Повышение эффективности энергообеспечения теплицы Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 63 1.544:62 1.3 В.А. КОтуЛОв, Н.Б. Михеева, А.Ф. СЄМЄПОв

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛИЦЫ

Физической моделью эффективной энергосберегающей теплицы в данной работе является кольцевая система теплоснабжения, включающая два тепловых насоса, аккумулятор тепловой энергии, циркуляционный насос и электронагреватель воды [1]. Один тепловой насос поставляет тепло в систему из грунтового коллектора, используя рассеянное тепло земных недр, другой использует энергию, возникающую при перегреве теплицы, отнимая тепло от ребристого воздушно-водяного коллектора, что снижает потерю тепла через вентиляцию. В качестве аккумулятора тепловой энергии используется водяной аккумулятор емкостного типа в виде бака-накопителя. Циркуляционный насос предназначен для подачи воды в систему обогрева и полива, а также для отбора тепла у тепловых насосов и электронагревателя.

Ключевые слова: теплица, аккумулятор, тепловая энергия, насос, вода, полив.

V.A. Kozhuhov, N.B. Mikheeva, A.F. Semyonov INCREASE OF GREENHOUSE POWER SUPPLY EFFICIENCY

Physical model of the effective power saving greenhouse described in the article is the ring system of heat supply including two thermal pumps, thermal energy accumulator, a circulating pump and an electroheater of water [ 1]. One thermal pump delivers heat into the system from the soil collector, using disseminated warm of terrestrial bowels, another uses the energy arising at overheat of the greenhouse, taking away heat from a ridge air-to-water collector that reduces heat loss through ventilation. As the thermal energy accumulator, the water accumulator of capacitor type in the form of a tank-store is used. The circulating pump is intended for water delivery into the heating and irrigation systems and also for heat selection at thermal pumps and electroheater.

Key words: greenhouse, accumulator, thermal energy, pump, water, irrigation.

Физической моделью эффективной энергосберегающей теплицы в данной работе является кольцевая система теплоснабжения, включающая два тепловых насоса, аккумулятор тепловой энергии, циркуляционный насос и электронагреватель воды [1]. Один тепловой насос поставляет тепло в систему из грунтового коллектора, используя рассеянное тепло земных недр, другой использует энергию, возникающую при перегреве теплицы, отнимая тепло от ребристого воздушно-водяного коллектора, что снижает потерю тепла через вентиляцию. В качестве аккумулятора тепловой энергии используется водяной аккумулятор емкостного типа в виде бака-накопителя. Циркуляционный насос предназначен для подачи воды в систему обогрева и полива, а также для отбора тепла у тепловых насосов и электронагревателя.

Свет и тепло, получаемые растениями от солнца, - результат действия суммарной солнечной радиации, включающей в себя прямую и рассеянную составляющую. Годовая суммарная радиация на территории России меняется в широких пределах, возрастая от широких высот к низким в пределах от 2500 МДж/м2 на севере до 4800 МДж/м2 на юге. На широте Красноярска суммарная радиация составляет около 3700 МДж/м2. Уравнение Ангстрема, полученное статистическим методом регрессии, связывает среднюю плотность потока солнечной радиации с плотностью потока радиации в солнечный день (в рассматриваемой местности) и средней долей возможного числа часов солнечного сияния:

Иср=И^а + Ъ-\, (1)

где Нср - среднее значение плотности потока радиации на горизонтальной поверхности в рассматривае-

мый период времени;

Но - плотность потока радиации на горизонтальной поверхности в ясные дни в тот же период времени;

а, Ь - климатические постоянные, связанные с координатами местности; п - среднесуточное число часов солнечного сияния в тот же период времени;

N - максимальное суточное число часов солнечного сияния в тот же период времени.

На рис. 1 приведены кривые зависимости потока солнечной радиации в ясные дни на горизонтальной поверхности для различных широт, построенные с использованием формулы 1 [2].

т

<и

X

с

о

о

га

х

о

н

о

с

л

н

о

о

X

н

о

с

широт

--------0

--------12

........24

--------36

--------48

--------60

месяц

Рис. 1. Данные по солнечной радиации в ясные дни на горизонтальной поверхности для разных широт

Анализ кривых на рис. 1 показывает, что в условиях Сибири в течение полугода существует возможность обогрева теплицы с использованием солнечной энергии.

Тепловой насос представляет собой обобщенную тепловую машину, которая требует затраты работы для получения тепла от низкопотенциального источника и отдачи его при более высокой температуре. В качестве рабочего тела теплового насоса выбираются вещества, изменяющие агрегатное состояние при необходимых температурах и давлениях. Они поглощают тепло при испарении и отдают при конденсации, имеют довольно низкую температуру кипения, должны конденсироваться при температуре, близкой к комнатной, и иметь большую скрытую теплоту парообразования. В настоящее время имеется большое количество таких веществ, называемых хладагентами. Эффективность теплового насоса определяется отопительным коэффициентом £т, представляющим собой отношение теплоты к затратам энергии на привод установки. Отопительный коэффициент обратного цикла Карно в этом случае равен [3]:

^ ■ (2)

1 1 2

где Т - температура теплоприемника;

Т2 - температура теплоотдатчика.

Отопительный коэффициент тепловых насосов с учетом механических и термодинамических потерь составляет порядка 1,5-2. Таким образом, количество теплоты, сообщаемое горячему источнику, значительно больше электрической энергии, затраченной на работу электродвигателя компрессора.

Необходимость аккумулирования тепловой энергии в теплице вызвана неоднородностью суточного и годового поступления и потребления теплоты. Система аккумулирования теплоты содержит резервуар, теплоаккумулирующий материал, теплообменное устройство для подвода и отвода теплоты и тепловую изоляцию. Нами используется водяной аккумулятор теплоты емкостного типа. Количество теплоты, которое может быть накоплено в нем равно:

а=псР с2-ь (3)

где т - масса теплоаккумулирующего вещества, кг;

Ср - удельная теплоемкость воды, 4,19 кДж/(кгС);

Т1, Т2 - среднее значение начальной и конечной температуры воды, °С.

Резервуар представляет вертикальный стальной бак из нержавеющей стали высотой в 3-5 раз больше его диаметра для обеспечения температурного расслоения воды. Тепловые потери бака снижаются путем применения теплоизоляции из стекловаты толщиной не менее 50 мм. Бак имеет поплавковый клапан для подвода холодной воды, электронагреватель и горизонтальные перегородки. Перегородки разделяют бак на секции с различными температурами воды по высоте, что повышает эффективность аккумулирования теплоты.

Использование кольцевой системы позволяет повысить надежность теплоснабжения, благодаря постоянной циркуляции под давлением низкопотенциального теплоносителя (порядка 30-35 °С).

Данный тепловой режим значительно уменьшает потери тепла в системе. Теплообменники тепловых насосов врезаны в циркуляционный контур, по которому движется теплоноситель. В результате этого теплообмен происходит в тепловом пограничном слое. Значение коэффициента конвективной теплоотдачи определяется [3]:

ту2

а= ср, (4)

где Сf - коэффициент трения;

р - плотность теплоносителя;

Wo - скорость движения теплоносителя при постоянном давлении;

Ср - теплоемкость теплоносителя при постоянном давлении.

Имея высокий коэффициент конвективной теплоотдачи в кольцевой системе теплоснабжения, нет необходимости устанавливать насосные агрегаты для полива, орошения и отопления теплицы, что повышает экономическую эффективность выращивания и понижает стоимость теплицы.

Создание такой системы теплоснабжения на примере стандартной зимней теплицы требует единовременных затрат.

К=Ктн+Ккольц+Кпроч , (5)

где Ктн - капиталовложения на тепловые насосы, тыс. руб.;

Ккольц - капиталовложения на создание кольцевой схемы, тыс. руб.;

Кпроч - прочие затраты, тыс. руб.

Кпроч = 0,1*( Ктн+Ккольц). (6)

Годовые эксплуатационные расходы на работу системы определяются:

И=Иэ.э+Иам+Итр+ Ипроч , (7)

где Иээ - издержки на электроэнергию, тыс. руб/год;

Иам - издержки на амортизацию, тыс. руб/год;

Итр - издержки на текущий ремонт, тыс. руб/год;

Ипроч - прочие издержки, тыс. руб/год.

Годовые амортизационные отчисления:

Иам = ——------, (8)

100

где а _{- норма амортизационных отчислений, а г— 2,5% (по справочнику).

Годовые затраты на текущий ремонт и обслуживание:

(9)

100

где а - норма затрат на текущий ремонт, а , = ?% (по справочнику).

Прочие затраты:

Ипроч = ),\-(Иээ + Г4ЛМ + Г4ТР). (10)

Экономическая эффективность создания и функционирования кольцевой системы обеспечивается за счет аккумулирования тепла, что повышает КПД использования установки.

Энергетическая составляющая в себестоимости продукта в процентах (при отоплении тепловым насосом) равна:

„ Сэх 00%

с%=-?■-----------, 11

Ц

где Ц - цена продукта, тыс. руб/т;

Сэ - энергетическая составляющая в себестоимости продукта, тыс. руб.

И

Сэ = , (12)

Ог

где Итеп - суммарные затраты тепла на выращивание, тыс. руб/т;

Ог- годовой объём продукции, т .

Срок окупаемости составляет

Ток = —, (13)

—

где К - капиталовложения на создание системы теплоснабжения зимней теплицы, тыс. руб.;

И - годовые эксплуатационные расходы на работу системы.

По результатам расчетов получаем срок окупаемости предложенной кольцевой системы теплоснабжения, по которому можно судить о целесообразности создания такой системы теплоснабжения.

В таблице приведено сравнение технико-экономических показателей традиционных источников с тепловыми насосами.

Основные технико-экономические показатели по вариантам теплообеспечения теплицы

б. у ,а в л п о т у ц и н и д е ю н к с у п т о а з а н е Теплотворная способность отпускной единицы топлива, МДж/кВт*ч Стоимость 1кВт*ч тепловой энергии и, т с О н щ О й о н н е. вл б. ° £ £ о сы 3^ 1— т В к ь т с о м и о т о Единовременные затраты, тыс. руб. Текущие затраты, тыс. руб/год

Теплоноситель Затраты на теплоноситель Аммортизационные отчисления Срок окупаемости, лет. Энергетическая составляющая в себестоимости продукта, %

Дизельное топливо, л 1 7 33,6/9,3 3,6 0,77 0,77 3,6 1 0,32 3,74

Пропанобутановая смесь, л 8 29/8 2 0,77 0,77 2 1 0,526 2,08

Электроэнергия, кВт 1 3,6/1 2 0,61 0,61 2 1 0,452 2,08

ТН, кВт 1 - 1 1 1 1 1 1 1

По данным таблицы построены графики, сравнивающие между собой рассматриваемые источники тепла по единовременным затратам на создание системы теплоснабжения (рис. 2). Приведены затраты на теплоноситель и его энергетическую составляющую в стоимости конечного продукта и сроки окупаемости системы теплоснабжения.

4.00

3.50

3.00

2.50

2.00

1.50 1,00 0,50 0,00

3,60

п -7-7

0,77

2,00

2,00

П -7-7 1,001,00

0,77 0,62 —

1

1

2

3

4

□ Единовременные затраты

□ Затраты на теплоноситель

Рис. 2. Единовременные затраты на создание системы теплоснабжения

Единовременные затраты на создание теплонасосной системы теплоснабжения, согласно рис. 2, выше на 25-35%, чем на создание традиционных систем теплоснабжения. Затраты на теплоноситель в системе теплоснабжения получаются ниже на 40-45%, что в дальнейшем отразится на рентабельности системы.

4.00

3.50

3.00

2.50

2.00

1.50 1,00 0,50 0,00

3,74

-032

2,08

2,08

0,53 0,45

1,001,00

□ Срок окупаемости

□ Энергетическая составляющая в себестоимости продукта

1

2

3

4

Рис. 3. Срок окупаемости системы теплоснабжения

Из рис. 3 видно, что срок окупаемости системы с тепловыми насосами больше в 2-3 раза, чем у традиционных систем теплоснабжения, при этом энергетическая составляющая в себестоимости продукта меньше в 2-3,5 раза.

Из проведенных расчетов можно сделать вывод, что при длительной эксплуатации (более двух лет) теплонасосная система теплоснабжения позволит сократить энергозатраты на отопление, снизить себестоимость получаемой продукции и повысить эффективность теплоснабжения.

Литература

1. Патент на полезную модель 80308. Российская Федерация, МПК А01 в9/24. Кольцевая система теплоснабжения теплицы / В.А. Кожухов, А.Ф. Семенов; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО КрасГАУ. - № 2008117578/22; заявл. 2008.05.04; опубл. 2009.02.10.

2. Даффи, Д.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии / Д.А. Даффи, У.А. Бекман. -М.: Мир, 1977.

3. Теплотехника: учеб. для вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер [и др.]; под ред. В.Н. Лука-нина. - 5-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2006.

'--------♦-----------