Энергетическая эффективность комбинированного производства теплоты и холода
Описан новый метод разделения затрат энергии при комбинированном производстве теплоты и холода, основанный на термодинамическом подходе. Приведены соотношения для расчета коэффициентов продуктивности охлаждения и нагрева в комбинированном режиме....
Збережено в:
| Дата: | 2018 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2018
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141144 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Энергетическая эффективность комбинированного производства теплоты и холода / Б.И. Басок, С.В. Дубовской, А.С. Твердохлиб // Доповіді Національної академії наук України. — 2018. — № 4. — С. 47-53. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-141144 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1411442018-08-05T01:22:49Z Энергетическая эффективность комбинированного производства теплоты и холода Басок, Б.И. Дубовской, С.В. Твердохлиб, А.С. Теплофізика Описан новый метод разделения затрат энергии при комбинированном производстве теплоты и холода, основанный на термодинамическом подходе. Приведены соотношения для расчета коэффициентов продуктивности охлаждения и нагрева в комбинированном режиме. Описано новий метод поділу витрат енергії під час комбінованого виробництва теплоти і холоду, заснований на термодинамічному підході. Наведено співвідношення для розрахунку коефіцієнтів продуктивності охолодження і нагрівання в комбінованому режимі. A new method based on the thermodynamic approach is presented for the separation of energy costs in the combined production of heat and cold. Relations are given for calculating the coefficients of performance for cooling and heating in the combined mode. 2018 Article Энергетическая эффективность комбинированного производства теплоты и холода / Б.И. Басок, С.В. Дубовской, А.С. Твердохлиб // Доповіді Національної академії наук України. — 2018. — № 4. — С. 47-53. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2018.04.047 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141144 620.31 ru Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Теплофізика Теплофізика |
| spellingShingle |
Теплофізика Теплофізика Басок, Б.И. Дубовской, С.В. Твердохлиб, А.С. Энергетическая эффективность комбинированного производства теплоты и холода Доповіді НАН України |
| description |
Описан новый метод разделения затрат энергии при комбинированном производстве теплоты и холода,
основанный на термодинамическом подходе. Приведены соотношения для расчета коэффициентов продуктивности охлаждения и нагрева в комбинированном режиме. |
| format |
Article |
| author |
Басок, Б.И. Дубовской, С.В. Твердохлиб, А.С. |
| author_facet |
Басок, Б.И. Дубовской, С.В. Твердохлиб, А.С. |
| author_sort |
Басок, Б.И. |
| title |
Энергетическая эффективность комбинированного производства теплоты и холода |
| title_short |
Энергетическая эффективность комбинированного производства теплоты и холода |
| title_full |
Энергетическая эффективность комбинированного производства теплоты и холода |
| title_fullStr |
Энергетическая эффективность комбинированного производства теплоты и холода |
| title_full_unstemmed |
Энергетическая эффективность комбинированного производства теплоты и холода |
| title_sort |
энергетическая эффективность комбинированного производства теплоты и холода |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2018 |
| topic_facet |
Теплофізика |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141144 |
| citation_txt |
Энергетическая эффективность комбинированного производства теплоты и холода / Б.И. Басок, С.В. Дубовской, А.С. Твердохлиб // Доповіді Національної академії наук України. — 2018. — № 4. — С. 47-53. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT basokbi énergetičeskaâéffektivnostʹkombinirovannogoproizvodstvateplotyiholoda AT dubovskojsv énergetičeskaâéffektivnostʹkombinirovannogoproizvodstvateplotyiholoda AT tverdohlibas énergetičeskaâéffektivnostʹkombinirovannogoproizvodstvateplotyiholoda |
| first_indexed |
2025-07-10T12:03:49Z |
| last_indexed |
2025-07-10T12:03:49Z |
| _version_ |
1837261422132723712 |
| fulltext |
47ISSN 10256415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2018. № 4
ОПОВІДІ
НАЦІОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМІЇ НАУК
УКРАЇНИ
ТЕПЛОФІЗИКА
© Б.И. Басок, С.В. Дубовской, А.С. Твердохлиб, 2018
doi: https://doi.org/10.15407/dopovidi2018.04.047
УДК 620.31
Б.И. Басок, С.В. Дубовской, А.С. Твердохлиб
Институт технической теплофизики НАН Украины, Киев
Email: s.w.dubovskoy@gmail.com
Энергетическая эффективность
комбинированного производства теплоты и холода
Представлено членомкорреспондентом НАН Украины Б.И. Баском
Описан новый метод разделения затрат энергии при комбинированном производстве теплоты и холода,
основанный на термодинамическом подходе. Приведены соотношения для расчета коэффициентов про
дуктивности охлаждения и нагрева в комбинированном режиме.
Ключевые слова: комбинированное производство теплоты и холода, разделение затрат, термодинамиче
ский метод, коэффициент продуктивности.
В последние годы в мире получают широкое распространение энергоэффективные системы
энергообеспечения промышленных процессов, жилых и гражданских зданий, базирующие
ся на применении комбинированного производства теплоты и холода (КПТХ) [1, 2].
Директивой 2012/27 EС, принятой к исполнению в Украине, развитие технологий тепло
и хладоснабжения, в том числе на основе КПТХ, отнесено к числу ключевых направлений
повышения энергоэффективности экономики и социальной сферы.
Очевидным преимуществом КПТХ перед обычными холодильными и теплогенерирую
щими установками является возможность полезного использования сбросной теплоты, по
лучаемой при работе холодильных машин с определенными дополнительными затратами
приводной энергии на повышение ее температурного потенциала. Однако это само по себе
не является гарантией того, что удельные затраты энергии, стоимость и экологические из
держки на получение как теплоты, так и холода будут меньшими, чем у более совершенных
холодильных машин, тепловых насосов или генераторов теплоты на дешевом топливе [3].
В связи с этим применение КПТХ нуждается в тщательном техникоэкономическом обо
сновании, базирующемся на раздельной оценке эффективности получения теплоты и хо
лода. Для КПТХ, как и для других систем комбинированного производства видов энергии,
объективно оценить показатели эффективности сложно изза несовершенства известных
расчетных методов разделения затрат приводной энергии между продуктами таких комби
нированных процессов [4]. Поскольку это сдерживает применение КПТХ на практике, не
обходимы дальнейшие исследования, направленные на совершенствование методов объек
48 ISSN 10256415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2018. № 4
Б.И. Басок, С.В. Дубовской, А.С. Твердохлиб
тивной оценки энергетических характеристик установок и устройств комбинированного
производства теплоты и холода.
Постановка задачи. Среди многих подходов к разделению затрат энергии между про
дуктами комбинированных процессов наибольшего внимания заслуживает термодинами
ческий подход, основанный на втором начале термодинамики. Методология разделения
затрат энергии в рамках термодинамического подхода рассматривалась в работах З. Ранта
[4], Я. Шаргута и Р. Петелы [5], В.М. Бродянского [6] и др. Важный прикладной результат
исследований в данной области, известный как эксергетический метод разделения затрат,
был получен Р. Нитчем [7].
В терминах эксергетического метода задача разделения затрат приводной энергии сво
диться к промежуточной задаче разделения затрат эксергии приводной энергии (в даль ней
шем — приводной эксергии), исходя из уравнения эксергетического баланса много про дук
тового процесса:
1 1
N N
o
i o i
i i
E E E D
= =
= = +∑ ∑ , (1)
где N — количество продуктов; i — условный порядковый номер продукта; iE — эксергия
каждого продукта; o
iE — искомая затрата эксергии приводной энергии на получение с о
ответствующего продукта; D — потери эксергии; oE — эксергия приводной энергии или
приводная эксергия процесса.
Из (1) следует, что в случае термодинамически обратимого комбинированного про цес
са (D = 0) затрата приводной эксергии на получение каждого его продукта совпадает с экс
ергией продукта:
o
i iE E= , 1, ,i N= … . (2)
Получение столь же точного соотношения для реальных процессов (D > 0) нуждается в
поиске дополнительных оснований для разделения потерь эксергии D. Отметив отсутствие
таковых в рамках эксергетического подхода, Р. Нитч допустил возможность их замены ги
потезой о разделении потерь эксергии пропорционально эксергии продуктов, предложив
обобщенную формулу разделения в виде [7]
1
o o
i i N
i
i
E
E E
E
=
=
∑
, 1, ,i N= … . (3)
В идеальном случае (D = 0) дробь в правой части (3) тождественна 1, что переводит (3)
в (2), а для реальных процессов (D > 0) эта дробь представляет собой величину, обратную
полному эксергетическому КПД. В силу этого соотношение (3) приобретает вид [7]
o i
i
e
E
E =
η
, (4)
где 1
N
i
i
e
o
E
E
=η =
∑
— полный эксергетический КПД процесса.
49ISSN 10256415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2018. № 4
Энергетическая эффективность комбинированного производства теплоты и холода
Таким образом, согласно гипотезе Р. Нитча, приходим к выводу о равной эффективно
сти получения всех продуктов вне зависимости от физической природы комбинированного
процесса и его продуктов.
Полученные соотношения позволили получить соответствующие формулы разделения
затрат приводной энергии процесса в виде [7, 8]
1
i
i N
i
i
E
L L
E
=
=
∑
, 1, ,i N= … , (5)
где iL — искомые затраты приводной энергии на получение каждого продукта;
1
N
i
i
L L
=
= ∑ —
полная приводная энергия многопродуктового процесса.
Простота, наглядность и универсальность полученных формул определяет удобство
использования метода, в том числе для техникоэкономического анализа КПТХ [5]. Одна
ко достоверность количественных оценок данным методом иногда не дает достаточных
оснований для принятия практических решений, что сужает область его возможного ис
пользования [6]. Это обстоятельство определяет необходимость возврата к поиску более
аргументированных оснований для разделения потерь эксергии с отказом от базовой ги
потезы Р. Нитча [7].
Попытка такого рода предпринята авторами в работах [9, 10]. Она базируется на обо
снованном ранее утверждении о том, что эксергия, как вид безэнтропийной энергии, под
чиняется общему закону сохранения и превращения механической энергии, в частности за
кону Джоуля—Майера об эквивалентном переходе энергии в теплоту [9].
Анализ реальных процессов комбинированного производства теплоты и холода с сов
местным применением уравнений сохранения энергии, первого и второго начал термодина
мики, позволил получить общие соотношения для разделения потерь эксергии, а также
приводной эксергии таких процессов в виде [10]
h
h
c h
D D
τ
=
τ + τ
, c
c
c h
D D
τ
=
τ + τ
, ( 6)
o c
c c
c h
E E D
τ
= +
τ + τ
, o h
h h
c h
E E D
τ
= +
τ + τ
. (7)
Здесь o
cE , o
hE — искомые затраты приводной эксергии на получение холода и теплоты;
c c cE Q= τ — эксергия холода; h h hE Q= τ — эксергия теплоты; ,c hQ Q — холодопродуктив
ность и теплопродуктивность комбинированного процесса; cτ , hτ — соответствующие тем
пературные экcергетические функции.
Обоснование нового метода разделения затрат. Цель настоящей работы — приведение
полученных формул (7) к более простому виду, удобному для уяснения физической сути и
для практических расчетов комбинированного производства теплоты и холода.
Поскольку эксергия оE и электромеханическая энергия привода L численно совпада
ют, потеря эксергии комбинированного процесса может быть выражена в виде
h cD L E E= − − . (8)
50 ISSN 10256415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2018. № 4
Б.И. Басок, С.В. Дубовской, А.С. Твердохлиб
Полная затрата энергии процесса, в свою очередь, может быть определена из уравнения
энергетического баланса:
h cL Q Q= − . (9)
Подставив (8) и (9) в (6, 7), получим:
( ) c
c c c h h c c
c h
L Q L Q Q
τ
= τ + − τ − τ =
τ + τ
( )
(1 ),c c h c h c h c h c c h c
h
c h c h c h
Q L Q L Q Q
L
τ τ + τ − τ τ τ − − τ τ τ
= = = − τ
τ + τ τ + τ τ + τ
(10)
( )
( ) (1 ).h h h c c h h
h h h h h c c c
c h c h c h
L Q Q
L Q L Q Q L
τ τ + − τ τ τ
= τ + − τ − τ = = + τ
τ + τ τ + τ τ + τ
(11)
Эксергетические температурные функции выражаются через температурные параме
тры процесса в виде [8]
h a
h
h
T T
T
−
τ = , a c
c
c
T T
T
−
τ = , (12)
где Tc , Th — температуры извлечения теплоты (охлаждения) и отпуска теплоты (нагрева)
соответственно; аT — температура окружающей среды.
С учетом (12) соотношения (10), (11) упрощаются к виду
1a c c h h a a c
c
c a h c h c h a c h h c
T T T T T T T T
L L L
T T T T T T T T T T T T
− − −
= − = − + − −
, (13)
1h a c h a c h a
h
h a h c h c h a c c h c
T T T T T T T T
L L L
T T T T T T T T T T T T
− − −
= + = − + − −
. (14)
Из полученных соотношений следует, что затраты приводной энергии на получение хо
лода и теплоты пропорциональны модулям избыточных температур извлечения и отдачи
теплоты:
с с
h h
L
L
θ
=
θ
, (15)
где h h aT Tθ = − , c a cT Tθ = − — абсолютные значения избыточных температур.
Выражения (13)—(15) справедливы для процессов с произвольной степенью обрати мос
ти, и в случае полной обратимости (D = 0) они должны сводиться к частному решению (1).
Чтобы убедится в этом, следует учесть, что в обратимом случае полная приводная энер
гия может быть выражена двумя равноценными формулами:
h c
c
c
T T
L Q
T
−
= , h c
h
h
T T
L Q
T
−
= . (16)
51ISSN 10256415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2018. № 4
Энергетическая эффективность комбинированного производства теплоты и холода
После подстановки данных формул в (13) и (14) нетрудно получить
o h c a c a c
c c c c c c c
c h c c
T T T T T T
L E Q Q Q E
T T T T
− − −
= = = = τ =
−
,
o h c h a h a
h c h h h h h
h h c h
T T T T T T
L E Q Q Q E
T T T T
− − −
= = = = τ =
−
,
что соответствует эксергетическому закону разделения (1) при D = 0.
Область применения полученных соотношений. Полученные соотношения примени
мы к холодильным машинам и тепловым насосам разных типов с электромеханическим
приводом. Границы рассмотрения анализируемых процессов ограничены внутренней по
верхностью тепловоспринимающих и теплоотдающих поверхностей, а также приводным
валом (клеммами) приводного устройства. В качестве температур Tc и Тh следует рассматри
вать температуры испарения и конденсации рабочих тел компрессионных машин, теплоот
дающих и тепловоспринимающих пластин термоэлектрических батарей и т. д. Температура
окружающей среды Ta выбирается исходя из конкретной задачи расчета.
Коэффициенты продуктивности комбинированного режима. Эффективность получе
ния теплоты и холода кондиционерами и тепловыми насосами с электромеханическим при
водом характеризуют коэффициентами теплопродуктивности (индекс h) и холодопродук
тивности (индекс с):
h
h
Q
COP
L
= , c
c
Q
COP
L
= . (17)
Эти показатели, определяемые стандартными методами, позволяют рассчитать коли че
ство получаемой теплоты и/или холода по величине затраченной энергии вне зависимости
от того, используется или нет один из продуктов. При производстве одного целевого продук та
и невозможности использования другого данные показатели позволяют решить и обратную
задачу — оценить удельные затраты конечной энергии на получение основного продукта, а
затем и его производственную стоимость. Однако при использовании, а также при оценках
целесообразности использования второго (вспомогательного) продукта возникает необхо
димость применения соответствующих коэффициентов продуктивности комбинированно
го режима, основанных на предварительном разделении затрат энергии по продуктам:
* h
h
h
Q
COP
L
= , * h
c
c
Q
COP
L
= . (18)
С учетом (13)—(15) данные коэффициенты могут быть определены по известным зна
чениям коэффициентов тепло и холодопродуктивности:
*
с с сCOP COP k= , *
h h hCOP COP k= , (19)
где сk , hk — коэффициенты, отражающие повышение эффективности, при комбинирован
ном производстве, определяемые по формулам
1 h
с
c
k
θ
= +
θ
, 1 c
h
h
k
θ
= +
θ
. (20)
52 ISSN 10256415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2018. № 4
Б.И. Басок, С.В. Дубовской, А.С. Твердохлиб
Из полученных соотношений видно, что коэффициенты продуктивности комбиниро
ванного режима всегда выше, чем соответствующие стандартные коэффициенты продук
тивности.
Таким образом, на основании термодинамического анализа КПТХ с привлечением за
кона сохранения энергии получен общий закон распределения затрат приводной энергии на
получение теплоты и холода при их комбинированном производстве. Установлено, что со
ответствующие затраты пропорциональны абсолютным значениям избыточных температур
отдачи теплоты (нагрева) и извлечения теплоты (охлаждения). Представлены выражения
для расчета коэффициентов теплопродуктивности и холодопродуктивности комбиниро
ванного производства теплоты и холода. Полученные результаты могут быть использованы
для раздельных оценок показателей энергоемкости, экономических и экологических харак
теристик комбинированного производства теплоты и холода.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Andrews D., Krook Riekkola A., Tzimas E., Serpa J., Carlsson J., PardoGarcia N., Papaioannou I. Background
Report on EU27 district heating and cooling potentials, barriers, best practice and measures of promotion.
Report EUR 25289EN. Luxemburg: Publ. Office of the European Union, 2012. 215 p.
2. Басок Б.И., Резакова Т.А., Коломейко Д.А., Матвеев Ю.Б. Когенерация в децентрализованной и воз
обновляемой энергетике. Киев, 2013. 408 с.
3. Братута Э.Г., Шерстюк В.Г. Производство холода и теплоты в схемах энергетического взаимодействия
холодильных и теплонасосных установок. Интернетгазета “Холодильщик”. 2009. № 2. URL: http://
www.holodilshchik.ru/index_holodilshchik_issue_2_2009_Production_chil_heats.htm
4. Петросян А.Л. Метод оценки энергетической эффективности теплонасосных установок. Новости те
плоснабжения. 2011. № 12. С. 19—22.
5. Rant Z. Vrednost in obracunavanje energije. Strojinski Vestnik 1. 1955. № 1. S. 4—7.
6. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия. Москва: Энергия, 1968. 278 с.
7. Нитч Р. Эксергетическое разделение затрат комбинированной выработки тепла и электрической энер
гии и введение эксергетического тарифа на тепло для отопления. Энергия и эксергия: Бродянский В.М.
(ред.). Москва: Мир, 1968. С. 106—121.
8. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. Москва: Энерго
атомиздат, 1988. 288 с.
9. Дубовський С.В. Енергоекономічний аналіз сполучених систем генерації електричної енергії і тепло
ти. Київ: Наук. думка, 2014. 181 с.
10. Дубовський С.В., Твердохліб О.С. Термодинамічний аналіз систем комбінованого виробництва тепло
ти та холоду. Проблеми загальної енергетики. 2014. Вип. 2. С. 46—51.
Поступило в редакцию 24.11.2017
REFERENCES
1. Andrews, D., Krook Riekkola, A., Tzimas, E., Serpa, J., Carlsson, J., PardoGarcia, N. & Papaioannou, I. (2012).
Background Report on EU27 district heating and cooling potentials, barriers, best practice and measures of
promotion. Report EUR 25289EN. Luxemburg: Publ. Office of the European Union.
2. Basok, B.I., Rezakova, T.A., Kolomeyko, D.A. & Matveev, Yu.B. (2013). Cogeneration in decentralized and
renewable energy. Kiev (in Russian).
3. Bratuta, E. G. & Sherstyuk, A. V. (2009). Production of cold and heat in schemes of energy interaction of
refrigeration and heat pump plants. InternetNewspaper “Kholodilshchik”, No. 2 (in Russsian). Retrieved
from http://www.holodilshchik.ru/index_holodilshchik_issue_2_2009_Production_chil_heats.htm
4. Petrosyan, A. L. (2011). Method for assessing the energy efficiency of heat pump plants. Novosti teplo snab
zhe niya, No. 12, pp. 1922 (in Russsian).
53ISSN 10256415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2018. № 4
Энергетическая эффективность комбинированного производства теплоты и холода
5. Rant, Z. (1955). Vrednost in obracunavanje energije. Strojinski Vestnik 1, No. 1, pp. 47.
6. Shargut, J. & Petala, R. (1968). Exergy. Мoscow: Energiya (in Russsian).
7. Nitsch, R. (1968). Exergy cost sharing combined heat and power and the introduction of exergy heat tariff for
heating. In Brodyanskyy V.M. (Ed.). Energy and exergy (pp. 106121). Moscow: Mir (in Russsian).
8. Brodyanskiy, V. M., Fratsher, V. & Mihalek, K. (1988). Exergy method and its application. Moscow:
Energoatomizdat (in Russsian).
9. Dubovskyi, S. V. (2014). Energyeconomic analysis of interconnected systems of electric energy and heat
generation. Kiev: Naukova dumka (in Ukrainian).
10. Dubovskyi, S. V. & Tverdohlib, A. S. (2014). Thermodynamic analysis of combined heat and cold generation
systems. Problemy Zahalnoi Enerhetyky, Iss. 2, pp. 4651 (in Ukrainian).
Received 24.11.2017
Б.І. Басок, С.В. Дубовський, О.С. Твердохліб
Інститут технічної теплофізики НАН України, Київ
Email: s.w.dubovskoy@gmail.com
ЕНЕРГЕТИЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ КОМБІНОВАНОГО
ВИРОБНИЦТВА ТЕПЛОТИ І ХОЛОДУ
Описано новий метод поділу витрат енергії під час комбінованого виробництва теплоти і холоду, засно
ваний на термодинамічному підході. Наведено співвідношення для розрахунку коефіцієнтів продуктив
ності охолодження і нагрівання в комбінованому режимі.
Ключові слова: комбіноване виробництво теплоти і холоду, розділення витрат, термодинамічний метод,
коефіцієнт продуктивності.
B.I. Basok, S.V. Dubovskyi, O.S. Tverdokhlib
Institute of Engineering Thermophysics of the NAS of Ukraine, Kiev
Email: s.w.dubovskoy@gmail.com
ENERGY EFFICIENCY OF COMBINED COLD
AND HEAT PRODUCTION
A new method based on the thermodynamic approach is presented for the separation of energy costs in the com
bined production of heat and cold. Relations are given for calculating the coefficients of performance for cooling
and heating in the combined mode.
Keywords: combined production of heat and cold, costsharing, thermodynamic method, coefficient of performance.
|