Введение к работе
Актуальность. В конце прошлого и начале текущего столетия произошёл переход практически всех развитых стран мира к новым принципам хозяйствования на основе ресурсо- и энергосбережения. В связи с этим возникла необходимость проводить исследования для того, чтобы определить возможные резервы экономии энергетических ресурсов в различных сферах экономики, которые в большой мере зависят от уровня термодинамической эффективности применяемых процессов и установок.
Проведение подобных исследований сопряжено с серьёзными методическими трудностями, поскольку для многих сфер потребления энергии в настоящее время отсутствуют объективные показатели для оценки энергетической эффективности.
К числу таких объектов, для которых нет подобных показателей, относятся потребители тепла в коммунально-бытовой сфере, а значит и системы теплоснабжения, в которые они включены как важнейшие подсистемы.
Системы теплоснабжения потребителей этого сектора экономики России, с её суровыми климатическими условиями, относятся к числу самых энергоёмких, и потенциал энергосбережения в них достаточно высок. Однако успешная работа по экономии энергии в этих системах затруднена из-за отсутствия единой методической базы для определения показателей энергетической эффективности, потенциала и резервов энергосбережения для всех элементов системы теплоснабжения, включая систему в целом.
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию именно этой проблемы.
Целью проведенных исследований была разработка универсальных показателей термодинамической эффективности, методики их определения, пригодных для анализа системы теплоснабжения как единого комплекса, а также её элементов.
Для реализации этой цели необходимо было решить следующие задачи:
адаптировать метод эксергетического анализа для применения в исследованиях рассматриваемых в работе объектов;
предложить новые универсальные показатели энергоэффективности (энергетический и эксергетический КПД) и методику их определения на основе минимально необходимых затрат энергии/работы;
сформулировать понятия теоретического потенциала и резервов энергосбережения и показать процедуру их определения для рассмотренных в диссертации систем;
разработать алгоритм и программу для расчёта минимально необходимых затрат энергии и эксергии на отопление и горячее водоснабжение и рассчитать эти показатели для административных центров всех субъектов РФ;
показать необходимость оценивать эффективность топливосжигающих установок на основе энергетического и эксергетического КПД, рассчитанных с использованием таких показателей, как химическая энергия и эксергия то плив;
усовершенствовать методику определения численных значений этих характеристик для твёрдых и жидких топлив и рассчитать их значения для топлив РФ;
показать процедуру использования эксергетического критерия на примере разнесения энергетических затрат (суммарного расхода топлива) между теплом и электроэнергией на ТЭЦ;
определить численные значения энергетических и эксергетических КПД потребителей тепла (отопление и горячее водоснабжение), тепловой сети, источника тепла (ТЭЦ) и системы теплоснабжения в целом на конкретном примере.
Объект исследования. Объектом исследования настоящей диссертационной работы являются система теплоснабжения и её элементы - источники генерирования энергии (парогенераторы и ТЭЦ) и наиболее энергоёмкие потребители тепла в коммунально-бытовой сфере (системы отопления и горячего водоснабжения многоквартирных жилых зданий).
Методологические основы исследования. Теоретической и методологической базой диссертационной работы являются законы и методы классической термодинамики, аппарат эксергетического анализа как одного из новых её направлений, а также методология системных исследований.
При работе над диссертацией автор опирался на труды и достижения отечественных и зарубежных ученых по разработке и развитию методов термодинамического (эксергетического) анализа различных технических систем, работы своих предшественников в области исследования систем жизнеобеспечения.
В диссертации впервые получены, составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:
Усовершенствование методики определения химической энергии и эксер-гии технических топлив и рассчитанные на её основе значения этих характеристик для топлив, используемых в Российской Федерации.
Приложение методики расчёта полного энергетического баланса и его анализа для исследования термодинамической эффективности топливосжигающих установок.
3. Разработка методики расчета энергетических и эксергетических КПД по
требителей тепла (на примере систем отопления и горячего водоснабжения).
4. Предложенные принципы формирования идеализированных аналогов
процессов отопления и горячего водоснабжения и алгоритмов расчета мини
мально необходимых затрат энергии/эксергии на эти цели.
Рассчитанные значения минимальных затрат энергии/эксергии на отопление и горячее водоснабжение для крупных населенных пунктов Российской Федерации.
Методика определения теоретического потенциала и резервов энергосбережения и полученные численные их значения для систем потребления тепла коммунально-бытовой сферы г. Иркутска.
Впервые полученные численные значения эффективности системы теплоснабжения как единого комплекса.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректным использованием фундаментальных методов термодинамики и системного анализа, обсуждением на научных конференциях, публикацией в отечественной и зарубежной печати правомерности и эффективности применения выбранных методов для решения задач, рассматриваемых в диссертации.
Практическая значимость и использование результатов работы.
Использование разработанных в диссертации методов и показателей будет способствовать повышению эффективности работ в области энергосбережения как на стадии разработки энергосберегающих программ, так и на стадии контроля за их реализацией.
Результаты, полученные соискателем, были использованы при выполнении проектов по гранту Комитета по высшей школе Миннауки РФ, раздел 6 «Создание эффективных инженерных систем жизнеобеспечения зданий и сооружений», направление 6.3 «Научные основы создания малоэнергоемких систем жизнеобеспечения зданий комплексной застройки» (1995-1996 гг.); по гранту Министерства высшего и среднего специального образования, приоритетное научное направление «Методология экономии и рационального использования топлива и тепловой энергии», раздел С-096 «Экономия топлива и тепловой энергии» (1996-1997 гг.); Министерства общего и профессионального образования «Разработка научно-методических основ выявления резервов экономии энергии в технологических процессах промышленности» (1998-2000 гг.); по Федеральной целевой программе «Интеграция» - проект № 94 «Поддержка и развитие совместного учебно-научного энергетического центра (УНЭЦ) ИрГТУ - ИСЭМ СО РАН» (1997 - 2000 гг.).
Результаты исследований соискателя внедрены в образовательный процесс подготовки инженеров по специальности 140101 «Тепловые электрические станции», 140104 «Промышленная теплоэнергетика» и 270109 «Теплогазо-снабжение и вентиляция» ГОУ ВПО Иркутского государственного технического университета и используются при чтении лекций, проведении практических занятий, выполнении курсового и дипломного проектирования.
Апробация результатов. Основные положения и результаты исследований докладывались на: Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения» (Киев, 1991 г.); Международной научно-практической школе-семинаре «Методы оптимального развития и эффективного использования трубопроводных систем энергетики» (Иркутск, 1994 г.); Международном семинаре «Энерго- и ресурсосбережение» (Новосибирск, 1997 г.); Международной научно-практической конференции «Человек - среда - вселенная» (Иркутск, 1997 г.); Научно-практической конференции «Энергосбережение. Проблемы и пути их решения» (Иркутск, 1999 г.); Научно-технической конференции «Энергосбережение на рубеже веков» (Москва, 1999 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, 2004 и 2011 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 статьях и докладах соискателя.
Личный вклад автора. Автору принадлежат:
усовершенствование методики определения химической энергии и эксергии твёрдых и жидких топлив и проведение расчётов этих характеристик;
приложение методики составления и анализа полного энергетического баланса к объектам генерирования энергии в системах теплоснабжения;
предложение принципиально нового методического подхода к определению термодинамической эффективности процессов коммунально-бытовой сферы с использованием идеальных (идеализированных) аналогов;
разработка принципов формирования идеальных аналогов для рассматриваемых объектов;
проведение расчётов по определению значений минимальных затрат энергии и эксергии на отопление и горячее водоснабжение;
разработка методики определения теоретического потенциала и резервов энергосбережения в системах отопления и горячего водоснабжения.
участие в разработке метода исследования энергетической эффективности систем потребления тепла, источников тепла и системы теплоснабжения в целом.
Структура работы. Диссертация объёмом 132 страницы состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы из 99 наименований и Приложения.
