Современные энергоэффективные технологии для систем теплогазоснабжения и теплоисточников

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»





СОВРЕМЕННЫЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СИСТЕМ ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ И ТЕПЛОИСТОЧНИКОВ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ (КУРС ЛЕКЦИЙ)

Направление подготовки 08.04.01 Строительство Профиль подготовки «Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий»

Магистратура






Ставрополь
2021

УДК 697.1/9 (075.8)
ББК 38.762 я73

С 56

           Печатается по решению редакционно-издательского совета Северо-Кавказского федерального университета








С 56 Современные энергоэффективные технологии для систем

        теплогазоснабжения и теплоисточников : учебное пособие / авт.-сост.: А. И. Воронин, Д. В. Аборнев, А. А. Шагрова. - Ставрополь : Изд-во СКФУ, 2021. -152 с.



   Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 08.04.01 Строительство, профилю «Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий».


УДК 697.1/9 (075.8)
ББК 38.762 я73



Авторы-составители:
канд. техн, наук, доцент А. И. Воронин, канд. техн, наук, доцент Д. В. Аборнев, старший преподаватель А. А. Шагрова



Рецензенты:
канд. техн, наук, доцент Е. И. Беляев, директор по производству ООО «ЭнергоТерм» А. С. Писклов








                               © ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет», 2021

            СОДЕРЖАНИЕ



Предисловие............................................6

1.  ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ..........................................7
    1.1. Требования нормативных документов по повышению энергоэффективности оборудования для систем теплоснабжения. Новые материалы и оборудование систем теплоснабжения.............................7
    1.2. Проблемы учета потребления тепловой энергии в системах теплоснабжения.........................26
    1.3. Системы отопления с индивидуальным вводом и поквартирным учетом тепла
       (с индивидуальным тепловым пунктом ИТП)........35

2.  ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ.....................39
    2.1. Геотермальная энергия........................39
    2.2. Теоретические основы работы тепловых насосов.46
    2.3. Идеальный цикл парокомпрессорной холодильной машины...........................................49
    2.4. Цикл парокомпрессорной холодильной машины с дросселированием...............................51
    2.5. Парокомпрессорные теплонасосные установки....62

3.  СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ АКТИВНОГО И ПАССИВНОГО ТИПА. ВЕТРОУСТАНОВКИ....................70
    3.1. Классификация гелиоприемников................70
    3.2. Основные схемы и энергетические показатели их работы.75
    3.3. Классификация ветроустановок. Основные схемы и энергетические показатели их работы............86

4.  АВТОНОМНЫЕ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ................92
    4.1. Индивидуальные котлы. Особенности проектирования и эксплуатации...................................92

Современные энергоэффективные технологии для систем теплогазоснабжения...

    4.2. Энергоэффективные котлы жаротрубно-дымогарного типа.............................................98
    4.3. Котлы конденсационного типа................102
    4.4. Уличные котлы. Особенности проектирования и эксплуатации..................................105
    4.5. Блочные котельные. Особенности проектирования и эксплуатации...................................107

5.  КОМБИНИРОВАННЫЕ СХЕМЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ.....................................113
    5.1. Когенерационные установки. Термодинамические особенности их работы. Согласование нагрузок.....113
    5.2. Когенерационные установки на базе двигателей внутреннего сгорания.............................120
    5.3. Другие комбинированные схемы для получения тепловой энергии................................122

6.  СОВРЕМЕННЫЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
    ДЛЯ СИСТЕМ ТСН, ГСН И ТЕПЛОИСТОЧНИКОВ...........128
    6.1. Атомные станции теплоснабжения (ACT).......128
    6.2. Энергетические характеристики различных видов топлива...................................129
    6.3. Перспективы реализации проектов атомных станций теплоснабжения..................................129
    6.4. Принцип работы ядерного реактора...........130
    6.5. Устройство реакторов ACT...................133

7.  ПЛАВУЧАЯ АТОМНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ..............138
    7.1. Перспективы реализации проектов ПАТЭС......138
    7.2. Принцип работы, особенности и устройства ПАТЭС.139
    7.3. Основные энергетические параметры ПАТЭС....141
    7.4. Перспективы строительства ПАТЭС для иностранных государств......................................142

-4-

Содержание

8.  ИНТЕРНАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕРМОЯДЕРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ РЕАКТОР (ИТЕР - ITER).............144
    8.1. Планы, перспективы и технологические достижения человечества по освоению термоядерной энергии..144
    8.2. Как проходит синтез.......................145
    8.3. Этапы реализации проекта и его технические характеристики.................................147
    8.4. Перспективы реализации проекта............149

Заключение.........................................151

-5-

Современные энергоэффективные технологии для систем теплогазоснабжения...





                ПРЕДИСЛОВИЕ




   Целью изучения дисциплины является формирование набора компетенций: ПК-1; ПК-8.
   Задачей дисциплины является формирование у магистрантов знаний и навыков расчетов современных энергоэффективных систем теплоснабжения, газоснабжения и теплоисточников в промышленности и коммунально-бытовом хозяйстве.
   Дисциплина основана на знаниях, полученных при изучении дисциплин «Техническая термодинамика и тепломассообмен», «Отопление», «Вентиляция», «Кондиционирование воздуха и холодоснабжение», «Теплоснабжение», «Газоснабжение», т. к. энергоэффективность системы микроклимата зависит от особенностей конструктивного и архитектурно-планировочного решений здания, от теплотехнических свойств его ограждений, а также условий эксплуатации систем газоснабжения, теплоснабжении и теплогенерирующих установок.
   В связи с необходимостью повышения энергоэффективности систем энергоснабжения, необходимо знать особенности и требования к проектированию и эксплуатации систем энергоснабжения.
   В результате освоения дисциплины магистр должен
   -  знать: этапы проектирования сетей и систем энергоснабжения; методы выполнения научно-исследовательских опытно-конструкторских работ в области теплогазоснабжения населенных мест и предприятий;
   -  уметь: выполнять работы по проектированию сетей и систем энергообеспечения; научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки в области теплогазоснабжения населенных мест и предприятий;
   -  владеть: методами проектирования сетей и систем энергообеспечения; методиками выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок в области теплогазоснабжения населенных мест и предприятий.
   Дисциплина является одной из обязательных специальных дисциплин вариативной части общенаучного цикла при подготовке магистра по направлению 08.04.01 Строительство.

-6-

Лекция 1





                1.   ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ ОБОРУДОВАНИЕ




   1.1. Требования нормативных документов по повышению энергоэффективности оборудования для систем теплоснабжения. Новые материалы и оборудование систем теплоснабжения.
   1.2. Проблемы учета потребления тепловой энергии в системах теплоснабжения.
   1.3. Системы отопления с индивидуальным вводом и поквартирным учетом тепла (с индивидуальным тепловым пунктом ИТП).

   1.1. Требования нормативных документов по повышению энергоэффективности оборудования для систем теплоснабжения. Новые материалы и оборудование систем теплоснабжения
   Энергосбережение - это реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии.
   Энергосбережение обеспечивается энергосберегающей политикой государства, которое осуществляет правовое, организационное и финансово-экономическое регулирование деятельности в области энергосбережения, т. к. повышение эффективности использования топлива и энергии, является важнейшим приоритетом энергетической политики России и ее субъектов.
   Важным понятием в энергосбережении является энергетическая эффективность, под которой понимаются характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта, применительно к продукции, технологическому процессу, юридическому лицу, индивидуальному предпринимателю. Она может повыситься как с помощью мер по совершенствованию производства

-7-

Современные энергоэффективные технологии для систем теплогазоснабжения...

за счет увеличения полезного выхода продукции и услуг, улучшения их качества и совершенствования маркетинга, так и за счет мер по энергосбережению, и в этой трактовке энергетическая эффективность понимается шире, чем энергосбережение.
   Большое значение для повышения энергоэффективности имеет осуществление энергоаудита (энергетического обследования). В соответствии с основными целями энергосбережения (экономичность и надежность энергоснабжения; экологические и социальные аспекты, связанные с выработкой, регулированием и потреблением энергии), в программу энергоаудита входят следующие комплексные мероприятия:
   -  изучение и анализ технологической, строительной и экономической документации объекта;
   -  проведение натурных обследований с измерением основных энергетических характеристик оборудования, коммуникаций, зданий и сооружений;
   -  накопление баз данных по обследуемым предприятиям, территориальным единицам;
   -  разработка программы реализации энергосберегающих технологий и мероприятий;
   -  сопровождение и анализ хода выполнения программы энергосбережения;
   -  паспортизация объектов;
   -  тестирование и обучение персонала предприятий;
   -  нормирование потребления энергии;
   -  разработка и анализ тарифов энергоснабжения.
   В законодательную основу энергоэффективности положены: Федеральный Закон «Об энергосбережении», постановления Правительства Российской Федерации от 2 ноября 1995 г. № 1087 «О неотложных мерах по энергосбережению» и от 15 июня 1998 г. № 588 «О дополнительных мерах по стимулированию энергосбережения в России» и Федеральный Закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты российской федерации» № 261 - ФЗ от 23 ноября 2009 года.

-8-

Лекция 1

   Основными направлениями энергосбережения в ЖКХ являются как сложившиеся ранее, так и появившиеся сравнительно недавно в результате международного сотрудничества и обмена информацией:
   •  ликвидация мелких неэкономичных котельных при централизации теплоснабжения на базе ТЭЦ;
   •  повышение теплозащиты строящихся и действующих жилых и общественных зданий, тепловых сетей;
   •  внедрение одноступенчатых систем распределения газа с комбинированным регулированием давления газа;
   •  повышение КПД бытовой электрической и газовой аппаратуры;
   •  снижение удельных расходов топлива в отопительных котельных;
   •  сокращение потерь топлива и энергии в распределительных сетях;
   •  внедрение приборов учета, контроля и регулирования расхода энергоресурсов;
   •  применение на котельных жилищно-коммунального хозяйства противодавленческих турбин, устанавливаемых параллельно дроссельному устройству, для выработки дополнительной электроэнергии, что позволяет в определенных условиях отказаться от дизельных электроустановок;
   •  применение на электростанциях и в системах тепловодоснабжения вместо поверхностных теплообменников (бойлеров) трансзвуковых струйно-форсуночных аппаратов.
   ► Согласно статье 11 Федерального Закона «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты российской федерации» № 261-ФЗ от 23 ноября 2009 года, для обеспечения энергетической эффективности зданий, строений, сооружений предусматривается:
   1. Здания, строения, сооружения, за исключением указанных в части 5 настоящей статьи зданий, строений, сооружений, должны соответствовать требованиям энергетической эффективности, установленным уполномоченным федеральным органом исполнительной власти

-9-

Современные энергоэффективные технологии для систем теплогазоснабжения...

      в соответствии с правилами, утвержденными Правительством Российской Федерации. Правительство Российской Федерации вправе установить в указанных правилах первоочередные требования энергетической эффективности.
2.  Требования энергетической эффективности зданий, строений, сооружений должны включать в себя:
    1) показатели, характеризующие удельную величину расхода энергетических ресурсов в здании, строении, сооружении;
    2) требования к влияющим на энергетическую эффективность зданий, строений, сооружений архитектурным, функционально-технологическим, конструктивным и инженерно-техническим решениям;
    3) требования к отдельным элементам, конструкциям зданий, строений, сооружений и к их свойствам, к используемым в зданиях, строениях, сооружениях устройствам и технологиям, а также требования к включаемым в проектную документацию и применяемым при строительстве, реконструкции, капитальном ремонте зданий, строений, сооружений технологиям и материалам, позволяющие исключить нерациональный расход энергетических ресурсов как в процессе строительства, реконструкции, капитального ремонта зданий, строений, сооружений, так и в процессе их эксплуатации.
3.  В составе требований энергетической эффективности зданий, строений, сооружений должны быть определены требования, которым здание, строение, сооружение должны соответствовать при вводе в эксплуатацию и в процессе эксплуатации, с указанием лиц, обеспечивающих выполнение таких требований (застройщика, собственника здания, строения, сооружения), а также сроки, в течение которых выполнение таких требований должно быть обеспечено. При этом выполнение таких требований должно быть обеспечено застройщиком в срок не менее пяти лет с момента ввода в эксплуатацию здания, строения, сооружения.

- 10-

Лекция 1

   4. Требования энергетической эффективности зданий, строений, сооружений подлежат пересмотру не реже чем один раз в пять лет в целях повышения энергетической эффективности зданий, строений, сооружений.
       О перечне зданий, строений, сооружений, в отношении которых вплоть до осуществления их реконструкции или капитального ремонта не применяются требования энергетической эффективности, см. статью 48 данного документа.
   5. Требования энергетической эффективности не распространяются на следующие здания, строения, сооружения: 1) культовые здания, строения, сооружения;
       2) здания, строения, сооружения, которые в соответствии с законодательством Российской Федерации отнесены к объектам культурного наследия (памятникам истории и культуры);
       3) временные постройки, срок службы которых составляет менее чем два года;
       4) объекты индивидуального жилищного строительства (отдельно стоящие и предназначенные для проживания одной семьи жилые дома с количеством этажей не более чем три), дачные дома, садовые дома;
       5) строения, сооружения вспомогательного использования;
       6) отдельно стоящие здания, строения, сооружения, общая площадь которых составляет менее чем пятьдесят квадратных метров;
       7) иные определенные Правительством Российской Федерации здания, строения, сооружения.
   6. Не допускается ввод в эксплуатацию зданий, строений, сооружений, построенных, реконструированных, прошедших капитальный ремонт и не соответствующих требованиям энергетической эффективности и требованиям оснащенности их приборами учета используемых энергетических ресурсов.
   7. Застройщики обязаны обеспечить соответствие зданий, строений, сооружений требованиям энергетической эффективности и требованиям оснащенности их приборами учета используемых энергетических ресурсов

- 11 -

Современные энергоэффективные технологии для систем теплогазоснабжения...

       путем выбора оптимальных архитектурных, функционально-технологических, конструктивных и инженерно-технических решений и их надлежащей реализации при осуществлении строительства, реконструкции, капитального ремонта.
8.  Проверка соответствия вводимых в эксплуатацию зданий, строений, сооружений требованиям энергетической эффективности и требованиям оснащенности их приборами учета используемых энергетических ресурсов осуществляется органом государственного строительного надзора при осуществлении государственного строительного надзора. В иных случаях контроль и подтверждение соответствия вводимых в эксплуатацию зданий, строений, сооружений требованиям энергетической эффективности и требованиям оснащенности их приборами учета используемых энергетических ресурсов осуществляются застройщиком.
9.  Собственники зданий, строений, сооружений, собственники помещений в многоквартирных домах обязаны обеспечивать соответствие зданий, строений, сооружений, многоквартирных домов установленным требованиям энергетической эффективности и требованиям их оснащенности приборами учета используемых энергетических ресурсов (за исключением требований, обеспечение выполнения которых в соответствии с настоящим Федеральным законом возложено на других лиц) в течение всего срока их службы путем организации их надлежащей эксплуатации и своевременного устранения выявленных несоответствий.
10. В случае выявления факта несоответствия здания, строения, сооружения или их отдельных элементов, их конструкций требованиям энергетической эффективности и (или) требованиям их оснащенности приборами учета используемых энергетических ресурсов, возникшего вследствие несоблюдения застройщиком данных требований, собственник здания, строения или сооружения, собственники

- 12-

Лекция 1

    помещений в многоквартирном доме вправе требовать по своему выбору от застройщика безвозмездного устранения в разумный срок выявленного несоответствия или возмещения произведенных ими расходов на устранение выявленного несоответствия. Такое требование может быть предъявлено застройщику в случае выявления указанного факта несоответствия в период, в течение которого согласно требованиям энергетической эффективности их соблюдение должно быть обеспечено при проектировании, строительстве, реконструкции, капитальном ремонте здания, строения, сооружения.
   ► Статья 12. Обеспечение энергосбережения и повышения энергетической эффективности в жилищном фонде, в садоводческих, огороднических и дачных некоммерческих объединениях граждан
   1. Класс энергетической эффективности многоквартирного дома, построенного, реконструированного или прошедшего капитальный ремонт и вводимого в эксплуатацию, а также подлежащего государственному строительному надзору, определяется органом государственного строительного надзора в соответствии с утвержденными уполномоченным федеральным органом исполнительной власти правилами определения класса энергетической эффективности многоквартирных домов, требования к которым устанавливаются Правительством Российской Федерации. Класс энергетической эффективности вводимого в эксплуатацию многоквартирного дома указывается в заключении органа государственного строительного надзора о соответствии построенного, реконструированного, прошедшего капитальный ремонт многоквартирного дома также требованиям энергетической эффективности.
   2. Застройщик обязан разместить на фасаде вводимого в эксплуатацию многоквартирного дома указатель класса его энергетической эффективности. Собственники помещений в многоквартирном доме обязаны обеспечивать надлежащее состояние указателя класса энергетической

- 13-