Паливний елемент

2

1

4

5

8

9

3

9

6

10

7

Рис. 3.11

Загальний вид блоку ПЕ

1 – Блок ПЕ; 2 – Одиничний ПЕ; 3 – Анод, платиновий каталізатор; 4 – Електроліт;

5 – Платиновий каталізатор, катод; 6 – Надходження водню (Н₂); 7 – Надходження кисню (О₂); 8 – Вихід води; 9 – Біполярна плата; 10 – Електричний двигун.

б

Рис. 3.12

Т

а

ранспортні засоби, які використовують паливні елементи як головне джерело енергії

а) – міський автобус (Японія); б) – підводний човен (Німеччина)

3.2. Транспортування енергії.

Треба зазначити, що левова частка втрат енергії припадає саме на її транспортування від генератора до споживачів. Одним з головних об’єктів, де відбуваються втрати енергії, є теплова мережа (Рис. 3.13) – система трубопроводів централізованого теплопостачання, по яким теплоносій (гаряча вода, пара) переносить тепло від джерела (генератора, котельні) до споживачів і повертається назад до джерела (тому у теплових комунікацій завжди парна кількість труб). До теплової мережи входять також центральні теплові пункти (ЦТП) і насосні станції. Реальні теплові втрати складають у згаданих теплових мережах від 20 до 50% тепла, що згенеровано взимку, та 30 – 70% тепла, що згенеровано влітку. До цього треба додати, що середній відсоток зносу тепломереж оцінюється у 60-70%, а близько 15 % теплових мереж вимагають невідкладної заміни.

пара

Котельня

1

Тепломережа

г..в..п..

опалення

Житловий масив

Рис. 3.13

Типова схема теплової мережі

1 – паровий котел; 2 – теплообмінник (бойлер); 3 – насос;

4 і 5 – теплообмінники для гарячого водопостачання (г.в.п.) і опалення

Комунальна теплоенергетика України генерує до 150 млн. Гкал теплової енергії щорічно для забезпечення потреб населення, бюджетних установ та інших споживачів у послугах опалення, вентиляції та гарячого водопостачання. Питомі витрати електроенергії на виробництво й транспортування теплової енергії складають на різних підприємствах від 20 до 40 кВт-год на 1Гкал відпущеної теплової енергії, що дозволяє оцінити загальний обсяг споживання електроенергії у діапазоні від 3 до 6 млрд. кВт-годин на рік. Це складає у средньому близько 3% загальногого виробництва електроенергії в країні.

Саме розгалужена теплова мережа і є головним суб’єктом тепловитрат. Визначення експлуатаційних погодинних втрат, що нормуються, виконується на підставі даних про конструктивні характеристики усіх ділянок теплової мережі (типу прокладання, виду теплоізоляції, діаметру та довжини трубопроводів тощо) за середньорічних умов роботи теплової мережі, виходячи з норм теплових втрат. Таке визначення виконується роздільно для підземного та надземного прокладання за наступними формулами:

• для підземного прокладання сумарно по подаючому та зворотному трубопроводам

, ккал /год;

• для надземного прокладання окремо для подаючого (п) та зворотнього (з) трубопроводів

ккал /год,

де q_норм, q_норм(п) та q_норм(з) – питомі (на 1 метр довжини) погодинні теплові втрати, визначені за нормами теплових втрат для кожного діаметра трубопроводу за середньорічних умов роботи теплової мережі, для підземного прокладання сумарно для подаючого та зворотного трубопроводів і окремо для надземного прокладання; L – довжина трубопроводів на ділянці теплової мережі з діаметром d у двохтрубному обчисленні; β – коефіцієнт місцевих теплових втрат, який враховує теплові втрати арматурою, компенсаторами, опорами. Приймається для підземного канального та надземного прокладань як β=1,2 при діаметрах трубопроводів до 0,15 м і β=1,15 при діаметрах трубопроводів 0,15 м і вище, а також для усіх діаметрів безканального прокладання. Термічний опір ізоляції подаючого R_із.п та зворотного R_із.з трубопроводів визначається за формулами

де d_п і d_з – зовнішні діаметри подаючого та зворотнрого трубопроводів (м); δ_п і δ_з - товщина ізоляції подаючого иа зворотного трубопроводів (м); λ_із.п і λ_із.з - коефіцієнти теплопровідності ізоляції подаючого та зворотного трубопроводів (Вт/(м^*0С), які знаходяться у межах (0,04 + 0,00026*t_т) – (0,14 + 0,00023*t_т), а t_т – середня температура ізоляційного шару [t_т = 0,5(t + 40), де t – тепература теплоносія]; k_λп і k_λз- коригуючий коефіцієнт, який характеризує стан ізоляції для подаючого та зворотного трубопроводів (він знаходиться у межах 1,3 – 5,0 залежно від стану ізоляції та вологи).

Термічний опір тепловіддачі з поверхні ізольованого трубопроводу у повітряний простір каналу від подаючого (п) та зворотного (з) трубопроводів визначається за формулами:

де α = 8 Вт/(м²*⁰С) – коефіцієнт тепловіддачи від зовнішньої поверхні ізоляції трубопроводу до повітря каналу.

Термічний опір тепловіддачи від повітря у каналі до грунту визначається за формулою

де α = 8 Вт/(м²*⁰С) – коефіцієнт тепловіддачи від повітря у каналі до грунту, d_екв – еквівалентний діаметр перетину каналу у просвіті (м), який визначається за формулою

,

де b – ширина каналу (м), h – висота каналу (м).

Термічний опір масиву грунту R_гр визначається за формулою

*⁰С)/Вт,

де λ_гр –коефіцієнт теплопровідності грунту (λ_гр = лежить у иежах 1,1 – 3,37 Вт/(м*⁰С залежно від якості та ступеню вологості грунту), H – глибина закладання до осі трубопроводів (м).

Треба підкреслити, що економічно обгрунтований вибір теплоізоляційних матеріалів та виробів можливий лише на підставі результатів розрахунку теплових втрат, які будуть мати місце при використанні конкретних матеріалів та виробів. Взагалі, втрати тепла в тепловій мережі залежать від:

• к.к.д. насосів у мережі., які забезпечують рух теплоносія вздовж теплотраси;

• втрат теплової енергії вздовж теплотрас, викликаними способм прокладання й ізоляції трубопроводів;

• втрат теплової енергії, пов’язаної з неоптимальним розподілом тепла між об’єктами-споживачами (гідравлічним налаштуванням теплотраси);

• періодично виникаючи[ під час аварійних та позаштатних ситуацій витоків теплоносія.

3.3. Споживання енергії.

Споживання теплової енергії безпосереднє залежить від наступних головних чинників:

• теплових втрат будинків або інших споруд;

• режимів споживання;

• ефективності систем опалення.

Дійсно, чим більше втрати тепла в будинках, чим менше звертається увага на економію та підтримання оптимального теплового режиму, чим менш ефективні системи та засоби обігрівання, тим більше необхідно енергії для підтримання теплового балансу. Для мінімізації теплових втрат будинків у першу чергу використовують пасивний захист -ефективну теплоізоляцію, завдання якої є скорочення витрат енергії на опалювання та забезпечення належного комфорту у приміщеннях. Використання теплоізоляції сприяє, до речі, зменшенню викидів парникових газів на 10%. Теплові втрати у приміщенні складаються з теплових втрат крізь огороджуючи конструкції (30-40%), горищні та підвальні перекриття 20%), вікна і двері (40-50%) та вентиляційну систему (до 10%). Головний шлях зниження енерговитрат на опалення приміщень – підвищення термічного опіру огороджуючих конструкцій за допомогою теплоізоляційних матеріалів, підвищення теплоізоляції вікон, а також виключення інфільтрації. Розрахунки доводять, що 1 м³ теплоізоляції забезпечує економію 1,4 - 1,6 т умовного палива на рік.

Другий за значенням чинник, що впливає на споживання енергії, є режим споживання цієї енергії. Справа у тому, що налаштування режиму обігрівання на якійсь середній показник (наприклад, стабілізація подавання тепла у приміщення незалежно від температури довкілля) призводить до того, що при високих температурах зовні приміщення останнє буде перегріватися, а при низьких – недоотримувати тепло. Подібна ж проблема виникає у разі стабілізації температури у приміщенні протягом доби: в службових приміщеннях, де у робочі години підтримання стабільної комфортної температури необхідно, після завершення робочого дня температура в приміщеннях повинна знижуватися задля економії енергії; також і в будинках, де мешкають люди, комфортна температура має підтримуватися у вечірні години, коли люди повертаються з роботи, а у ночні години вона може декілька знижуватися і знов підвищуватися вранці, коли люди просипаються і збираються до роботи, а потім знов знижуватися. Таке регулювання має здійснюватися спеціальними приладами з програмним керуванням. Воно забезпечить суттєву економію енергії. Треба додати, що споживання енергії збільшується і у разі неефективної системи вентиляції: вентилювання шляхом відчинення вікон призводить до суттєвого зниження температури у приміщенні з наступним форсуванням системи опалення, тобто перевитратами енергії на опалення. Набагато ефективніше вентиляцію робити шляхом подавання свіжого повітря у приміщення через теплообмінний апарат, який передає тепло, що містить повітря, яке видаляється з приміщення відсмоктуючим вентилятором.

Як відомо, ефективність систем опалення визначається з рівняння

η _g = (η_p* η_d* η_e* η_c),

де η _g - загальний коефіцієнт ефективності системи опалення; η_p – коефіцієнт ефективності теплогенеруючої установки; – коефіцієнт ефективності розподілу тепла; η_e – коефіцієнт ефективності опалюючих пристоїв; η_c – коефіцієнт ефективності регулятора системи.

Згідно європейських норм загальний коефіцієнт ефективності системи опалення η _g має відповідати умові

η _g ≥ 65 + 3log(P_n),

де log(P_n) – десятковий логарифм від номінальної потужності котла у кВт. Інакше кажучи, мінімально припустимий загальний коефіцієнт ефективності більшості систем опалення, які облаштовані навісними котлами, має перевищувати 69,1%.

Наочно залежність загального коефіцієнту ефективності системи опалення від кожного з компонентів (коефіцієнтів ефективності теплогенератора, розподілу, опалюючих пристроїв, регулятора) наведена на Рис. 3.14. З цієї залежності випливає, що максимальне значення загального коефіцієнту ефективності можна отримати лише тоді, коли усі складові системи опалення працюють в умовах максимального навантаження, тобто коли їхні фактичні характеристики збігаються з розрахунковими: відсутні резерви потужності.