8.6.7. Термоэкономическая оптимизация реальных солнечно-теплонасосных систем с сезонным аккумулированием
Специфической чертой СТНССА, принципиально отличающей их от других энергоинтенсивных систем, является наличие одного «бесплатного» источника — Солнца. Поэтому проведение чисто термодинамического анализа СТНССА на потери эксергии и степень термодинамического совершенства, хотя и является возможным, но будет малоинформативным, поскольку часть эксергетических потерь как будто бы «ничего не стоит».
Однако при переходе к термоэкономическим показателям потери эксергии в подсистеме солнечный коллектор — теплообменники обретают вполне конкретную стоимость, поскольку привязаны к стоимостным характеристикам соответствующего оборудования.
Для построения графа термоэкономических затрат, отражающего существующую структуру системы СТНССА, приведенной на рис. 8.7 [27], необходимо представить данную систему в более удобном для дальнейшего анализа виде. В частности, необходимо указать потоки теплоносителей во всех теплообменниках и последовательность прохождения этих потоков по СТНССА (рис. 8.8). Кроме того, на этом подготовительном этапе целесообразно также скомпоновать элементы СТНССА в виде линейной агрегированной структуры, содержащей четыре последовательные зоны (уровня).
Нетрудно видеть, что структурированная схема СТНССА легко трансформируется в граф термоэкономических затрат, представленный на рис. 8.9.
Рис. 8.7. Схема гелиоустановки с тепловым насосом:
1 — гелиоколлектор; 2 — баки-аккумуляторы; 3 — насосы; 4 — расходомеры; 5 — термометры; 6 — дроссельный клапан; 7 — фильтр; 8 — испаритель; 9 — конденсатор; 10 — компрессор
Рис. 8.8. Структурная схема СТНССА:
СК — солнечный коллектор; Т1-Т15 — теплообменники; И — испаритель; К — конденсатор; СБА— сезонный бак-аккумулятор; БПТ — бак промежуточных температур; БАФ — бак антифриза; БГВС — бак горячего водоснабжения; ЭлК — электрокотел; МОП — маслоохладительипереохладительТНУ; индексы: ГВС — горячего водоснабжения; СО — системы отопления; обр — обратной воды; п.п — питательного потока; БПТ — блока промежуточных температур
Здесь Ζ. (i = I, Π, ..., XXIII) — термоэкономические затраты в соответствующем элементе СТНССА. Номера индексов i совпадают с номерами теплообменников на схеме рис. 8.8 (например, Z — термоэкономические затраты в теплообменнике Т5).
Рис. 8.9. Граф эксергоэкономических затрат СТНССА на рис. 8.8
Матрица инциденций графа термоэкономических затрат в СТНССА показана на рис. 8.10.
Рис. 8.10. Матрица инциденций графа, изображенного на рис. 8.9
В соответствии с алгоритмом AZ°₽t (2) необходимо сформировать дерево решений (граф возможных термоэкономических затрат в СТНССА), общий вид которого показан на рис. 8.11. Как следует из анализа графа термоэкономических затрат, приведенного на рис. 8.9, в данном случае дерево решений будет содержать четыре уровня (см. рис. 8.11).
Все приведенные выше процедуры могут быть реализованы как для СТНССА мощностью 0,5 МВт, так и для СТНССА мощностью 1 МВт (табл. 8.3 и 8.4).
Дальнейшее рассмотрение проведем на примере СТНССА мощностью 0,5 МВт.
Рис. 8.11. Дерево эксергоэкономических затрат в СТНССА
Уровень I {см. рис. 8.11) содержит четыре висячие вершины, отражающие возможные суммарные термоэкономические затраты в зоне I, включающей в себя (см. рис. 8.8) солнечный коллектор и три теплообменника — ΤΙ, Т2, ТЗ.
Число вершин уровня II равно четырем в соответствии с четырьмя типоразмерами солнечного коллектора (Аск = 1000; 2000; 3000; 4000 м2). Соответственно возможные затраты на уровне I
Уровень II также содержит четыре висячие вершины, отражающие возможные термоэкономические затраты в зоне 2 (см. рис. 8.8), включающей в себя баки БПТ, СБА, БАФ, а также теплообменники Т4, Т5, Тб.
Поскольку каждый типоразмер бака-аккумулятора (УСБА = 3000; 4000; 11 000; 15 000 ма) требует также СБА, БАФ и теплообменников Т4, Т5, Тб соответствующих размеров, то по аналогии с уровнем I здесь
Кроме того, поскольку с увеличением объема УСБА возрастают необходимые затраты на остальные баки и теплообменники.
Уровень III, отражающий возможные термоэкономические затраты на тепловой насос и вспомогательное теплообменное оборудование, содержит четыре вершины, характеризующие коэффициент использования теплового насоса. Здесь основным отличием от предыдущих двух уровней является неизменная стоимость самого оборудования, но при этом существенно разнятся затраты на электроэнергию в зависимости
η = 0,8). Здесь минимальное значение термоэкономических затрат
Соответственно, для СТНССА мощностью 1 МВт
Эксергетические же потери в системе солнечного коллектора, как уже отмечалось выше, определяются также через стоимостные характеристики оборудования.
В дереве решений на рис. 8.11 оптимальный вариант показан «жирными» ветвями, связывающими различные уровни дерева (зоны СТНССА).
Предлагаемый метод позволяет однозначно определить оптимальный вариант из 16 исходных вариантов, равноценных в функциональном и энергетическом отношениях. Как показывает предварительно выполненный анализ, для определения минимальных затрат методом прямого перебора надо было бы рассчитать полных 64 варианта системы, в то время как применение предлагаемой процедуры термоэкономической оптимизации на графе термоэкономических затрат потребовало в данном случае всего восемь полных расчетов СТНССА (зона IV), восемь расчетов до зоны III и по 16 расчетов зон I и II. В результате время определения оптимального варианта уменьшилось более чем в 6 раз.
Аналогичный оптимизационный расчет может быть выполнен для системы СТНССА мощностью 1,0 МВт.
Необходимо подчеркнуть, что эксергоэкономический метод оптимизации в равной степени применим для оптимизации и других энергетических систем, использующих возобновляемые источники энергии. Более того, он может быть эффективен при поиске оптимального варианта любой технической системы, так как в каждом техническом устройстве имеются потоки и потери эксергии, которые могут быть оценены в денежном отношении. По величине потерь эксергии можно определить энергетические показатели рассматриваемых вариантов технических систем.
