Утилизация тепла компрессоров
Утилизация тепла компрессоров позволяет использовать часть энергии, отводимой при сжатии воздуха, для отопления, подогрева вентиляционного воздуха или горячего водоснабжения. Однако возможность такого решения зависит от температуры и расхода охлаждающего теплоносителя, продолжительности работы компрессоров и наличия потребителя, которому тепло требуется именно в эти периоды.
При оценке необходимо определить фактически доступную тепловую мощность, сопоставить её с температурными требованиями потребителя и проверить условия передачи энергии через теплообменник. Затем рассчитывают полезный отпуск тепла за соответствующий период. Паспортная тепловая мощность компрессора не равна гарантированной годовой экономии: часть энергии уходит с потоками воздуха, а тепло, доступное для возврата, может оставаться невостребованным.
Откуда появляется тепло в компрессорном оборудовании
Компрессор потребляет электрическую энергию для сжатия воздуха. В процессе работы происходит преобразование энергии, сопровождающееся нагревом воздуха, оборудования и охлаждающих сред.
Часть образующегося тепла отводится системой охлаждения. Именно этот поток может рассматриваться как источник энергии для другого потребителя.
При этом нельзя считать, что вся электрическая энергия, потреблённая компрессором, автоматически доступна для утилизации. Часть энергии остаётся связанной с состоянием сжатого воздуха и другими потоками, выходящими за пределы выбранной системы.
Поэтому для оценки необходимо установить, где именно отводится тепло, каким теплоносителем оно переносится и какую часть потока можно использовать без нарушения нормальной работы компрессорного оборудования.
Какие данные необходимы для оценки доступного тепла
Основные исходные показатели — электрическая мощность компрессоров, тепловые потоки охлаждения, температура теплоносителя, продолжительность работы оборудования и график потребности объекта в тепле.
Электрическая мощность характеризует энергопотребление агрегата в определённом режиме. Она помогает установить энергетический масштаб системы, но не заменяет непосредственную оценку тепла охлаждения.
Данные о тепловом потоке необходимы для определения количества энергии, которое фактически отводится от компрессора.
Температура теплоносителя показывает, для каких потребителей может быть пригодно возвращаемое тепло. При недостаточном температурном уровне непосредственная передача энергии может не обеспечить требуемый результат.
Часы работы компрессора позволяют определить продолжительность образования тепла. График спроса показывает, в какие периоды существует потребность в его использовании.
Все показатели должны относиться к согласованным измерительным границам и периодам наблюдений. Если компрессор работает по переменному графику, расчёт по одной номинальной мощности не характеризует фактический годовой тепловой поток.
Как определить измерительную границу системы
Измерительная граница устанавливает, какие энергетические потоки учитываются в расчёте.
При оценке утилизации необходимо различать электрическую энергию, поступающую к компрессорному оборудованию, теплоту, отводимую системой охлаждения, и энергию, фактически переданную потребителю.
Эти величины нельзя подменять друг другом.
Например, измеренный электрический расход компрессора не является измерением теплового потока охлаждения. Аналогично тепло, отобранное от охлаждающей среды, не обязательно полностью достигает потребителя.
Для расчёта необходимо указать точки определения расхода и температуры теплоносителя, а также границу, в которой измеряется полезная передача тепла.
Если схема возврата включает дополнительное оборудование, важно установить, какие его энергетические затраты входят в оценку общего результата.
Как рассчитать тепловой поток охлаждения
Если тепло от компрессора отводится жидким теплоносителем, доступную тепловую мощность можно определить по измеренному расходу и изменению температуры.
Для однофазной жидкости при допустимости использования средней удельной теплоёмкости применяется зависимость:
Pт = G × c × (Tвыход − Tвход), где Pт — тепловая мощность, Вт; G — массовый расход теплоносителя, кг/с; c — удельная теплоёмкость, Дж/(кг·К); Tвыход и Tвход — температуры после и до нагрева теплоносителя в рассматриваемой системе.
Полученный показатель характеризует тепловую мощность потока при соответствующем режиме компрессора.
Для определения количества тепла за период необходимо учитывать продолжительность работы:
Q = Σ(Pт,i × Δti).
При расчёте энергии в кВт·ч тепловая мощность должна быть выражена в киловаттах, а продолжительность — в часах.
Если температура или расход теплоносителя существенно изменяются, необходимо использовать значения для соответствующих интервалов. Расчёт по единственной максимальной температуре может завышать фактически доступное количество тепла.
Если система охлаждения имеет другую конструкцию или теплоноситель изменяет фазовое состояние, расчёт необходимо выполнять по подходящему энергетическому балансу.
Почему нельзя приравнивать электрическую мощность к тепловой
Электрическая энергия компрессора преобразуется и распределяется между несколькими энергетическими потоками. Поэтому её полная величина не обязательно доступна для передачи через выбранный теплообменник.
Часть энергии связана с выходящим сжатым воздухом и другими потоками. Другая часть отводится системой охлаждения.
Если в расчёте используют только электрическую мощность агрегата, невозможно установить, сколько тепла реально проходит через рассматриваемый участок охлаждения и какую температуру имеет теплоноситель.
Кроме того, доступная тепловая мощность может изменяться вместе с режимом загрузки компрессора.
Поэтому определение потенциального возврата тепла требует самостоятельных данных о тепловом потоке охлаждения. Паспортные электрические характеристики допустимо использовать как исходную информацию об оборудовании, но не как подтверждённый результат тепловых измерений.
Как температура теплоносителя ограничивает полезное использование
Для передачи энергии от компрессора к потребителю необходимо обеспечить подходящее соотношение температур.
Если предполагается подогрев воздуха или воды, температура источника должна позволять передать требуемое количество тепла при допустимых условиях работы теплообменника.
Например, наличие нагретой охлаждающей жидкости ещё не означает, что она способна обеспечить любую температуру горячей воды.
Для оценки необходимо сопоставить температуру источника, начальную температуру среды потребителя и требуемую температуру после нагрева.
В теплообменнике необходима температурная разность, обеспечивающая передачу энергии. При слишком малом температурном напоре требуемая мощность может оказаться недостижимой в рассматриваемой конструкции.
Поэтому доступность тепла оценивают одновременно по количеству энергии и температурному уровню.
Если тепловая мощность достаточна, но температура не соответствует задаче потребителя, непосредственная схема утилизации не может считаться обоснованной.
Как оценить пригодность тепла для вентиляции
Одним из возможных потребителей вторичного тепла является система подогрева вентиляционного воздуха.
Такой вариант рассматривают, когда компрессорное оборудование выделяет тепло в периоды, когда вентиляции требуется нагрев воздуха.
Для оценки необходимо установить температуру и расход охлаждающего теплоносителя, график работы компрессоров и тепловую потребность вентиляционной системы.
Затем проверяют, способен ли теплообменник обеспечить требуемую передачу энергии.
При этом необходимо учитывать сезонность: зимой потребность в нагреве вентиляционного воздуха может быть значительной, тогда как летом она может отсутствовать.
Если компрессоры работают в течение всего года, это не означает, что система вентиляции сможет использовать возвращаемое тепло в течение всех часов их эксплуатации.
Расчёт полезного отпуска должен учитывать только периоды, когда существует совместимая тепловая потребность.
Как оценить возможность подогрева воды для ГВС
Другим рассматриваемым потребителем является система горячего водоснабжения.
Для такого решения необходимо определить температуру воды до подогрева, необходимую температуру после него и фактическую потребность в тепловой энергии.
Затем полученные показатели сопоставляют с температурой и мощностью потока охлаждения компрессора.
Если источник не обеспечивает требуемого температурного уровня, он может рассматриваться только в пределах той функции нагрева, которую способен выполнить при подтверждённых условиях.
При оценке необходимо также учитывать график потребления горячей воды.
Если компрессоры выделяют тепло в период небольшого водоразбора, а основной спрос возникает в другое время, прямое использование вторичного тепла будет ограничено.
Поэтому расчёт по суммарному месячному потреблению горячей воды недостаточен для подтверждения полного использования тепла компрессоров.
Почему совпадение графиков определяет реальный эффект
Даже при достаточной температуре и тепловой мощности источник может выделять тепло не в те часы, когда оно необходимо потребителю.
Для проверки используют два согласованных графика: фактическую доступную тепловую мощность компрессорной и потребность выбранной системы в тепле.
В каждом интервале устанавливают, сколько энергии источник способен передать и сколько энергии потребитель может принять.
При отсутствии накопления верхняя граница полезной передачи определяется меньшей из двух величин:
Pисп,i ≤ min(Pдоступ,i; Pспрос,i), где Pдоступ,i — доступная тепловая мощность источника в интервале; Pспрос,i — потребность в тепле за тот же интервал.
Фактическая передача дополнительно ограничивается температурными параметрами и характеристиками теплообменника.
Если компрессор выделяет тепло, но потребитель в этот момент не нуждается в нагреве, соответствующую энергию нельзя учитывать как полезно использованную.
Если спрос существует, но компрессор остановлен, прямой отпуск тепла также отсутствует.
Именно совпадение графиков позволяет отличить доступный тепловой потенциал от фактической годовой экономии.
Почему зимой и летом эффект может различаться
Сезонность потребности является существенным ограничением утилизации тепла компрессорного оборудования.
В отопительный период возвращаемая энергия может использоваться для подогрева вентиляционного воздуха или покрытия части потребности горячего водоснабжения.
Летом потребность в нагреве вентиляционного воздуха может уменьшиться или отсутствовать. Если другой потребитель не способен принять соответствующий тепловой поток, часть энергии охлаждения компрессоров останется невостребованной.
При этом режим работы компрессорной может не совпадать с сезонным изменением тепловой нагрузки.
Поэтому нельзя умножать паспортную тепловую мощность на все часы годовой работы компрессоров и считать полученное значение полезно использованной энергией.
Годовой результат определяют по фактическому пересечению доступного тепла и потребности в каждом существенном периоде эксплуатации.
Что необходимо проверить при подготовке теплообменника
Теплообменник обеспечивает передачу энергии от контура охлаждения компрессора к соответствующей системе потребителя.
Для оценки его применимости необходимо определить температурные и расходные параметры обоих потоков, а также требуемую тепловую мощность.
Особое значение имеет сохранение допустимых условий охлаждения компрессора. Отбор тепла не должен нарушать температурный режим оборудования.
Кроме того, необходимо учитывать влияние нового теплообменного участка на движение теплоносителя. Если предлагаемая схема создаёт недопустимое сопротивление либо не обеспечивает требуемую передачу тепла, её нельзя считать технически подтверждённой.
Расчёт необходимо выполнять для фактических режимов компрессорной и потребителя, а не только для максимальных паспортных параметров.
Если данных о расходе теплоносителя, его температуре или требуемой мощности нет, выбор теплообменного оборудования остаётся предварительным.
Как определить полезный отпуск тепла
Полезным отпуском считается энергия, фактически переданная потребителю в соответствующий период и при необходимых температурных условиях.
Его необходимо отличать от общего тепла, отводимого компрессорным оборудованием.
Если измерения позволяют определить тепловую мощность на стороне потребителя, энергию за расчётный период можно найти суммированием:
Qполезн = Σ(Pпередано,i × Δti).
При этом учитывают только периоды фактической передачи тепла.
Если тепло отбирается от компрессора, но не достигает потребителя в полном объёме, необходимо учитывать различие между отбором и полезным отпуском.
Полученную энергию также нельзя автоматически приравнивать к сокращению потребления первичного ресурса. Для такой оценки необходимо установить, какую нагрузку действующего источника тепла она замещает.
Если возвращаемое тепло покрывает только часть потребности, оставшуюся нагрузку обеспечивает другой источник.
Следовательно, технический результат должен содержать отдельно доступное тепло, полезный отпуск и ожидаемое изменение потребления основного источника энергии.
Как оценить эксплуатационные ограничения
Для обоснованного сценария возврата тепла недостаточно подтвердить расчётную тепловую мощность.
Необходимо установить, может ли система работать при фактических изменениях загрузки компрессоров, температуры теплоносителя и потребности в тепле.
Если компрессор переходит между различными режимами, доступный тепловой поток может изменяться. Теплообменная система должна оцениваться с учётом этих условий.
Если потребитель прекращает отбор тепла, необходимо сохранить предусмотренный режим охлаждения компрессорного оборудования.
Если теплообменник создаёт дополнительное сопротивление, его влияние на работу соответствующих контуров необходимо учитывать при выборе решения.
При этом эксплуатационные ограничения должны относиться к реальным характеристикам объекта. Их нельзя заменять произвольными коэффициентами или типовыми величинами без технического основания.
Почему паспортная тепловая мощность не определяет годовую экономию
Паспортная характеристика показывает возможности оборудования при определённых условиях, но не описывает весь фактический годовой режим.
В течение года компрессоры могут работать с различной загрузкой и продолжительностью. Соответственно, изменяется количество отводимого тепла.
Одновременно изменяется спрос на отопление, вентиляционный нагрев и горячую воду.
Даже если компрессор способен отдавать значительную тепловую мощность, её использование ограничено температурой теплоносителя, характеристиками теплообменника и наличием потребителя.
Поэтому расчёт вида «паспортная тепловая мощность × годовые часы работы» характеризует лишь условный энергетический потенциал при принятых допущениях.
Он не подтверждает ни фактический полезный отпуск, ни снижение расходов на энергоресурсы.
Для годовой оценки необходимы измеренные или технически обоснованные профили источника и потребителя, позволяющие установить полезную передачу тепла по периодам.
Какие дополнительные измерения могут потребоваться
Если известна электрическая мощность компрессоров, но отсутствуют параметры охлаждения, необходимо определить расход и температурное изменение теплоносителя.
Если данные о тепловом потоке имеются только для одного режима, требуется установить, как он изменяется при фактической загрузке оборудования.
Если неизвестны часы работы компрессоров, необходимо уточнить продолжительность соответствующих режимов за расчётный период.
Если не определён график потребности в тепле, нельзя подтвердить полезное использование доступного потока.
Если температура источника известна, но отсутствуют требования потребителя, необходимо установить необходимый температурный уровень для выбранной системы.
Если предполагается установка теплообменника, необходимо получить параметры, позволяющие проверить его тепловую производительность и допустимость работы контуров.
Недостающие данные следует указывать отдельно. Пока они не получены, расчёт годового эффекта остаётся сценарным и должен сопровождаться описанием неопределённости.
Что должно быть результатом оценки утилизации тепла
Итогом становится технический сценарий возврата тепла компрессорного оборудования с оценкой доступной энергии, полезного отпуска и эксплуатационных ограничений.
Для него необходимо установить источник тепла, фактическую мощность охлаждения, температуру теплоносителя, продолжительность работы компрессоров и параметры предполагаемого потребителя.
Затем проверяют температурную совместимость потоков, возможность применения теплообменника и совпадение графиков работы.
Отдельно рассчитывают полезную энергию, которая может быть передана потребителю в соответствующие периоды. Если часть тепла не востребована, её нельзя включать в подтверждённый полезный отпуск.
Результат должен показывать, какие данные получены измерениями, какие величины рассчитаны и какие условия необходимо подтвердить перед реализацией.
Главное ограничение: паспортная тепловая мощность без фактического режима работы и реального потребителя не означает годовую экономию. Наличие нагретого теплоносителя также не гарантирует, что его температура достаточна для выбранной системы.
Таким образом, утилизация тепла компрессоров оправданна при наличии доступного теплового потока, совместимого по температуре потребителя и совпадающей во времени тепловой потребности. Предмет такого анализа — полезный возврат энергии охлаждения, а не устранение утечек сжатого воздуха или изменение производительности компрессоров.
Состав обследуемого оборудования рассмотрен на странице «Компрессорное оборудование и системы сжатого воздуха». Подготовка технических решений по возврату энергии представлена в услуге «Разработка мероприятий по энергосбережению». Другие инженерные материалы доступны в разделе «Материалы».