Изобретение относится к области модернизации и реконструкции старых зданий и сооружений, оборудованных для приготовления горячей воды газовыми проточными водонагревателями, как без повышения, так и с повышением плотности застройки старых микрорайонов, позволяющее не уменьшать, а при необходимости увеличивать коэффициент теплофикации ТЭЦ, что дает возможность существенно экономить первичное топливо. Предлагаемое изобретение применимо для систем городского централизованного энергоснабжения, для которых существенная часть энергии обеспечивается за счет теплофикационного цикла ТЭЦ или аналогичных с использованием ВЭР. Согласно изобретению при реконструкции дополнительно уменьшают уровень энергопотребления на отопление здания, приготовление горячей воды переводят с газовых проточных водонагревателей на использование прямой сетевой воды, температуру которой понижают и которую нагревают с использованием теплофикационного режима ТЭЦ, а высвобожденный расход газа используют для производства электрической и тепловой энергии на локальных газопоршневых установках или мини-ТЭЦ для компенсации роста электропотребления и его пиковых значений при реконструкции и уплотнении жилого массива или района.

[0001] Способ реконструкции системы энергоснабжения здания, заключающийся в том, что проводят его тепловую модернизацию, устанавливают теплообменники-рекуператоры типа "воздух-воздух", используют подачу прямой сетевой воды, нагретой полностью или частично за счет теплофикационного режима ТЭЦ, отличающийся тем, что дополнительно снижают уровень энергопотребления на отопление здания, переводят приготовление горячей воды с газовых проточных водонагревателей на использование прямой сетевой воды, температуру которой понижают и которую нагревают с использованием теплофикационного режима ТЭЦ, а высвобождаемый при этом расход газа направляют на производство электрической и тепловой энергии посредством дополнительно установленных локальных газопоршневых установок или мини-ТЭЦ с целью компенсации роста электропотребления и его пиковых значений при реконструкции и уплотнении жилого массива или района.

Изобретение относится к области модернизации и реконструкции старых зданий и сооружений, оборудованных для приготовления горячей воды газовыми проточными водонагревателями, как без повышения, так и с повышением плотности застройки старых микрорайонов, позволяющее не уменьшать, а при необходимости увеличивать коэффициент теплофикации ТЭЦ, что дает возможность существенно экономить первичное топливо. Предлагаемое изобретение применимо для систем городского централизованного энергоснабжения, для которых существенная часть энергии обеспечивается за счет теплофикационного цикла ТЭЦ или аналогичных с использованием ВЭР.

Особенно в последней трети XX в., в связи с резким ростом цен на энергоресурсы проводятся обширные работы по уменьшению трансмиссионных и иных теплопотерь зданий с целью экономии расходов на отопление. Так, проводимая в Республике Беларусь тепловая модернизация зданий позволяет сократить трансмиссионные потери примерно в 2 раза, что уменьшает общий расход энергии на отопление примерно на 30% [1]. Использование канальных теплообменников-рекуператоров воздух-воздух [2] позволяет уменьшить общие энергозатраты на отопление жилых зданий еще примерно в 2 раза, что уменьшает общие потери тепла по сравнению с первоначальными до тепловой реабилитации почти в 3 раза. Полученную экономию энергии можно частично направить на теплоснабжение новых зданий, построенных для уплотнения застройки старых микрорайонов и жилых массивов, имеющих внутри застроенных периметров кварталов значительные свободные площади, а также на устройство централизованного горячего водоснабжения вместо квартирных газовых проточных водонагревателей. Только такое использование сэкономленного тепла в системах теплоснабжения со значительной долей теплофикационного режима ТЭЦ позволяет оправдать существенные затраты на тепловую модернизацию зданий и использование квартирных теплообменников воздух-воздух. При замене одного газового водонагревателя на централизованное горячее водоснабжение в соответствии с п.6.3 СНБ 4.03.01-98 (с.6) годовой расход природного газа уменьшается на 150 м ³ (с 250 до 100 м ³ на приготовление пищи). Поэтому в связи с постоянным ростом стоимости газа особенно интенсивным (почти в 4 раза) в период 2007-2010 гг. повышение эффективности использования теплофикационного режима ТЭЦ путем замены газовых проточных водонагревателей может иметь особое значение для повышения энергосбережения жилого сектора. Кроме того, переход на централизованное горячее водоснабжение существенно повышает уровень безопасности жизнедеятельности людей, т.к. с каждым годом количество смертельных случаев при использовании газовых проточных водонагревателей увеличивается.

Прямых аналогов предлагаемому изобретению найти не удалось.

В качестве прототипа можно принять представленную в [3, рис. 13.2, с.421] зависимость удельной экономии расчетных затрат от присоединенной тепловой нагрузки, из которой видна общая тенденция резкого повышения затрат при уменьшении коэффициента теплофикации меньше оптимального значения. К недостатку прототипа следует отнести отсутствие поддержания оптимального значения коэффициента теплофикации не только с изменением температуры наружного воздуха в течение отопительного сезона, но и при изменении тепловой нагрузки вследствие тепловой модернизации зданий и применения теплообменников-рекуператоров воздух-воздух. Превышение величины оптимального значения коэффициента теплофикации приводит к медленному снижению удельной экономии расчетных затрат в зависимости от присоединенной тепловой нагрузки.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение компенсации присоединенной к ТЭЦ тепловой нагрузки в случае ее падения вследствие тепловой модернизации зданий и использовании теплообменников-рекуператоров воздух-воздух, достижение полезного использования высвободившейся присоединенной тепловой нагрузки без значительных затрат и длительной реконструкции всей системы теплоснабжения, а также повышение эффективности работы ТЭЦ при изменяющихся условиях энергетического снабжения зданий.

Поставленная задача решается достижением технического результата посредством предлагаемого способа реконструкции энергоснабжения здания, заключающегося в том, что проводят его тепловую модернизацию, устанавливают теплообменники-рекуператоры типа "воздух-воздух", используют подачу прямой сетевой воды, нагретой полностью или частично за счет теплофикационного режима ТЭЦ. При этом согласно способа по изобретению дополнительно снижают уровень энергопотребления на отопление здания, переводят приготовление горячей воды с газовых проточных водонагревателей на использование прямой сетевой воды, температуру которой понижают и которую нагревают с использованием теплофикационного режима ТЭЦ, а высвобождаемый при этом расход газа направляют на производство электрической и тепловой энергии посредством дополнительно установленных локальных газопоршневых установок или миниТЭЦ с целью компенсации роста электропотребления и его пиковых значений при реконструкции и уплотнении жилого массива или района.

Предлагаемый способ предусматривает при уменьшении уровня энергопотребления на отопление в результате тепловой модернизации и применения теплообменников-рекуператоров типа «воздух-воздух », который заключается в переводе нагрева бытовой горячей воды с газовых проточных водонагревателей на централизованную домовую систему горячего водоснабжения, работающую от общей сети теплоснабжения. При этом в системе газоснабжения города в соответствии с укрупненным нормативом СНБ 4.03.01-98 (с.6, п.6.3) высвобождается 150 м ³ /год природного газа на 1 человека, горячее водоснабжение которого централизованно за счет теплоснабжения.

Сущность способа поясняется чертежами, где на

фиг. 1 - графическая зависимость расхода теплоты на отопление от наружной температуры;

фиг. 2 - графики изменения температуры наружного воздуха t _нар (фиг. 2а), процентной доли тепловой нагрузки Q (фиг. 2б) и температуры сетевой воды прямой (t _пc ) и обратной (t _ос ) от годовой продолжительности теплоснабжения для условий г. Минска.

В качестве примера можно привести результаты расчетов для старого городского жилого массива с домами, оборудованными газовыми проточными водонагревателями, где проживает 16045 человек [4, с.221, табл. 4.2]. Для такого жилого массива расход теплоты на отопление Q _t в зависимости от наружной температуры t _H графически представлен линией 1 на фиг. 1. Там же линией 2 представлен расход теплоты на вентиляцию общественных зданий, который достаточно мал. Общий расход теплоты на отопление и вентиляцию жилого района до тепловой модернизации представлен линией 3. После тепловой модернизации всех зданий расход теплоты на отопление уменьшился примерно на 30-35% [1], что представлено пунктирной линией 4.

В случае повсеместного применения теплообменников-рекуператоров воздух-воздух расход теплоты на отопление уменьшается примерно в 2 раза [2] от уровня теплопотребления после тепловой модернизации (фиг. 1, линия 5).

Как показывают расчеты, приведенные в [4, с.222], средний расход теплоты на централизованное горячее водоснабжение жилого района составляет Q _t = 50 МВт (фиг. 1, линия 6) и общая замена всех газовых проточных водонагревателей на централизованное горячее водоснабжение прибавляет эту величину к общему централизованному теплопотреблению (линия 7 - в случае только тепловой модернизации всех зданий и линия 8 - в случае тепловой модернизации зданий и повсеместного использования в жилом секторе теплообменников-рекуператоров воздух-воздух). Если принять в качестве начальной границы использования пиковых источников теплоты - 2 °С (Q = 100 МВт), то из сравнения линий 3 и 7 на фиг. 1 видно, что необходимая мощность пиковых источников остается примерно прежней и не требует какой-либо перестройки. При этом вся необходимая тепловая мощность до 100 МВт получается за счет теплофикационного режима в течение всего года кроме небольшого (2-3 недели) периода профилактического ремонта теплосети. Таким образом, перевод старых жилых зданий после тепловой модернизации с газовых проточных водонагревателей на централизованное горячее водоснабжение позволяет без каких-либо переделок использовать имеющуюся систему теплоснабжения и за счет теплого периода года (для условий г. Минска около 160 суток) расширить использование теплофикационного периода работы ТЭЦ.

В случае, когда кроме тепловой модернизации квартиры оборудуются теплообменниками-рекуператорами воздух-воздух, а газовые проточные водонагреватели заменяются системой централизованного горячего водоснабжения, общее потребление теплоты заметно уменьшается (фиг. 1, линия 8), что позволяет использовать пиковые источники теплоты только при наружной температуре t _H ≤ - 7 °С и существенно экономить топливо. При этом доля теплофикационной теплоты ТЭЦ увеличивается, что уменьшает расход топлива на отопление и горячее теплоснабжение старых жилых массивов в результате модернизации. Кроме того на 16045 жителей высвобождается средний расход газа около 2,4 млн м ³ /год.

В связи с резким (примерно в 3 раза) уменьшением расхода теплоты на отопление жилых помещений после их тепловой модернизации и рекуперации воздуха ранее установленные обогревательные приборы (радиаторы, конвекторы и т.п.) обладают явно излишней греющей способностью, что требует либо их замены, либо резкого изменения параметров внутридомового теплоносителя. Однако этот вопрос не однозначен, так как такие условия создают возможности корректировки температуры прямой сетевой воды до величины, при которой не требуется использования пиковых источников теплоты, а достаточно температуры воды теплофикационного цикла ТЭЦ. На фиг. 2 приведен типичный годовой график, на котором представлены графики изменения температур наружного воздуха t _нар (а), процентной доли тепловой нагрузки Q (б) и температуры сетевой воды прямой (t _пc ) и обратной (t _oc ) от годовой продолжительности теплоснабжения для условий г. Минска. Здесь (Q _ГодПик и Q _ГодТур - годовой отпуск теплоты от пикового источника и турбины - соответственно, а точками (о) обозначены расчетные предельные параметры отборов пара турбины при часовом коэффициенте теплофикации α _ТЭЦ = 0,5. С ростом стоимости топлива оптимальные значения коэффициентов теплофикации, по-видимому, будут возрастать, так как при теплофикации наиболее полно используется скрытая теплота парообразования воды. Поэтому представляется целесообразным снизить температуру прямой сетевой воды даже для пиковой наружной температуры (t _Hap =-25 °С) до 95-100 °С и отказаться от использования пиковых источников теплоты, непосредственно расходующих топливо, и осуществлять теплоснабжение жилого района за счет теплофикационного режима ТЭЦ.

Необходимо отметить, что переход на централизованное горячее водоснабжение позволяет понизить температуру обратной сетевой воды до 20-30 °С.

В последние годы в бытовом электропотреблении произошли существенные изменения. С одной стороны, электропотребление отдельных новых электроприборов (телевизоры, холодильники и др.) несколько уменьшилось в связи с более высоким КПД, но с другой, установленные мощности и ассортимент бытовых электроприборов резко увеличились, что в целом привело к росту пиковых значений электропотребления, особенно в отдельные часы выходных и праздничных дней. Поэтому существующие системы электроснабжения реконструируемых жилых массивов и микрорайонов также нуждаются в серьезной и дорогостоящей реконструкции.

Учитывая высвобождение значительного количества природного газа (около 2,4 млн м ³ в год на 16000 жителей) в результате перевода горячего водоснабжения с проточных газовых водонагревателей на централизованную систему теплоснабжения, представляется возможным использовать этот газ на локальную выработку электроэнергии и даже тепловой энергии особенно в периоды максимумов энергопотребления. Разработанные в последние годы блочные миниТЭЦ и газопоршневые установки позволяют в автоматическом режиме производить электроэнергию и тепло в непосредственной близости от потребителей с высоким КПД, что делает их выгодными для покрытия особенно пиковых электрических нагрузок в реконструируемых микрорайонах. Для этих условий особое значение имеют не столько средние величины высвобожденных объемов газа, сколько расчетные значения расходов газа, на которые рассчитана существующая распределительная система газоснабжения.

В качестве примера уменьшения расчетного расхода газа при переводе горячего водоснабжения с газовых проточных водонагревателей на централизованное теплоснабжение можно привести расчеты для 60-квартирного 5-этажного дома, оборудованного 4-комфорными газовыми плитами для приготовления пищи с расчетным расходом газа q _п = 1,1 м ³ /ч и газовыми проточными водонагревателями с расчетным расходом газа q _в = 2,1 м ³ /ч. Тогда с учетом величины коэффициента одновременности в соответствии с СНБ 4.03.01-98 (приложение В, с.79) для 4-комфорных плит с проточными водонагревателями K _п+в =0,203, а для только 4-комфорных плит K _п+в =0,220 расчетные расходы газа составят: q _п+в =60 ∙0,203(1,1+2,1)=39 м ³ /ч и q _n =60 ∙0,220-1,1=14,6 м ³ /ч, что примерно в 2,7 раза меньше.

Таким образом, в наиболее напряженные периоды энергопотребления при существующей распределительной сети только за счет одного 60-квартирного дома можно доставить для миниТЭЦ около 34,4 м ³ /ч природного газа, из которого можно выработать около 100-120 кВт электроэнергии и значительное количество теплоты.

Предполагаемое изобретение не имеет отрицательных последствий и направлено на повышение эффективности использования тепловых ресурсов и реализации их возможной экономии при тепловой модернизации жилых зданий и использовании теплообменников-рекуператоров воздух-воздух.

Источники информации

1. Пилипенко В.М. О преобразовании пятиэтажной жилой застройки. -Мн.: УП «Институт НИПТИС », сб. «Решение проблем вентиляции и отопления при строительстве, модернизации и реконструкции зданий », 2000, с.4-10.

2. Данилевский Л.Н., Таурогинский Б.И. Исследование эффективности канальных теплообменников-рекуператоров воздух-воздух. - Мн.: Строительная наука и техника., № 4(7), 2006, с.36-41.

3. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети. - М.: МЭИ, 2001, с. 472.

4. Хрусталев Б.М. и др. Теплоснабжение и вентиляция. - Мн.: ДизайнПРО, 1997, с. 384.

5. Яковлев Б.В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения. - Мн.: Адукация, 2002, с. 448.