Embed Size (px)
Citation preview
ЕНЕРГОМАШИНОСТРОИТЕЛЕН ФАКУЛТЕТ
КАТЕДРА ТОПЛИННА И ХЛАДИЛНА ТЕХНИКА
Аристидис Афендулидис
ИЗСЛЕДВАНЕ НА ХИДРАВЛИЧНИ СИСТЕМИ ЗА СГРАДНИ ОТОПЛИТЕЛНИ
И ОХЛАДИТЕЛНИ ИНСТАЛАЦИИ
АВТОРЕФЕРАТ
на дисертация за получаване на научната степен „ДОКТОР“ по научната специалност „Топлоснабдяване, газоснабдяване,
вентилация, климатизация, акустика и осветителна техника“
София, 2011
2
ЕНЕРГОМАШИНОСТРОИТЕЛЕН ФАКУЛТЕТ
КАТЕДРА ТОПЛИННА И ХЛАДИЛНА ТЕХНИКА
Маг. инж. Аристидис Афендулидис
ИЗСЛЕДВАНЕ НА ХИДРАВЛИЧНИ СИСТЕМИ ЗА СГРАДНИ ОТОПЛИТЕЛНИ И ОХЛАДИТЕЛНИ
ИНСТАЛАЦИИ
АВТОРЕФЕРАТ
на дисертация
за получаване на научната степен „ДОКТОР“ по научната специалност „Топлоснабдяване, газоснабдяване, вентилация, климатизация, акустика и
осветителна техника“
Научни ръководители:
проф. д-р инж. Стоян Крайчев
доц. д-р.инж. Мерима Златева
Рецензенти:
проф. д-р инж. Димитър Киров
проф. д-р инж. Александър Кирий
София,
2011 г.
3 Дисертационният труд е обсъден и насочен за защита в катедра «Топлинна и хладилна техника“ при Технически университет София на 5. 07. 2011 г. Защитата на дисертационния труд ще се състои на 4. 11. 2011 от 14.00 часа в зала 2321, блок 2, на Технически университет София, бул. Климент Охридски 8, София 1000 Автор: Аристидис Афендулидис Заглавие: Изследване на хидравлични системи за сградни отоплителни и охладителни инсталации
4 Използвани означения
Означение Дименсия Величина n RPM обороти
m3/h дебит
H m/Pa напор
ΔΡ Pa загуби на налягане
C хидравлично съпротивление
Kv m3/h пропускателна способност на вентила
a авторитет на вентила
h mm ход на вентила
W топлинна мощност
k W/m2 K коефициент на топлопреминаване
A m2 повърхнина
kg/s масов дебит
cp KJ/Kg K специфичен топлинен капацитет
ΔΤ Κ температурна разлика
ti(R, V, W, L) oC температура
α W/m2 K коефициент на топлопредаване
f хидравлично съпротивление по Moody
L m дължина
V m/s скорост
Ρ kg/m3 плътност
D mm диаметър
ν m2/s кинематичен вискозитет
ε mm грапавост
Re число на Рейнолдс
5 I. ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД
Актуалност на темата
Изборът на структурна схема на системите за отопление и охлаждане е комплициран и сложен процес, който изисква добър анализ на параметрите и съответен опит при определяне на техническите им параметри. При избора на структурната схема трябва да се съобразяват следните правила:
Не съществува хидравлична мрежа, която отговаря напълно на всички критерии по отношение на оптимална хидравлична работа и икономически показатели. Изборът на структурна схема се прави на база на функционалните особености и изисквания, обхвата на схемата, топлинната й мощност и конструктивните и експлоатационни изисквания. Предпочитат се схеми с ниска интерференция и добра възможност за регулиране. Структурни схеми, при които има неактивна циркулация, трябва да се избягват поради повишен разход на енергия.
Предпочита се регулирането на топлинната мощност на консуматора да става посредством промяна на оборотите на съответната помпа, а не чрез промяна на хидравличното съпротивление. Препоръчително е използването на децентрализирани схеми.
Цел и задачи на дисертационния труд
Въз основа на анализа на хидравличното поведение на използваните в практиката структурни схеми на системите за отопление и охлаждане е дефинирана основната цел на дисертационната работа: Разработване на схема, осигуряваща надеждна работа с ниска интерференция и създаваща предпоставки за икономия на енергия.
За изпълнение на дефинираната цел ще бъдат изпълнени следните задачи:
Синтез на структурна схема за системи за отопление и охлаждане с един или повече генератора на топлинна/хладилна енергия;
Числено моделиране и експериментално изследване на разработената структурна схема;
Оценка на надеждността и на потенциала за генериране на интерференция чрез числено сравнение с широко разпространените в практиката системи;
Сравнителен анализ на системата при пълно и частично натоварване;
Оценка на надеждността на работа на разработената структурна схема в реални сградни инсталации.
Разработване на метод за регулиране топлинната мощност на децентрализирани системи за отопление и охлаждане.
Обем на дисертационния труд
Дисертационният труд съдържа 8 глави в обем 191 стр., 59 фигури и 88 таблици. Списъкът на използваната литература обхваща 40 заглавия на латиница.
6 II. КРАТКО ИЗЛОЖЕНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД
1. ВЪВЕДЕНИЕ
Предназначението на затворените хидравлични мрежи е транспортиране на топлинната енергия от мястото на генерирането й до мястото на консумация. Типични затворени мрежи има във всички отоплителни и охладителни инсталации, използващи като работен флуид вода или водни разтвори на гликол.
Циркулацията на работния флуид се осигурява от помпа, която покрива загубите на налягане в мрежата.
За нормална и надеждна експлоатация на системите е необходимо произвежданото количество топлинна енергия да съответства на експлоатационния топлинен товар на консуматорите. Качествените и количествени показатели на произведената топлинна енергия, транспортирането и потреблението й се определят главно от температурата и дебита на топлоносителя. Температурата на топлоносителя е параметър, който от една страна може лесно да се гарантира при генериране на топлинната енергия, а от друга страна относително лесно се поддържа при транспортирането и консумацията й.
Дебитът на топлоносителя е параметър, който се контролира трудно и лесно се променя. Променливите му стойности са причина за влошена експлоатационна надеждност, изразяваща се в свръх- или в недостатъчно производство и консумация на топлинна енергия. Хистерезисът на регулиране на дебита на топлоносителя винаги е свързан с лошо качество и преразход на енергия в мрежата.
Два фактора определят ефективното функциониране на системите. За всяка система от топлинен генератор и консуматор е необходимо осигуряване на съответния дебит, с възможност за регулиране при конкретните експлоатационни условия, без да се генерират неактивни потоци в тръбната мрежа. Предотвратяването на неактивни потоци през последните години е дефинирано като допълнително условие за повишаване на енергийната ефективност на системите за отопление и охлаждане [4].
За функционалното регулиране на системите се използват два алтернативни принципа. Съгласно първия принцип се гарантира номиналният топлинен поток, като в процеса на експлоатация се регулира дебита на топлоносителя в съответствие с експлоатационните условия. В тръбната мрежа винаги се осигурява необходимият, или по-малък дебит. Поддържането на необходимият дебит за всеки от консуматорите в някои случаи е затруднено и може да доведе до частично влошаване на работа на системата и преразход на енергия.
Съгласно втория принцип, в системата отново трябва да се гарантира номинален дебит, но той остава постоянен по време на работа. Всяка генерираща и консумираща топлинна енергия единица работи с необходимия й дебит, а в мрежата циркулира неактивна част от него. Необходимият дебит винаги е на разположение, а в мрежата циркулира неактивни потоци, които водят до преразход на енергията [5].
Тези два основни принципа обуславят различните структурни схеми, които могат да се основават и на хибридни комбинации между тях.
В работата са представени и анализирани основните структурни схеми на системи за отопление и охлаждане. Представя се нова тритръбна схема, базирана на попътна схема, представляваща иновационна концепция в структурния синтез на мрежите. Анализът и оценката на новата система е направен чрез сравнение при различни експлоатационни условия с разпространени в практиката структурни схеми.
2. АНАЛИЗ НА СЪСТОЯНИЕТО НА ПРОБЛЕМА
Всяка система за отопление и охлаждане се структурира от три части [4,5]. Първична част (подсистема на генератора), която включва елементи за генериране на топлинна/хладилна
7 енергия, разпределителна мрежа, и вторична мрежа (подсистема на консуматора), която обединява консуматорите на топлинна енергия [5,18].
2.1. Основни схеми на подсистеми за консумация на топлинна енергия
Разглежданите подсистеми от хидравличните схеми обединяват консуматорите на топлинна енергия. Съществуват структурни схеми на подсистемите, които могат да работят само при положителна разлика в наляганията между щрангове на разпределителната мрежа. Тази положителна разлика в налягането се създава или от помпа, инсталирана в централната част на подсистемата, или от помпи към разпределителя или в разпределителната мрежа [2,3].
Пасивните схеми се характеризират с наличието на отрицателно диференциално налягане в началото на разпределителния щранг. Поради това помпите към консуматорите трябва да покриват освен загубите на налягане на щранговете на консуматора и загубите на налягане на централните щрангове. Мрежи от подобен вид се дефинират като децентрализирани [6,8].
На фигура 1 са показани основните структурни схеми на активни подсистеми на консуматорите.
C C C C C C C
Ac
tiv
e s
ec
on
da
ry
A B C D E F G
+
-
фигура 1 Основни схеми на активни подсистеми на консуматорите
На фигура 2 са показани основни схеми на пасивни подсистеми на консуматорите.
C C C
Pa
ss
ive
se
co
nd
ary
A C
C
B D
-
+
C
E
фигура 2 Основни схеми пасивни подсистеми на консуматорите
2.2. Основни схеми на разпределителни мрежи
Основната част на разпределителната мрежа включва елементите за генериране на топлинна енергия. Разпределителната мрежа може бъде активна или пасивна.
На фигура 3 са представени основни принципни схеми на активни разпределителни мрежи, а на фигура 4 – съответните пасивни схеми на разпределителната мрежа.
8
P P P P
Ac
tiv
e p
rim
ary
A B C D
+
-
Secondary
фигура 3 Основни схеми на активни разпределителни мрежи
P P
Pa
ss
ive
pri
ma
ry
A B+
-
Secondary фигура 4 Основни схеми на пасивни
разпределителни мрежи
2.3. Интерференция
Интерференцията [4] е нежелано хидравлично взаимодействие между щранговете на мрежата, генерирано при индивидуално регулиране на консуматорите. Като явление и интензивност тя зависи от формата и структурата на мрежата. Висока интерференция предизвиква функционални смущения в тръбната мрежа, в смисъл на недостатъчен дебит в отделни щрангове към консуматорите.
Всяка помпа е с дефинирана работна област в рамките на определена тръбна мрежа, състояща се от щрангове и възли. Промяна на съпротивлението на определен щранг предизвиква съответно изменение в хидравличните характеристики, разликите в налягането и дебита в него и всички свързани с него участъци, изложени на въздействието помпата.
Ако функционалнаната области на помпите в системата са частично осигурени, всяка възможна промяна на работната й характеристика, дебит и напор предизвикват промяна на работните характеристики на други помпи и в последствие променя експлоатационните условия на всички щрангове, включени в работния им диапазон.
2.4. Основни структурни схеми с един и няколко генератора
2.4.1. Структурна схема тип разпределителна мрежа – подсистема на консуматора
Структурната схема тип разпределителна мрежа – подсистема на консуматора е най-често използваната [4, 28, 33]. Основна особеност е, че чрез свободното протичане на дебит през байпасната връзка се гарантира хидравлично отделяне на двете части на мрежата. Характерни схеми от този вид са показани на фигура 5 и фигура 6.
P
Passive Secondary
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
PP
фигура 5
9
Active Secondary
P
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
PP
фигура 6
2.4.2. Структурна схема тип разпределителна мрежа с променлив дебит
Схемата от тип разпределителна мрежа с променлив дебит е сравнително нова за известните от дълго време двутръбни системи с допълнителен байпас [3, 10]. Представена е на фигура 7. Основна особеност при нея е наличието на регулиращ вентил в байпасната връзка.
Схемата не осигурява хидравлично отделяне между разпределителната мрежа и подсистемата на консуматорите, а интерференцията се проявява и в двете й части [13]. Байпасът осигурява минимална неактивна циркулация в разпределителната мрежа, с което при частично натоварване на консуматорите се гарантира правилното функциониране на генератора.
P
Active Secondary
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
PP
фигура 7 Разпределителна мрежа с променлив дебит, активна подсистема на консуматорите
2.5. Основна цел и задачи на дисертационната работа
Изборът на структурна схема на системите за отопление и охлаждане е комплициран и сложен процес, който изисква добър анализ на параметрите и съответен опит при определяне на техническите им параметри. При избора на структурната схема трябва да се съобразяват следните правила:
Не съществува мрежа, която отговаря напълно на всички критерии по отношение на оптимална хидравлична работа и икономически показатели. Изборът на структурна схема се прави на база на функционалните особености и изисквания, обхвата на схемата, топлинната й мощност и конструктивните и експлоатационни изисквания. Предпочитат се схеми с ниска интерференция и добра възможност за регулиране. Структурни схеми, при които има неактивна циркулация, трябва да се избягват поради повишен разход на енергия.
Предпочита се регулирането на топлинната мощност на консуматора да става посредством промяна на оборотите на съответната помпа, а не чрез промяна на хидравличното съпротивление. Препоръчително е използването на децентрализирани схеми.
Въз основа на анализа на хидравличното поведение на използваните в практиката структурни схеми на системите за отопление и охлаждане е дефинирана основната цел на дисертационната работа: Разработване на схема, осигуряваща надеждна работа с ниска интерференция и създаваща предпоставки за икономия на енергия.
10 За изпълнение на дефинираната цел ще бъдат изпълнени следните задачи:
Синтез на структурна схема за системи за отопление и охлаждане с един или повече генератора на топлинна/хладилна енергия;
Числено моделиране и експериментално изследване на разработената структурна схема;
Оценка на надеждността и на потенциала за генериране на интерференция чрез числено сравнение на широко разпространените в практиката системи;
Сравнителен анализ на системата при пълно и частично натоварване;
Оценка на надеждността на работа на разработената структурна схема в реални сградни инсталации.
Разработване на метод за регулиране топлинната мощност на децентрализирани системи за отопление и охлаждане.
3. СТРУКТУРНА СХЕМА НА ТРИТРЪБНА СИСТЕМА ЗА ОТОПЛЕНИЕ И ОХЛАЖДАНЕ
Първоначалният вариант на новата структурна схема, наречен „Нова тритръбна система“ (патент 1005) е показан на фигура 8.
P
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
Passive secondary
passive
bypass
passive
bypass
фигура 8
Основен признак на тритръбната система е наличието на затворен контур към всеки консуматор. Всеки контур включва захранващите щрангове към консуматора и локална помпа. Това гарантира възможност за реализиране на всички основни структурни схеми на пасивна подсистема на консуматора. Обикновено се използват схеми тип А, B и С.
Експериментални измервания на реални инсталации и моделни изследвания на системата формираха идеята за елиминиране на двата пасивни байпасиращи участъка и предвиждането на възвратни клапи на байпасните връзки с цел елиминиране на нежеланата циркулация в тях. Структурната схемата на модифицираната тритръбна система е показана на фигура 9.
P
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
SC
HA
LT
UN
G
Check valve
BY
PA
SS
BY
PA
SS
SC
HA
LT
UN
G
фигура 9
11 От фигура 9 ясно се вижда произхода на новата схема от попътната система. Допълнителни изследвания доведоха до разработване на структурната схема, показана на фигура 10, наречена „Разширена нова тритръбна система, патентована през 2010 г.
P
Check valve
Byp
ass
Te
rmin
al
Un
it
Byp
ass
Byp
ass
Byp
ass
Te
rmin
al
Un
it
Te
rmin
al
Un
it
Te
rmin
al
Un
it
Te
rmin
al
Un
it
Te
rmin
al
Un
it
фигура 10
Минималният брой на байпасните щрангове е три, един в началото, един в края и един в средата на мрежата. Възможно е обособяване на повече байпасни щрангове, разположени на различни места в подсистемата на консуматорите. На практика при всеки консуматор може да бъде обособена байпасна връзка. Ролята й е да елиминира интерференцията в системата. Централната помпа се регулира по начин, елиминиращ дебита в байпасните щрангове, а всички възвратни клапи са затворени
4. СРАВНИТЕЛЕН АНАЛИЗ НА СТРУКТУРНИ СХЕМИ ЗА ОТОПЛЕНИЕ И ОХЛАЖДАНЕ
4.1. Цел и задачи на сравнителния анализ
Сравнителният анализ на схемите на инсталациите за отопление и охлаждане е възможно да бъде направен от гледна точка на различни критерии [27, 30, 34]: консумация на енергия, технически възможности, естетични и икономически показатели.
При сравнителния анализ са използвани критериите: консумация на енергия, оценена чрез хидравличната мощност на помпите и интерференция в системата.
Хидравличната мощност на помпата е , където ΔP, Pa, и , m3/s.
Интерференцията в мрежата се определя от зависимостта: , където е
дебитът при частично натоварване, а е номиналният (изчислителен) дебит.
При определяне на разхода на енергия не се отчитат два параметъра, свързани с интерференцията.
Първият параметър е коефициентът на полезно действие на помпата. Поради наличието на интерференция работната точка на помпата се понижава пропорционално на неговото намаляване. Параметърът не се отчита, тъй като понижаването на коефициента на полезно действие е променлива величина и зависи от вида на използваната помпа.
Вторият параметър се определя по следния начин: разходът на енергия се състои от две компоненти – разход на енергия при балансиран и преходен режим. Като балансиран се определя режимът, при който системата е в топлинно равновесие, и в нея не се генерират сигнали за промяна на топлинната мощност. Хидравличната мощност при балансиран режим може да бъде определена при пълно и при частично натоварване на системата.
12 Преходните режими се дефинират като време от момента на възникване на сигнал за промяна на топлинната мощност на консуматора, до момента в който цялата система достига равновесие по отношение на топлинната мощност и дебита. Хидравличната и топлинна мощност при преходния режим трудно се определят като стойност. За целите на сравнителния анализ те се оценява чрез интерференцията. Големи стойности на интерференцията в системата са признак за по-голяма хидравлична и топлинна мощност в преходните режими.
4.2. Сравнителен анализ
Сравнителният анализ е проведен за различни схеми на системи с 15 терминални единици, при един или няколко генератора в разпределителната мрежа. Общата топлинна мощност на подсистемите на консуматорите и в разпределителната мрежа е еднаква при всички сравнявани варианти. При схеми с мултигенерация се изследват системи с три генератора.
Сравнителният анализ е направен за системи със следните типове схеми:
1. Нова тритръбна;
2. Разпределителна мрежа – пасивна подсистема на консуматорите
3. Разпределителна мрежа – активна подсистема на консуматорите
4. Разпределителна мрежа с променлив дебит – активна подсистема на консуматорите
Избраните елементи в подсистемите на консуматорите са пасивни, тип А и активни, също
тип А. Всички системи работят с постоянна температурна разлика Т на консуматора, което определя надеждност и по-добра регулируемост.
В режим на охлаждане системите работят с номинална температурна разлика на подсистемата на консуматорите 5 К. При схеми с един генератор в разпределителната мрежа помпата е с променливи обороти. Приема се, че водоохлаждащият агрегат работи стъпално с натоварване 25 %, 50 % и 100 %. Регулирането на помпата в разпределителната мрежа се прави съгласно същия принцип.
Избраните помпи не са с променливи, а с постоянни обороти и характеристики, които имат определена работна област. Към всяка помпа е предвиден външен инвертор, което позволява промяна на оборотите им, като работните им характеристики се променят според законите на подобието и съответния регулиращ сигнал.
Изследва се хидравличното поведение на системите при три различни сценария: Пълно натоварване, 50 % натоварване, което представлява най-продължителният експлоатационен интервал на системата, и 30 % частично натоварване, което е представително за минималните натоварвания на системата. Всички системи са изградени от стоманени тръби с грапавост ε=0.045 mm.
4.3. Методика за провеждане на сравнителния анализ
Общият вид на уравнението за определяне на загубите на налягане в тръбни мрежи е
, където С е константа, зависеща от материала, дължината и диаметъра на
тръбата, както и от плътността на флуида [4, 5].
За да се повиши надеждността и областта на приложение на уравнението, се използва експонента, която има стойности от 1,8 до 2,00. С нея се отчита зависимостта на f от Re в преходната област. В дисертационната работа за целите на сравнителния анализ, се използва експонента 2,00.
За провеждане на сравнителния анализ в работата е използван математичният пакет MUPAD2.5 и специализираният софтуер Fathom7.0 на AFT Corp. Използвана е методологията на решаване системата нелинейни уравнения по метода на Newton-Raphson при зададени начални стойности. Дефинирането на системата уравнения е съставено
13
съгласно закона на Kirchhoff, като за всеки затворен контур е в сила , а за всеки
възел (при константна плътност).
4.4. Сравнителен анализ при един топлинен генератор
Анализираните схеми при сравнителния анализ са показани на фигура 11, фигура 12, фигура 13, фигура 14 и фигура 15. При оразмеряване системите са аналогични, като дължината на тръбните участъци е еднаква. Общата потребна топлина на системата е 434 kW, а приетата мощност на топлинния генератор 450 kW.
Техническите параметри на системите са определени при пълно натоварване. Определят се необходимите съпротивления, както и помпите. В последствие системите се изследват при двата сценария с частично натоварване. При първия сценарий се деактивират консуматорите C1, C2, C4, C7, C12 и C13, при което топлинният товар намалява с 215 kW, като подсистемата на консуматорите е с натоварване 219 kW. При втория сценарий се деактивират консуматорите C1, C2, C3, C5, C6, C9, C12 и C13, при което топлинният товар намалява с 299 kW, като подсистемата на консуматорите е с натоварване 135 kW.
4.4.1. Обобщени резултати от сравнителния анализ на схеми с един генератор
Резултатите за топлинната мощност и генерираната интерференция, получени на база на сравнителния анализ за изследваните схеми са показани в таблица 1 и таблица 2 и на графика 1 и графика 2.
таблица 1 Обща хидравлична мощност
Обща хидравлична мощност (W) Базов вариант Сценарий 1 Сценарий 2
Разпределителна мрежа – активна подсистема на консуматорите Primary – secondary/active secondary
5313 1992 1315
Разпределителна мрежа – пасивна подсистема на консуматорите Primary – secondary/passive secondary
3422 812 532
Разпределителна мрежа с променлив дебит Variable primary
5683 2863 2977
Тритръбна схема – разпределителна мрежа и подсистема на консуматорите - (попътна/лъчева) Three pipe system/primary-secondary (Kreiförmig/Gerade)
3490 / 3874 826 / 881 517 / 531
Тритръбна схема на подсистемата на консуматорите – разпределителна мрежа Three pipe system/simple primary (Kreiförmig/Gerade)
3748 / 3779 844 / 850 600 / 599
14 таблица 2 Максимална/средна интерференция
Интерференция % (максимална / средна) Сценарий 1 Сценарий 2
Разпределителна мрежа – активна подсистема на консуматорите Primary – secondary/active secondary
17.8 / 8.4 19.3 / 11.0
Разпределителна мрежа – пасивна подсистема на консуматорите Primary – secondary/passive secondary
51,8 / 23.8 57.6 / 33.3
Разпределителна мрежа с променлив дебит Variable primary
26.7 / 18.6 28.7 / 21.1
Тритръбна схема – разпределителна мрежа и подсистема на консуматорите - (попътна/лъчева) Three pipe system/primary-secondary (Kreiförmig/Gerade)
13.8 / 4.4 13.8 / 6.0
Тритръбна схема на подсистемата на консуматорите – разпределителна мрежа Three pipe system/simple primary (Kreiförmig/Gerade)
11.6 / 3.4 11.6 / 4.8
Разпределителна мрежа – активна подсистема на консуматорите Primary – secondary/active secondary
13.8 / 4.4 13.8 / 5.9
4.4.2. Изводи от сравнителния анализ
От сравнителния анализ могат да бъдат направени следните изводи:
1. Системите с четирите сравнявани схеми са с еднаква дължина и диаметър на тръбните мрежи. Тритръбната система при попътна схема е с 107 m по-голяма дължина на централния щранг, което се определя от специфичната й структура.
2. Въз основа на получените стойности на критерия хидравлична мощност по-нататък трябва да се разглеждат само системите с разпределени схеми: „Пасивна разпределителна мрежа–подсистема на консуматорите“ и „Нова тритръбна система“. При останалите схеми е установен голям разход на енергия, обусловен от начина на регулиране на дебита чрез промяна на хидравличното съпротивление.
Интерференцията при всички системи със схема от типа „Новата тритръбна система“ е по-малка в сравнение с останалите.
15
C1 C2 C3 C4 C5 C6
a2a1b0
b3 C7P
a3 a4 a5 a6 a7
C8 C9C
10
a9 a10
C
11
C
12
C
13
a12 a13
C
14
C
15
a15a8 a11 a14
фигура 11 Разпраделителна мрежа – активна подсистема на консуматорите
C1 C2 C3 C4 C5 C6
a2a1b0
b3
C7
P
a3 a4 a5 a6 a7
C8 C9C
10
C
11
C
12
C
13
a9
C
15
a10 a11 a12 a13 a15
C
14
a14a8
фигура 12 Разпределителна мрежа – пасивна подсистема на консуматорите
C1 C2 C3 C4 C5 C6
a2a1b0
b3 C7P
a3 a4 a5 a6 a7
C8 C9C
10
a9 a10
C
11
C
12
C
13
a12 a13
C
14
C
15
a15a8 a11 a14
фигура 13 Разпределителна мрежа с променлив дебит – активна подсистема на консуматорите
16
1 2 C 5 6
a2
7
a3 a4 a5 a6 a7 a9
10
a10
9 12 13 14
a8 a11 a12 a13 a14 a15
1584 11
a1b0
b3P
фигура 14 Нова тритръбна схема – разпределителна мрежа – подсистема на консуматорите
1 2 C 5 6
a2
7
a3 a4 a5 a6 a7 a9
10
a10
9 12 13 14
a8 a11 a12 a13 a14 a15
1584 11
a1b0
P
фигура 15 Тритръбна схема на подсистемата на консуматорите – разпределителна мрежа
17 графика 1 Обща хидравлична мощност, W
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Initial form Scenario 1 Scenario 2
Primary – secondary/active secondary
Primary – secondary/passive secondary
Variable primary
Three pipe system/primary-secondary/KreisförmigThree pipe system/primary-secondary/Gerade
Three pipe system/simple primary/Kreisförmig
18 графика 2 Максимална/средна интерференция, %
0
10
20
30
40
50
60
70
Scenario1- maxInterference
Scenario1- meanInterference
Scenario2- maxInterference
Scenario2- meanInterference
Primary – secondary/active secondary
Primary – secondary/passive secondary Variable primary
Three pipe system/primary-secondary
Three pipe system/simpleprimary/Kreisförmig
19
4.5. СРАВНИТЕЛЕН АНАЛИЗ НА СХЕМИ С НЯКОЛКО ГЕНЕРАТОРА
При проведения хидравличен анализ на схемите на системите за отопление и охлаждане се установи, че най-благоприятни по отношение на критерия хидравлична мощност са схемите: Разпределителна мрежа – подсистема на консуматорите и Тритръбна. При сравнителния анализ с няколко генератора се оценяват само системи с такива схеми:
1. Разпределителна мрежа - пасивна подсистема на консуматорите (фигура 16);
2. Тритръбна схема на разпределителната мрежа и на подсистемата на консуматорите (фигура 17).
Сравнителният анализ е проведен при двата описани сценария с 50 % и 30 % натоварване.
4.5.1. Обобщени резултати от сравнителния анализ на схеми с няколко генератора
Резултатите от сравнителния анализ на изследваните схеми са показани в таблица 3 и таблица 4 и на графика 3 и графика 4.
таблица 3 Обща хидравлична мощност
Обща хидравлична мощност (W) Базов вариант Сценарий 1 Сценарий 2
Разпределителна мрежа - пасивна подсистема на консуматорите Primary – secondary/ passive secondary
3402 1784 905
Тритръбна схема на разпределителната мрежа и на подсистемата на консуматорите Three pipe system (Kreisförmig/ Gerade)
3485/3869 1799/1854 893/907
таблица 4 Максимална/средна интерференция
Интерференция, % (максимална – средна) Сценарий 1 Сценарий 2
Разпределителна мрежа - пасивна подсистема на консуматорите Primary – secondary/passive secondary
51,8 / 23.8 57.6 / 33.2
Тритръбна схема на разпределителната мрежа и на подсистемата на консуматорите Three pipe system
13.8 / 4.4 13.8 / 6.0
20
P1
C1 C2 C3 C4 C5 C6
a2a1b0b2b1
b3
C7
P2 P3
a3 a4 a5 a6 a7
C8 C9C
10
C
11
C
12
C
13
a9
C
15
a10 a11 a12 a13 a15
C
14
a14a8
фигура 16 Разпределителна мрежа – пасивна подсистема на консуматорите
1 2 C 5 6
a2
7
a3 a4 a5 a6 a7 a9
10
a10
9 12 13 14
a8 a11 a12 a13 a14 a15
P3P2P11584 11
b1 b2
b3
a1 фигура 17 Тритръбна схема на разпределителната мрежа и на подсистемата на консуматорите
21 графика 3 Обща хидравлична мощност, W
графика 4 Максимална – средна интерференция, %
4.5.2. Изводи от сравнителния анализ на схеми с няколко генератора
От сравнителния анализ на схемите с няколко генератора могат да бъдат направени следните изводи:
1. Системите, изпълнени по двете сравнявани структурни схеми имат еднаква дължина и диаметри на тръбната мрежа.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Initial form Scenario 1 Scenario 2
Primary – secondary/passive secondary
Three pipesystem/Kreisförmig
Three pipe system/Gerade
0
10
20
30
40
50
60
70
Scenario1-max
Interference
Scenario1-mean
Interference
Scenario2-max
Interference
Scenario2-mean
Interference
Primary – secondary/passive secondary
Three pipe system
22 2. Разходът на енергия при балансиран режим при системи със схема „Разпределителна
мрежа – подсистема на консуматорите“, особено в номинален режим, е с 5% по-малък отколкото при тритръбната система.
3. Интерференцията при схема „Разпределителна мрежа – подсистема на консуматорите“ е значително по-висока, което е критичен признак за реалния по-висок разход на енергия.
5. СРАВНИТЕЛЕН АНАЛИЗ НА ДЕЦЕНТРАЛИЗИРАНИ ПОМПЕНИ СИСТЕМИ
Децентрализираната помпена система на WILO [7] e иновативно решение, преди всичко по отношение на прилагането на теория, която е била многократно обсъждана в научните среди. Първоначалната идея е премахване на термостатичните вентили към отоплителните тела и замяната им с малки циркулационни помпи. По този начин топлоподаването се регулира не чрез дроселиране, а чрез промяна на оборотите на помпите, което е предпоставка за икономия на енергия и надеждна работа на мрежата. Производството на подобни малки и енергийно ефективни помпи е голям технологичен успех.
В съществуващите отоплителни инсталации, особено когато се цели повишаване на енергийната ефективност, се интегрират термостатни вентили, дроселиращи дебита и регулиращи топлоподаването съобразно конкретните експлоатационни условия. Тъй като термостатния вентил работи като пропорционален регулатор, той трябва да има минимално необходимо хидравлично съпротивление. Циркулационната помпа трябва да компенсира загубите на налягане в мрежата и вентила, при съответен разход на енергия.
Използването на малки помпи към всяко отоплително тяло вместо термостатни вентили е предимство от енергийна гледна точка. При такава структура на мрежата, се очаква по-малка интерференция и по-малък разход на енергия.
На фигура 18 е показана работната характеристика на такава помпа.
фигура 18 Работни характеристики на помпа
5.1. Цел и задачи на сравнителния анализ на децентрализирани помпени системи
В тази глава се провежда допълнително сравнение между различни децентрализирани схеми.
При сравнителния анализ като критерии се използват хидравличното съпротивление и интерференцията, анализирани в предходните глави. Методиката за провеждане на анализа е аналогична на описаната в съответните глави на дисертационната работа.
23 5.2. Сравнителен анализ
Специфичното хидравлично поведение на системи с децентрализирана схема се изследва чрез сравнение на различни инсталации с еднакви параметри.
Сравняваните схеми са в моделна отоплителна инсталация в бизнес-сграда със 17 самостоятелни офиса. Всеки офис се обслужва от отделно отоплително тяло.
Сравняваните алтернативните инсталации са с лъчева, попътна и тритръбна схема (фигура 19, фигура 20 и фигура 21). При системите с лъчева и попътна схема в разпределителната мрежа и в подсистемата на консуматорите са предвидени байпаси.
Данни за отоплителните тела са показани в таблица 5. Нормираната температурна разлика е 15 К, а температурата на топлоносителя на входа в системата е 70 оС.
таблица 5 Отоплителни тела
Отоплително тяло
Топлинна мощност
(W)
Дебит (l/h)
P1 2900 170.3
P2 2900 170.3
P3 2900 170.3
P4 2900 170.3
P5 2900 170.3
P6 2900 170.3
P7 2900 170.3
P8 2900 170.3
P9 2450 143.9
P10 2450 143.9
P11 2450 143.9
P12 2450 143.9
P13 2450 143.9
P14 2450 143.9
P15 2600 152.7
P16 2600 152.7
P17 2600 152.7
Сравнителният анализ е направен на два етапа. На първия етап са оразмерени тръбните мрежи и са определени инвестиционните разходи при трите сравняване типа схеми.
На втория етап от сравнителния анализ системите се анализират при пълно и частично натоварване по отношение на разход на енергия и интерференция.
24
5.3. Сравнителен анализ на базата на минимални размери на тръбната мрежа
5.20
Φ42
7.50
Φ42
4.80
Φ42
4.60
Φ42
5.90
Φ42
3.40
Φ42
8.40
Φ42
4.20
Φ35
6.30
Φ35
1.90
Φ35
4.10
Φ35
5.50
Φ352.60
Φ28
7.20
Φ28
3.60
Φ22
2.60
Φ18
2600 W
P17
2600 W
P162600 W
P152900 W
P1
2900 W
P3
2900 W
P4
2900 W
P5
2900 W
P6
2900 W
P72900 W
P8
2450 W
P9
2450 W
P10
2450 W
P11
2450 W
P122450 W
P13
2450 W
P14
11.60
Φ35
2900 W
P2
фигура 19 Оразмеряване при лъчева схема на тръбната мрежа
25
2580 W
P17
2580 W
P162580 W
P152880 W
P1
2880 W
P3
2880 W
P4
2880 W
P5
2880 W
P6
2880 W
P72880 W
P8
2400 W
P9
2400 W
P10
2400 W
P11
2400 W
P122400 W
P13
2400 W
P14
2880 W
P2
11.60
Φ35/Φ35
5.20
Φ42/Φ18
7.50
Φ42/Φ22
4.80
Φ42/
Φ22
4.60
Φ42/
Φ28
5.90
Φ35/
Φ28
3.40
Φ35/Φ28
8.40
Φ35/Φ284.20
Φ35/Φ35
6.30
Φ28/Φ35
1.90
Φ28/Φ35
4.10
Φ28/Φ35
5.50
Φ28/Φ42
2.60
Φ22/Φ42
7.20
Φ22/
Φ42
3.60
Φ18/Φ42
2.60
Φ18/Φ42
фигура 20 Оразмеряване при попътна схема на тръбната мрежа
26
2580 W
P17
2580 W
P162580 W
P152880 W
P1
2880 W
P3
2880 W
P4
2880 W
P5
2880 W
P6
2880 W
P72880 W
P8
2400 W
P9
2400 W
P10
2400 W
P11
2400 W
P122400 W
P13
2400 W
P14
2880 W
P2
5.20
Φ35/Φ15
11.60
Φ35
4.80
Φ28/
Φ22
4.60
Φ28/
Φ22
5.90
Φ28/
Φ22
3.40
Φ28/Φ22
8.40
Φ28/Φ28
4.20
Φ28/Φ28
6.30
Φ28/Φ28 1.90
Φ28/Φ28
4.10
Φ22/Φ28
5.50
Φ22/Φ28
2.60
Φ22/Φ28
7.20
Φ22/
Φ28
3.60
Φ18/Φ35
2.60
Φ15/Φ35
11.60
Φ35
7.50
Φ35/Φ18
фигура 21 Оразмеряване при тритръбна схема на тръбната мрежа
27
5.3.1. Обобщени резултати от сравнителния анализ на база на минимални размери на тръбната мрежа
Техническите параметри на тръбната мрежа за трите сравнявани схеми са показани в таблица 6 и на графика 5.
таблица 6 Технически параметри на тръбната мрежа
Обща дължина Лъчева схема Попътна схема Тритръбна схема
Обща дължина (m) Φ42 79.60 43.60 0
Обща дължина (m) Φ35 67.2 61.60 42.10
Обща дължина (m) Φ28 19.60 40.10 79.70
Обща дължина (m) Φ22 7.20 22.10 38.10
Обща дължина (m) Φ18 5.20 11.40 11.10
Обща дължина (m) Φ15 17 17 24.80
Обща дължина (m) 195.80 195.80 195.80
графика 5 Дължина на тръбната мрежа, m
0
50
100
150
200
250
Zweirohr Tichelmann Dreirohr
Total pipe length (m) Φ15 Total pipe length (m) Φ18 Total pipe length (m) Φ22 Total pipe length (m) Φ28 Total pipe length (m) Φ35 Total pipe length (m) Φ42
28 5.4. Сравнителен анализ на база на разход на енергия
При сравнителния анализ с цел определяне на разхода на енергия и интерференцията, е необходимо при системите с попътна и тритръбна схема да се направи ново оразмеряване, еквивалентно на това при системите с лъчева схема.
Трите системи се моделират в последствие при частично натоварване при два сценария, като при всеки от тях се определя разхода на енергия и интерференцията. При първия сценарий се деактивира всяко второ отоплително тяло, а при втория – първите десет.
Регулирането на системата се основава на принципа за поддържане на постоянна ΔΤ = 15 К към всяко отоплително тяло. По същия критерий работи и централната помпа. При частично натоварване всички помпи регулират оборотите си с цел поддържане на температурна разлика в мрежата 15 K.
За определяне на интерференцията в системите, първоначално системата се моделира при частично натоварване, без да е осъществено регулиране на оборотите на помпите. На база на работата на всички помпи при пълно натоварване, след деактивиране на определените отоплителни тела и на съответните локални помпи, се определят работните точки на останалите активни помпи.
При първия сценарий се деактивира всяко второ отоплително тяло, т.е. консуматори C2, C4, C6, C8, C10, C12, C14 и C16. При втория сценарий се деактивират първите десет отоплителни тела, т.е. консуматори C1, C2, C3, C4, C5 C6 C7, C8, C9 и C10.
5.4.1. Резултати от сравнителния анализ на база на разход на енергия
Получените от сравнителния анализ резултати за хидравлична мощност и интерференция при трите схемни решения са показани в таблица 7 и таблица 8 и на графика 6 и графика 7.
таблица 7 Обща хидравлична мощност
Обща хидравлична мощност (W) Базов вариант Сценарий 1 Сценарий 2
Лъчева схема 13.646 2.283 1.767
Попътна схема 13.559 2.280 1.252
Тритръбна схема 13.543 2.274 1.251
таблица 8 Максимална/средна интерференция
Интерференция % (максимална – средна) Сценарий 1 Сценарий 2
Лъчева схема 59,4 / 39.5 48.9 / 35.6
Попътна схема 51.6 / 41.7 59.6 / 37.2
Тритръбна схема 23.7 / 16.0 20.3 / 11.2
29 5.4.2. Изводи от сравнителния анализ на база на разход на енергия
От получените резултати могат да бъдат направени следните изводи:
1. Резултатите от сравнителния анализ показват, че при системи с попътна и тритръбна схема хидравличната мощност е най-малка и приблизително еднаква при балансиран режим на работа.
2. В сравнение с новата тритръбна схема интерференцията при системи с попътна схема е по-голяма, което е недостатък по отношение на общия реален разход на енергия.
графика 6 Обща хидравлична мощност, W
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
16,000
Initial form Scenario 1 Scenario 2
Zweirohr System
Tichelmann System
Dreirohr System
30 графика 7 Максимална/средна интерференция, %
6. ИЗВОДИ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В дисертационната работа са изследвани редица въпроси, произтичащи от основната цел и поставени задачи, свързани с изследването и анализа на хидравличното поведение на системи за отопление и охлаждане с различни структурни схеми. По-съществените научно-приложни и приложни приноси се отнасят до разработване на схема за системи за отопление и охлаждане, създаваща условия за генериране на ниска интерференция при различни експлоатационни условия.
6.1. Научно-приложни приноси
1. Разработена е нова хидравлична система, базирана на попътна схема, но с различни функционални характеристики, определени от наличието на байпасни връзки в разпределителната мрежа на консуматорите и на централна и локални помпи. Системата е приложима в отоплителни и охладителни инсталации без ограничение на големината. Системата е защитена с два патента 1. OBI 20050100487, PCT/GR2006/000051, EP1926941 с наименование „Нова тритръбна система“. 2. OBI 20100100510 с наименование „Разширена тритръбна система.
0
10
20
30
40
50
60
70
Scenario1-max
Interference
Scenario1-mean
Interference
Scenario2-max
Interference
Scenario2-mean
Interference
Zweirohr System
Tichelmann System
Dreirohr System
31 2. Разработен е метод за регулиране на топлинната мощност на децентрализирани
отоплителни инсталации. Методът е основан на регулиране на оборотите на децентрализираните помпи по информация на необходимата температурна разлика на топлоносителя. Разработеният метод е докладван и патентован под наименованието „Pump controlling method in hydronic HVAC networks“, OBI 200/0100152/1006812.
3. С помощта на числено моделиране със специализиран софтуер са анализирани експлоатационните параметри на тръбни системи. Използвани са програмният продукт Mupad 2.5 и специализирания софтуер AFT 7.0 von Fathom за решаване на затворени и отворени мрежи.
4. На база на сравнение на различни структурни мрежи с един и няколко генератора е доказано, че „разширената нова тритръбна система“ гарантира минимална хидравлична мощност, при най-малко дебалансиране.
5. На база на сравнение на децентрализирани отоплителни инсталации е доказано, че „разширената тритръбна система“ изисква минимално дименсиониране при спазване на първоначалните критерии, има минимална хидравлична мощност и най-малко дебалансиране.
6.2. Приложни приноси
1. С помощта на тритръбната система успешно са изпълнени редица реални инсталации, като: жилищна сграда и Национален театър в Козани, Гърция.
2. Разработен е проект за отопление и охлаждане на Нова библиотека в Козани, Гърция, с тръбна мрежа с „Разширена нова тритръбна система“.
3. През 2008 г. търговските права върху тритръбната система са отстъпени с договор на немската фирма Wilo SA.
4. Разработен е и е построен експериментален стенд за качествена оценка на дебита в байпасните връзки и на неактивната циркулация в разпределителната мрежа на консуматорите.
5. Доказано е, че при използване на тритръбна схема се осигурява минимално 20 % понижаване на енергийните разходи за работа на системата.
III. ПУБЛИКАЦИИ, СВЪРЗАНИ С ДИСЕРТАЦИОННАТКА РАБОТА
1. Coupling Multiple Heat Production and Consumption Units by Employing a new Three-Pipe System – A. Afentoulidis - M. Zlateva, ASHRAE TRANSACTIONS 2007, V. 113, Pt. 1.
2. The new three pipe system: presentation and evaluation of applications in HVAC technology – A. Afentoulidis – M. Zlateva, Proceedings of REHVA Congress 2007, Vol. 6, Pt. 5.
3. The new three pipe system applicable in HVAC hydronic networks. Presentation and evaluation. – A. Afentoulidis, Proceedings of 2nd national Congress of Engineers – GREECE.
32
INVESTIGATION OF HYDRAULIC NETWORKS IN BUILDING HEATING AND COOLING SYSTEMS
Dipl. Ing. Aristidis Afentoulidis
SUMMARY
Based on the analysis of the hydraulic behavior and the properties of the building heating and cooling systems used in the practice is defined the main objective of the dissertation: development of a scheme of hydraulic heating and cooling system with reliable operation and little interference that creates prerequisites for rational use of energy. To fulfill the main objective following tasks are defined:
Synthesis of a new network structure, applicable to all heating or cooling installations, which can theoretically show a better function;
Numerical modeling and experimental investigation of the system;
Investigation the reliability and interference potential using a numerical comparison with the most widely used systems;
Evaluation and comparison of the system at full and part load operation;
Evaluation the reliability of the system in real systems;
Development of a power control method for decentralized heating and cooling systems. The main results obtained can be specified as follows:
A new hydraulic system is developed on the base on the reverse return from, but with additional bypasses in consumer strangs, and both central and local pumps. The system is suitable for heating and cooling systems and also for distribution and extensive networks. The system is protected by two patent applications as follows: 1 20050100487 OBI, PCT/GR2006/000051, EP1926941 "The new three-pipe system." 2nd OBI 20100100510 with the name "Three Extended new pipe system."
A new method for power control in decentralized heating systems is developed. The method was applied for a patent titled "Pump controlling method in hydronic HVAC networks," OBI 200/0100152/1006812.
On the base of a numerical modeling of networks structures with single and multyproduction is proven that the "extended new three-pipe system" has a minimum hydraulic capacity in comparison with the best remaining systems in full and part-load function, and the smallest interference.
It was demonstrated that when comparing different decentralized heating systems with decentralized Wilo pumps, the "extended new three-pipe system" has a minimum dimension under constant demands in comparison with other systems, a minimal hydraulic power and interference, in full and partial load operation.
The three-pipe system has been used several times in real installations with success. These are multi-dwelling buildings and the installation of the national theater in Kozani, Greece.
In 2008 after a contract the commercial rights of the three-pipe system are assigned the German company Wilo SA.
An experimental system was built to obtain qualitative results about the flow directions in the bypasses and the inactive consumers strangs.
When using the three-pipe system is generally a medium energy savings of 20% expected.
