуатации постоянно содержалась кристаллизованная фаза в количестве, не меньшем требующегося для получения температуры жидкой фазы на выходе из аккумулятора близкой к температуре плавления кристаллизованной фазы, низкотемпературную жидкую фазу из аккумулятора используют в качестве возвращаемой теплопринимающей среды для отвода тепла из ХМ, выработанную ТН потребляемую теплоту отпускают потребителям тепла в соответствии с их текущими потребностями, а не требующуюся для текущего потребления выработанную потребляемую теплоту передают в накопитель тепла.

Аккумулирующая среда, состоящая из жидкой и кристаллизованной фаз представляет собой контактный теплообменник, в котором теплообмен между жидкой (более теплой, греющей) и кристаллизованной (более холодной, не меняющей температуру при плавлении) фазами происходит в процессе их непосредственного соприкосновения друг с другом. Кристаллизованная фаза аккумулирующей среды - вещество с пониженной внутренней энергией. Тепло, поступающее в аккумулятор, плавит кристаллизованную фазу и, переходя в жидкую фазу, повышает внутреннюю энергию аккумулирующей среды, не меняя ее температуру.

При недостаточной площади теплообмена (контакта) жидкой фазы с кристаллизованной (при недостаточном количестве кристаллизованной фазы в аккумуляторе или ее отсутствии) холодопоток от кристаллизованной фазы будет не достаточным для охлаждения жидкой фазы до требуемого уровня, в результате чего температура низкотемпературной жидкой фазы на выходе из аккумулятора будет повышаться.

Для гарантированного получения на выходе из аккумулятора жидкой фазы с температурой близкой к температуре плавления кристаллизованной фазы отбор тепла из жидкой фазы ТН производят с таким расчетом, чтобы в аккумуляторе в течение всего срока эксплуатации постоянно содержалась кристаллизованная фаза в количестве, создающем достаточную совокупную площадь поверхности частиц кристаллизованной фазы для охлаждения жидкой фазы до температуры близкой к температуре плавления кристаллизованной фазы.

В результате этого на выходе из аккумулятора в течение всего срока эксплуатации системы, реализующей предлагаемый способ, достигается температура жидкой фазы близкая к температуре плавления кристаллизованной фазы, а жидкая фаза становится пригодной для применения в качестве возвращаемой теплопринимающей среды и отвода с ее помощью тепла из ХМ при более низких и стабильных температурах, чем при традиционном отводе тепла в окружающую среду в теплое время года. Использование такой жидкой фазы в качестве возвращаемой теплопринимающей среды позволяет улучшать энергоэффективность и др. рабочие параметры.

Как известно, принцип работы любой ХМ (парокомпрессионной, воздушно-холодильной, абсорбционной …) заключается в отборе тепла из охлаждаемых сред и объектов, повышении температурного потенциала отобранного тепла до температуры, превышающей температуру теплопринимающей среды, в качестве которой, как правило, используют окружающую среду, представляющую собой самый доступный теплоприемник неограниченной емкости, и сбросе отводимого из ХМ тепла в теплопринимающую среду.

При использовании в качестве аккумулирующей среды пресной воды жидкая фаза в холодной зоне аккумулятора может быть охлаждена до температуры близкой к 0°С (и ниже, если в качестве аккумулирующей среды использовать водные растворы солей, кислот …). В теплое время года в средней полосе России температура окружающей среды достигает 25-30°С, а в южных регионах - более 40°С. Естественно, что затраты энергии на перевод тепла от охлаждаемых сред, объектов … в жидкую фазу аккумулирующей среды с температурой близкой к 0°С будут много меньше затрат энергии на перевод тепла в окружающую среду с температурой 25-30°С, не говоря уже о 40-45°С.

Благодаря этому отвод тепла из ХМ в жидкую фазу аккумулирующей среды обеспечивает значительное снижение затрат энергии в ХМ на перевод тепла от охлаждаемых сред, объектов … в теплопринимающую среду и, соответственно, значительное уменьшает потребления ХМ электрической мощности. В результате этого пользователи ХМ при неизменной холодопроизводительности и конечных параметров охлаждения получают возможность:

- сократить количество потребляемой электроэнергии и затраты на оплату электроэнергии;

- использовать в имеющихся ХМ старой конструкции менее мощные приводные двигатели и за счет этого уменьшить стоимость ХМ;

- перейти на новые ХМ меньшей мощности с менее нагруженными конструкциями машин, что удешевит системы холодоснабжения и позволит сократить как эксплуатационные затраты, так и инвестиционные затраты на модернизацию существующих и создание новых систем холодоснабжения.

Помимо этого, применение низкотемпературной жидкой фазы аккумулирующей среды в качестве теплопринимающей среды открывает перспективы внедрения в холодильную технику более энергоэффективных новых технологий.

Перспективы, открывающиеся в области развития парокомпрессионных холодильных машин (ПКХМ), являющихся на сегодня самыми массовыми из применяемых ХМ.

В настоящее время ПКХМ переводят с признанных экологически опасными традиционных хладагентов на экологически безопасные их природные аналоги, в т.ч. диоксид углерода (СО₂). Применение СО₂ наиболее эффективно в ПКХМ с классическим докритическим (субкритическим) холодильным циклом (с конденсацией сжатого СО₂). Однако на практике такой цикл в обычных ПКХМ не применяют, т.к. в теплое время года сброс отводимого тепла из таких ПКХМ в окружающую среду, становится невозможным по причине низкой температуры конденсации СО₂ (-31°С).

Предлагаемое использование в качестве теплопринимающей среды стабильно низкотемпературной жидкой фазы из аккумулятора, имеющей в теплое время года более низкую температуру, чем окружающая среда, делает возможным круглогодичное конденсирование сжатого СО₂ и использование ПКХМ на СО₂ с докритическим холодильным циклом. Это позволит:

- упростить, удешевить и повысить энергоэффективность ПКХМ на СО₂;

- сократить потребляемую электрическую мощность, по сравнению с внедряемыми в настоящее время ПКХМ с транскритическим холодильным циклом на СО₂ (без конденсации СО₂);

- повысить выгодность и привлекательность применения ПКХМ на СО₂, расширить их применение, уменьшить вредное воздействие ПКХМ на окружающую среду.

Перспективы, открывающиеся в области развития воздушных холодильных машин (ВХМ), использующих в качестве хладагента воздух, делающий их наиболее экологичными ХМ.

В настоящее время ВХМ находят ограниченное применение, по причине более худших энергетических параметров по сравнению с ПКХМ на традиционных хладагентах. Однако вывод традиционных хладагентов из употребления и использование в качестве теплопринимающей среды низкотемпературной жидкой фазы из аккумулятора по настоящему способу, имеющей в теплое время года более низкую температуру, чем окружающая среда, меняют картину.

Отвод тепла между ступенями сжатия от сжимаемого в ВХМ воздуха посредством жидкой фазы аккумулирующей среды исключает зависимость параметров промежуточного охлаждения воздуха от сезона, погоды и времени суток, имеющую место в традиционных ВХМ со сбросом отводимого тепла в окружающую среду, и уменьшает работу сжатия и мощность привода ВХМ.

Отвод тепла из сжатого в ВХМ воздуха посредством жидкой фазы аккумулирующей среды понижает температуру конечного охлаждения сжатого воздуха, что создает прирост холодопроизводительности ВХМ, образующийся в результате расширения более глубоко охлажденного сжатого воздуха.

Указанные факторы улучшают энергетические параметры ВХМ и выгодность применения ВХМ, как средства получения высокоэкологичного холода.

Перспективы, открывающиеся в области развития абсорбционных холодильных машин (АБХМ).

В наиболее широко применяемых бромисто-литиевых АБХМ отвод тепла в окружающую среду при повышении ее температуры до ~30°С приводит к резкому падению холодопроизводительности. Отвод тепла из бромисто-литиевых АБХМ в окружающую среду с низкой температурой (в зимнее время года) угрожает размораживанием АБХМ.

Использование для отвода тепла из АБХМ вместо окружающей среды стабильной низкотемпературной жидкой фазы из аккумулятора позволяет стабилизировать и оптимизировать температуру конденсации хладагента в АБХМ и круглогодично эксплуатировать АБХМ с оптимальной температурой конденсации хладагента, без угроз резкого падения холодопроизводительности и размораживания АБХМ.

Помимо совершенствования ХМ и улучшения их рабочих характеристик передача тепла, отводимого из ХМ в аккумулятор, превращает ХМ, вырабатывающих низкотемпературный и среднетемпературный холод, в круглогодичных поставщиков тепловой энергии.

Также, в отличие от способа-прототипа, в котором низкотемпературная жидкая фаза гарантированно может находится в аккумуляторе только в неотопительный период, настоящий способ характеризуется наличием стабильно низкотемпературной жидкой фазы в аккумуляторе в течение всего срока эксплуатации системы, реализующей способ, что позволяет использовать жидкую фазу аккумулирующей среды из аккумулятора в качестве хладоносителя и теплопринимающей среды круглогодично в любой момент времени. Это увеличивает количество потребителей жидкой фазы, за счет включения в их число потребителей, нуждающихся в получаемом в аккумуляторе хладоносителе круглый год, таких как центры обработки данных, серверные, молокоперерабатывающие и др. предприятия пищевой промышленности …, являющиеся источниками больших количеств бросового низкопотенциального тепла.

Перевод указанных предприятий на централизовано поставляемый хладоноситель вместо его производства с помощью собственных ХМ позволит этим предприятиям избавиться от ХМ для собственного производства хладоносителя, высвободить за счет этого производственные площади, сократить обслуживающий персонал, уменьшить потребление электроэнергии, а в случае нового строительства или модернизации предприятия - сократить количество используемого оборудования, уменьшить объемы строительства, снизить инвестиционные и эксплуатационные затраты.

В установках, реализующих способ-прототип, основным источником тепла для обеспечения потребностей теплоснабжения в отопительный период служит солнечный коллектор, улавливающий излучение солнца и передающий улавливаемое тепло в аккумулятор. Солнечный коллектор - высокотехнологичное и дорогостоящее устройство, применение которого оправдано лишь в регионах с повышенной инсоляцией. В регионах с пониженным уровнем инсоляции для сбора необходимых количеств тепла требуются солнечные коллекторы, отличающиеся существенно большей площадью сбора солнечного излучения, более высокой стоимостью, что во многих регионах приводит к полной нецелесообразности их применения.

Использование в качестве источника исходной тепловой энергии тепловых поступлений от ХМ и теплообменных аппаратов, передающих тепло от охлаждаемых сред в хладоноситель, возвращаемый затем в аккумулятор особенно важно для регионов с низкой инсоляцией в отопительный период. Такие источники тепла требуют меньших по размерам солнечных коллекторов вплоть до исключения необходимости их применения. Уменьшение размеров солнечного коллектора, не говоря об его полном исключении из состава систем теплохладоснабжения, как основного поставщика тепловой энергии, сокращает ассортимент и количество оборудования, используемого в составе теплохладоснабжающей системы, с соответствующим сокращением инвестиционных затрат.

Что касается инвестиционных затрат на трубопроводные сети, требующиеся для поставки жидкой фазы предприятиям-потребителям и возвращения ее в аккумулятор, опыт эксплуатации действующих централизованных систем холодоснабжения показывает, что доля трубопроводного транспорта в общей сумме затрат незначительна и не оказывает существенного влияния на рентабельность применения централизованных систем холодоснабжения.

Поставка жидкой фазы аккумулирующей среды в качестве хладоносителя и теплопринимающей среды, и возврат использованного хладоносителя и теплопринимающей среды в аккумулятор тепловой энергии могут производиться по общим или частично общим трубопроводным сетям, что снижает удельные затраты на прокачку жидкой фазы по трубопроводным сетям.

Кроме того, в эксплуатируемых системах централизованного холодоснабжения тепло, поступающее в системы с возвращаемым хладоносителем, удаляют из хладоносителя традиционными ХМ в окружающую среду. В соответствии с предлагаемым способом тепло, отбираемое из возвращаемой жидкой фазы, трансформируют в потребляемое тепло. Это делает трубопроводную сеть холодоснабжения средством сбора низкопотенциальной энергии, т.е. частью подсистемы теплоснабжения, что расширяет функциональность трубопроводной сети и повышает экономический эффект от ее эксплуатации, т.к. позволяет часть затрат на подачу жидкой фазы в качестве хладоносителя и теплопринимающей среды отнести на средства сбора тепла.

Количество тепла, поступающего в аккумулятор с возвращаемой жидкой фазой, зависит только от количества и мощности подключенных к аккумулятору ХМ и теплообменных аппаратов и не зависит от параметров окружающей среды, что исключает или значительно сокращает зависимость установок, реализующих способ, от климатических условий в местах их размещения и расширяет область применения.

Поддержание низкой температуры жидкой фазы на выходе из аккумулятора в соответствии с настоящим способом производят ТН, отводящими из аккумулятора все поступающее в него тепло, и трансформирующие отобранное тепло в потребляемую теплоту, используемую на обеспечение тепловой энергией потребностей отопления, ГВС, технологического и прочего теплоснабжения. Потребление теплоты теплоснабжения характеризуется значительной, как сезонной, так и суточной неравномерностью. Так в отопительный период расходование тепла на отопление зависит от изменений температуры окружающей среды (погоды), а в неотопительный - полностью отсутствует. Тепло на ГВС требуется круглогодично, но количество потребляемого тепла сильно меняется в течение суток.

Поступления тепла в аккумулятор совершенно не связаны с потребностями потребителей тепла. В связи с этим производительность ТН выбирают исходя из максимальных суточных теплопоступлений в аккумулятор, которые могут иметь место в течение всей эксплуатации. В реальности расчетные максимальные суточные теплопоступления в аккумулятор в отдельные годовые периоды эксплуатации могут даже не наступать. В результате этого при эксплуатации из аккумулятора чаще всего будет отводиться больше тепла, чем необходимо потребителям на текущее потребление. Такая ситуация, например, имеет место в неотопительный период, особенно в жаркое летнее время, когда потребности в тепле на отопление отсутствуют, а поступления тепла в аккумулятор возрастают: от ХМ, потребляющих низкотемпературную аккумулирующую среду в качестве возвращаемой теплопринимающей среды, из систем кондиционирования воздуха и др. систем, потребляющих низкотемпературную аккумулирующую среду в качестве хладоносителя. Соответственно отводу увеличенного количества тепла из аккумулятора повышается выработка пригодного для потребления тепла.

Опыт применения ТН показывает экономическую оправданность их применения только в случае, если потребляется все вырабатываемое тепло. По этой причине недоиспользование не требующегося для текущего потребления тепла, например, традиционным его сбросом в окружающую среду, делает применение ТН для получения температуры жидкой фазы на выходе из аккумулятора близкой к температуре плавления кристаллизованной фазы неэффективным.

Настоящий способ предусматривает отпуск выработанной ТН потребляемой теплоты потребителям тепла в соответствии с их текущими потребностями, с передачей не требующейся для текущего потребления выработанной потребляемой теплоты в накопитель тепла. Последующее использование накопленного тепла переводит неиспользуемое в способе-прототипе тепло в разряд потребляемого, что делает экономические показатели производства тепла по настоящему способу соответствующими показателям производства тепла теплонасосными системами теплоснабжения, т.е. экономически выгодными.

О возможностях полезного использования накапливаемого тепла.

В углеродно-нейтральной экономике, важная роль отводится широкому использованию возобновляемых источников энергии, характеризуемых непостоянством действия (солнце, ветер). Такая экономика требует наличия резервных источников энергии на периоды снижения производства энергии из возобновляемых источников и делает технологии накопления и долговременного хранения больших количеств энергии, в т.ч. тепловой, важнейшим компонентом энергетики будущего.

Например, тепло, накапливаемое в накопителе, входящем в состав теплохладоснабжающей системы, реализующей настоящий способ, может использоваться для покрытия повышенных, по отношению к номинальным, и пиковых потреблений тепла, что исключает потребность в пиковых котлах и котельных, упрощает схему теплоснабжения, сокращает номенклатуру используемого оборудования, инвестиционные и эксплуатационные затраты.

Накопители тепла, входящие в состав удаленных систем теплоснабжения в углеродно-нейтральной экономике могут использоваться в качестве местных котельных или служить дополнением к местным котельным, производящим тепло за счет сжигания безуглеродных топлив (водород, аммиак). Наличие систем накопления энергии на таких котельных в силу их приближенности к потребителям энергии представляется особенно рациональным, т.к. сокращает протяженность трубопроводной сети, подающей тепло конечным потребителям.

Постоянное наличие в аккумуляторе в течение всего срока эксплуатации кристаллизованной фазы в количестве, не меньшем требующегося для получения температуры жидкой фазы на выходе из аккумулятора близкой к температуре плавления кристаллизованной фазы, достигается отбором тепла из жидкой фазы аккумулирующей среды ТН, предотвращающими накопление в аккумуляторе тепла в количествах, способных расплавить кристаллизованную фазу в аккумуляторе до недопустимого значения. Такой отбор тепла из аккумулятора может производиться самыми разнообразными методами.

Для сохранения в аккумуляторе достаточного количества кристаллизованной фазы предлагается при приближении количества кристаллизованной фазы в аккумуляторе к значению, требующемуся для получения температуры жидкой фазы на выходе из аккумулятора близкой к температуре плавления кристаллизованной фазы, переходить к ежесуточным отборам тепла из аккумулятора равным или большим суточных поступлений тепла в аккумулятор (например, увеличением числа работающих ТН), и возвращаться при приближении количества кристаллизованной фазы в аккумуляторе к максимально допустимому значению к ежесуточным отборам равным или меньшим суточных поступлений тепла в аккумулятор (например, уменьшением числа работающих ТН).

Ежесуточные отборы тепла из аккумулятора равные или большие его суточных поступлений в аккумулятор возможны только за счет извлечения тепла кристаллизации из жидкой фазы. Это создает по окончании суточных циклов осуществления способа гарантированные приросты количества кристаллизованной фазы, приводящие к постепенному ее накоплению в аккумуляторе до максимального значения. Возвращение при приближении количества кристаллизованной фазы в аккумуляторе к максимальному значению к ежесуточным отборам тепла из аккумулятора, равным или меньшим суточных поступлений тепла в аккумулятор, ведет к недоотбору тепла из аккумулятора, плавлению кристаллизованной фазы и уменьшению ее количества в аккумуляторе. Затем при очередном приближении количества кристаллизованной фазы в аккумуляторе к значению, требующемуся для получения температуры жидкой фазы на выходе из аккумулятора близкой к температуре плавления кристаллизованной фазы вновь переходят к ежесуточным отборам тепла из аккумулятора равным или большим его суточных поступлений. Такая эксплуатация аккумулятора дает полную гарантию не уменьшения количества кристаллизованной фазы в аккумуляторе ниже количества, требующегося для получения температуры жидкой фазы на выходе из аккумулятора близкой к температуре плавления кристаллизованной фазы и обеспечивает низкую температуру жидкой фазы на выходе из аккумулятора в течение всего срока эксплуатации системы, реализующей предлагаемый способ.

Кроме того, упрощается регулирование, т.к. отбор из аккумулятора тепла в точности соответствующий его поступлению в аккумулятор на практике затруднен и нерационален.

ТН, как правило, приводятся в действие электрическими двигателями, потребляющими электрическую энергию. В настоящее время производство холода уже вышло в лидеры по затратам электроэнергии. При этом потребность в холоде продолжает расти, главным образом на сохранение выращенной пищевой продукции и обеспечение комфортных условий в помещениях, что в условиях изменения климата и глобального потепления не позволяет отказаться от увеличения выработки холода для решения проблем в вышеуказанных жизненно важных направлениях.

Настоящий способ, как было показано, уменьшает затраты электроэнергии на выработку холода у потребителей, использующих жидкую фазу из аккумулятора в качестве хладоносителя и теплопринимающей среды. Для дополнительного уменьшения затрат электрической энергии настоящий способ осуществляют с приведением в действие компрессоров ТН тепловыми приводными двигателями, отходящее более высокопотенциальное тепло которых утилизируют для теплопотребления, а непригодный для теплопотребления остаток тепла отводят в аккумулятор.

В результате достигается утилизация тепла, отработанного в тепловых двигателях, путем его передачи в аккумулятор, и использование утилизированного тепла в качестве источника энергии для выработки потребляемого тепла. Тем самым максимизируется использование отходящего тепла тепловых двигателей практически до полного, повышается энергетическая и экономическая эффективность использования тепла тепловых двигателей, выгодность и целесообразность применения тепловых приводов.

На уменьшение затрат электроэнергии на выработку холода и повышение эффективности также направлено использование в качестве приводов компрессоров ТН тепловых двигателей, работающих по органическому циклу Ренкина (ОЦР), расширенные рабочие тела которых конденсируют путем теплообмена с отбираемой из аккумулятора жидкой фазой, возвращаемой после теплообмена в аккумулятор, а остаточную теплоту продуктов сгорания топлива, сжигаемого в камерах сгорания приводных двигателей, после отдачи ими тепловой энергии рабочим телам приводных двигателей, отводят в аккумулятор.

Применение ОЦР-цикла в данном случае по причине способности жидкой фазы из аккумулятора конденсировать СО₂ позволяет использовать в приводном двигателе в качестве рабочего тела СО₂, относящийся к высокоперспективным рабочим телам газовых турбин [5]. В частности, КПД экспериментальной тепловой электростанции, работающей по циклу Аллама с газовой турбиной на СО₂, достигает 58,9% [6].

Повышенный КПД двигателя с ОЦР на СО₂ позволяет преобразовывать в механическую энергию большую долю теплоты продуктов сгорания сжигаемого топлива и вырабатывать более высокую мощность, или генерировать требуемую мощность при сжигании меньшего расхода топлива. Образующаяся при этом экономия топлива дополнительно повышает энергоэффективность и экономичность теплового привода и его привлекательность для использования вместо электрического привода ТН, обеспечивая тем самым дальнейший вклад в решение поставленной задачи по снижению затрат электроэнергии на производство тепла и холода.

Реализация систем теплохладоснабжения по предлагаемому способу может быть различной: с производством холода на тепловом потреблении, с производством тепла на потреблении холода, с производством и отпуском тепла и холода в задаваемых количествах … В настоящем описании принципы решения поставленной задачи поясняются на примере системы, производящей теплоту для теплоснабжения на потреблении холода в отопительный период.

При таком подходе базовую тепловую нагрузку в отопительный период покрывают исходя из среднесуточных поступлений тепла в аккумулятор с возвращаемыми отепленными теплопринимающей средой и хладоносителем. Пиковые тепловые нагрузки при этом могут покрываться традиционными пиковыми котельными, если имеются соответствующие климатические условия - пиковыми солнечными коллекторами и др.

Настоящий способ предусматривает покрытие повышенных потребностей в потребляемой теплоте подачей воды в аккумулятор из природного или искусственного водоема и выработкой дополнительного потребляемого тепла за счет внутренней энергии воды, поступающей в аккумулятор из водоема, и удалением из аккумулятора избыточно образующейся кристаллизованной фазы. Такая технология исключает зависимость работы системы, реализующей способ, от параметров окружающей среды, жидкая вода имеется повсеместно, в т.ч. она может забираться из водоемов, покрывающихся зимой льдом. Производство и загрузка в аккумулятор кускового льда [7], позволяет удалять из аккумулятора образующийся избыток кристаллизованной фазы, например, выгрузкой льда ковшом, загрузкой выгруженного льда в кузов автомобиля и, по аналогии с вывозом снега при очистке улиц, отправкой в водоем или на специальную площадку для последующего его плавления солнечным теплом в теплое время года.

Удаленную массу кристаллизованной фазы восполняют жидкой аккумулирующей средой из внешнего источника, количество которой по массе должно примерно соответствовать удаленной массе кристаллизованной фазы.

Количество ТН в системе теплохладоснабжения, как отмечалось, определяется максимальными суточными поступлениями тепла в аккумулятор, которые могут иметь место в течение всего срока эксплуатации. Отличительной чертой теплоснабжения на потреблении холода в отопительный период является то, что в неотопительный период поступления тепла в аккумулятор больше, чем в отопительный, за счет возрастания теплопоступлений от ХМ и за счет роста потребления холода на кондиционирование воздуха в помещениях вследствие повышения температуры атмосферного воздуха. Именно в этот период при теплоснабжении на потреблении холода в отопительный период требуется максимальное количество ТН для отвода тепла из аккумулятора.

Таким образом, в отопительный период на создание базовой тепловой мощности требуется меньше ТН, чем в неотопительный. Пополнение аккумулятора энергией путем подачи в него воды из водоема в отопительный период обеспечивает повышенные и пиковые поставки тепла задействованием ТН, предназначенных для наиболее нагруженного неотопительного периода. Т.е. не только без применения оборудования других видов (котлы, котельные...), но даже без использования дополнительного оборудования. В данном случае дополнительное тепло вырабатывают оборудованием, предназначенным для получения базового тепла, что исключает использование традиционных пиковых котлов и котельных, сокращает номенклатуру используемого оборудования, упрощает систему теплохладоснабжения, снижает инвестиционные затраты.

При реализации предлагаемого способа с производством тепла на потреблении холода образующееся при производстве холода тепло является побочным продуктом производства холода, что служит дополнительным фактором повышения энергетической и экономической эффективности теплоснабжения.

Как известно, наиболее рационально хранение тепла при максимально возможной температуре, с которой оно может изначально поступать на хранение, или которая может достигаться повышением температурного потенциала накапливаемого тепла средствами хранилища. По этой причине теплоноситель в ТН целесообразно нагревать до максимальной целесообразной температуры (в классических ТН с целью экономии приводной электрической энергии температуру нагрева теплоносителя регулируют в зависимости от температуры окружающей среды) и подавать теплоноситель на хранение с целесообразным уровнем температуры.

Потребителям холода также требуется хладоноситель с узким и жестко ограниченным диапазоном изменения температуры.

В этой связи предлагается использовать ТН, проектируемые на условия работы в теплохолодильном режиме (теплонасосный, теплохолодильный и холодильный - это разные режимы работы одного и того же термотрансформатора, осуществляющего обратный термодинамический цикл).

Эксплуатация ТН в теплохолодильном режиме означает работу ТН в режиме, характеризующим выработку холода и тепла с практически постоянными нерегулируемыми параметрами. Это максимизирует КПД трансформации низкопотенциального тепла в потребляемое тепло и холодильный коэффициент, упрощает конструкцию ТН за счет исключения механических и электронных средств регулирования температуры нагрева теплоносителя.

Постоянная работа с максимальными КПД и холодильным коэффициентом повышает выгодность применения ТН, как по энергоэффективности, так и по инвестиционным затратам.

На фиг.1 схематически представлена централизованная система теплохладоснабжения предприятий различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, торговли, а также зданий и сооружений жилищно-коммунального, общественного и промышленного назначения, территориально близких по расположению.

Основные структурные единицы системы: аккумулятор тепловой энергии (АТЭ), тепловой насос (ТН) с тепловым приводом (ТПр), парокомпрессионная холодильная машина (ПКХМ), воздушная холодильная машина (ВХМ), система кондиционирования воздуха в помещениях (СКВ), промышленная система охлаждения (ПСО).

ТН включает компрессор 1 с тепловым приводом 2, сбрасываемое тепло которого с повышенной температурой утилизируют для теплопотребления (на фиг.1 не показано), а непригодный для теплопотребления остаток тепла по линии 3 отводят в АТЭ, конденсатор 4, в контур греющей среды которого с выхода компрессора 1 поступает сжатое рабочее тело, а в контур нагреваемой среды по линии 5 - теплоноситель, возвращаемый от потребителей тепла и из накопителя тепла, который после нагрева в конденсаторе 4 по линии 6 подают на вход трехходового регулирующего клапана (ТХРК) 7, распределяющего входящий поток теплоносителя на два выхода. Один из выходов ТХРК подключен к линии 8 непосредственной подачи теплоносителя потребителям тепла, а второй - к линии 9 подачи теплоносителя в накопитель тепла (на фиг.1 не показан), который может входить в систему, реализующую способ, или располагаться у потребителей тепла. Также ТН включает расширитель 10 и испаритель-льдогенератор 11.

АТЭ включает емкость 12 с коллекторами 13 и 14. Емкость 12 заполнена водой и льдом, на фиг.1 показанным в виде заштрихованной области емкости 12.

ПКХМ включает компрессор 15, конденсатор водяного охлаждения 16, расширитель 17, испаритель 18.

ВХМ включает компрессор с цилиндрами низкого 19 и высокого 20 давления, приводимыми в действие электрическим приводом 21; теплообменник промежуточного охлаждения сжимаемого воздуха 22, теплообменник конечного охлаждения сжатого воздуха 23, детандер 24, морозильную камеру 25 с коллектором 26 подвода холодного воздуха в камеру 25 и коллектором 27 отбора воздуха из камеры 25.

СКВ служит для охлаждения воздуха в помещениях 28, 29, 30, 31, в которых установлены охладители воздуха 32, 33, 34, 35.

ПСО включает теплообменный аппарат 36 с линиями подвода продукта, подлежащего охлаждению 37 и отвода охлажденного продукта 38.

Также в состав системы теплохладоснабжения входят жидкостные насосы 39 и 40. Насос 39 предназначен для подачи воды из АТЭ в льдогенератор 11 и тепловой привод 2, в котором ее используют для приема и передачи в АТЭ сбрасываемых из привода 2 остатков тепла, непригодных для теплопотребления. Насос 40 обеспечивает подачу воды из АТЭ в магистраль 41, откуда ее по соответствующим отводам направляют в ПКХМ, ВХМ, СКВ и ПСО. Отепленную воду из теплопринимающих устройств ПКХМ, ВХМ, СКВ и ПСО направляют в магистраль 42, откуда она поступает в коллектор 14 АТЭ.

Исходное состояние системы теплохладоснабжения перед эксплуатацией: АТЭ заполнен необходимым количеством воды, в нем сформировано начальное количество льда, необходимое для поддержания на выходе из холодной зоны температуры жидкой фазы близкой к температуре плавления льда.

Отпускаемую потребителям теплоту вырабатывают с помощью ТН, использующим в качестве источника энергии внутреннюю энергию жидкой фазы из емкости 12 АТЭ, в который энергия подают по линии 42 от ПКХМ, ВХМ, СКВ, ПСО, по линии 3 от теплового двигателя 2 привода компрессора 1, а также из окружающей среды (на фиг.1 не показано).

Работа системы производится следующим образом.

Воду из емкости 12 посредством насоса 39 подают в испаритель-льдогенератор 11, где она доохлаждается до температуры кристаллизации и намораживается на охлаждающих поверхностях льдогенератора 11 (на фиг.1 не показанных). Незакристаллизовавшаяся вода из льдогенератора 11 сливается в емкость 12, а намерзающий на охлаждающих поверхностях лед накапливают до заданного значения, после чего его сбрасывают с охлаждающих поверхностей льдогенератора 11 в емкость 12.

Тепло низкого потенциала, отбираемое в льдогенераторе 11 от охлаждаемой и кристаллизующейся воды, с помощью ТН трансформируют в тепло повышенного потенциала, которым производят нагрев теплоносителя, возвращаемого в ТН по линии 5. Нагретый теплоноситель из ТН по линии 6 направляют на вход ТХРК 7, на выходе из которого, подключенном к магистрали 8 поддерживают заданное давление. При повышении давления в линии 8 сверх заданного, указывающего на уменьшение потребления теплоносителя потребителями тепла регулированием ТХРК 7 уменьшают подачу теплоносителя в линию 8, приводя тем самым давление в линии 8 к заданному и увеличивая подачу теплоносителя в линию 9, т.е. в накопитель тепла. При снижении давления в линии 8 ниже заданного, указывающего на увеличение потребления теплоносителя потребителями тепла регулированием ТХРК 7 увеличивают подачу теплоносителя в линию 8, приводя тем самым давление в линии 8 к заданному и уменьшая подачу теплоносителя в линию 9, т.е. в накопитель тепла.

Под держание температуры воды на выходе из емкости 12, близкой к температуре таяния льда (0°С), обеспечивают соответствующим отбором тепла из емкости 12 с помощью ТН.

Низкотемпературную воду из емкости 12 с помощью насоса 40 нагнетают в магистраль 41, откуда ее используют в качестве теплопринимающей среды для отвода тепла из ХМ (ПКХМ, ВХМ, АБХМ) и в качестве хладоносителя для непосредственного охлаждения сред и продуктов (СКВ, ПСО).

ПКХМ. Хладагент (фреон, аммиак…), испарившийся в испарителе 18, сжимают компрессором 15 и подают в конденсатор 16, где он конденсируется и переохлаждается. Конденсат хладагента из конденсатора 16 поступает в расширитель 17, в котором он расширяется с образование холодной парожидкостной смеси, подаваемой в испаритель 18 на испарение жидкой фазы. Тепло конденсации хладагента в конденсаторе 16 передается низкотемпературной воде, поступающей в конденсатор 16 по магистрали 41 из АТЭ, и далее из конденсатора 16 по линии 42 через коллектор 14 отправляемой в емкость 12.

ВХМ. Рабочее тело (воздух) ВХМ отбирают посредством коллектора 27 из морозильной камеры 25, сжимают в цилиндре низкого давления 19, охлаждают в теплообменнике промежуточного охлаждения воздуха 22, сжимают в цилиндре высокого давления 20, охлаждают в теплообменнике конечного охлаждения сжатого воздуха 23, расширяют с выработкой холода в детандере 24 и через коллектор 26 вводят в морозильную камеру 25. В отличие от традиционной ВХМ, в которой промежуточное и конечное охлаждение рабочего тела производят окружающей средой, в предлагаемой системе теплохладоснабжения промежуточное и конечное охлаждение рабочего тела производят водой, отбираемой из емкости 12 и с выходов теплообменников 22 и 23, возвращаемой в емкость 12.

Работа СКВ по предлагаемому способу аналогична традиционному кондиционированию, только вместо хладоносителя, производимого ХМ, используют низкотемпературную воду из АТЭ, возвращаемую после ее отепления в СКВ в емкость 12.

В ПСО понижение температуры продуктов производят прямым их охлаждением низкотемпературной водой, подаваемой в контур охлаждающей среды теплообменного аппарата 36 из емкости 12 (с помощью насоса 40 и линии 41), в контур охлаждаемой среды которого по линии 37 подводят продукт, подлежащий охлаждению, а по линии 38 отводят охлажденный продукт.

Источники информации

1. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения / Г. Хайнрих, X. Найорк, В. Нестлер, Москва, Стройиздат, 1985 г., с. 100 - 110.

2. Холодильные установки /Чумак И.Г., Чепурненко В.П., Чуклин С.Г. / 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981, стр. 7-8, 257-272.

3. Отопление льдом? Теперь это возможно!,

4. Отопление льдом. Эффективный и недорогой источник энергии для тепловых насосов.

5. Применение сверхкритических углекислотных циклов в установках по утилизации промышленной теплоты, Суровцев И. Г., Арбеков А. Н., журнал «Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана», №2, 2013 г., с. 335-346 или

6. Запущена первая в мире ТЭС, работающая на основе Цикла Аллама, Давыдов Д., 26.02.2017,

7. Особенности получения ледяной воды с использованием насыпных льдоаккумуляторов / Марков B.C., Лазарев А.Г., журнал «Холодильная техника», 2003, №5, с. 33-35.

Claims (6)

1. Способ теплохладоснабжения, включающий аккумулирование тепла в аккумуляторе тепловой энергии с аккумулирующей средой, состоящей из жидкой и кристаллизованной фаз, отбор тепла от жидкой фазы и трансформацию отобранного тепла в потребляемую теплоту тепловыми насосами, предназначенными для извлечения тепла кристаллизации жидкости, передачу вырабатываемой потребляемой теплоты потребителям, отпуск жидкой фазы из аккумулятора потребителям холода в качестве возвращаемого хладоносителя, отличающийся тем, что отбор тепла из жидкой фазы тепловыми насосами производят с таким расчетом, чтобы в аккумуляторе в течение всего срока эксплуатации постоянно содержалась кристаллизованная фаза в количестве, не меньшем требующегося для получения температуры жидкой фазы на выходе из аккумулятора, близкой к температуре плавления кристаллизованной фазы, низкотемпературную жидкую фазу из аккумулятора используют в качестве возвращаемой теплопринимающей среды для отвода тепла из холодильных машин, выработанную тепловыми насосами потребляемую теплоту отпускают потребителям тепла в соответствии с их текущими потребностями, а не требующуюся для текущего потребления выработанную потребляемую теплоту передают в накопитель тепла.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при приближении количества кристаллизованной фазы в аккумуляторе к значению, требующемуся для получения температуры жидкой фазы на выходе из аккумулятора, близкой к температуре плавления кристаллизованной фазы, переходят к ежесуточным отборам тепла из аккумулятора, равным или большим суточных поступлений тепла в аккумулятор, при приближении количества кристаллизованной фазы в аккумуляторе к максимально допустимому значению возвращаются к ежесуточным отборам, равным или меньшим суточных поступлений тепла в аккумулятор.

3. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что компрессоры тепловых насосов приводят в действие тепловыми приводными двигателями, отходящее более высокопотенциальное тепло которых утилизируют для теплопотребления, а непригодный для теплопотребления остаток тепла отводят в аккумулятор.

4. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что компрессоры тепловых насосов приводят в действие тепловыми приводными двигателями, работающими по органическому циклу Ренкина, расширенные рабочие тела которых конденсируют путем теплообмена с отбираемой из аккумулятора жидкой фазой, возвращаемой после теплообмена в аккумулятор, и остаточную теплоту продуктов сгорания топлива, сжигаемого в камерах сгорания приводных двигателей, после отдачи ими тепловой энергии рабочим телам приводных двигателей, отводят в аккумулятор.

5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что в качестве аккумулирующей среды используют воду из природного или искусственного водоема и способ осуществляют с покрытием повышенных потребностей в потребляемой теплоте подачей воды в аккумулятор из водоема, выработкой дополнительного потребляемого тепла за счет внутренней энергии воды, поступающей в аккумулятор из водоема, и удалением из аккумулятора избыточно образующейся кристаллизованной фазы.

6. Способ по пп. 1-5, отличающийся тем, что используют тепловые насосы, проектируемые на условия работы в теплохолодильном режиме.

Images