Оценка эффективности использования возобновляемых источников энергии в системах теплоснабжения для условий юга Западной Сибири

Актуальность темы

.

Большая социальная значимость системы теплоснабжения — самого топливоемкого сектора экономики России — в последнее время отчетливо осознана на государственном уровне. В «Энергетической стратегии России на период до 2020 года», утвержденной Правительством РФ 26 августа 2003 года, стратегическими целями развития этой отрасли определены:

— повышение надежности снабжения теплом предприятий экономики и населения страны;

— повышение эффективности функционирования на базе новых современных технологий с учетом оптимального использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива.

Возобновляемые источники энергии — источники непрерывно возобновляемых в биосфере Земли видов энергии: солнечной, ветровой, океанической, гидроэнергии рек, геотермальной, энергии биомассы и другие. Неистощаемость и экологическая чистота этих ресурсов обусловливают необходимость их более интенсивного использования.

Применение возобновляемых источников энергии и местных видов топлива позволяет:

— сокращать потребление невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов;

— снижать экологические нагрузки от деятельности топливно-энергетического комплекса;

— обеспечивать тепловой энергией децентрализованных потребителей в районах с дальним завозом топлива;

— снижать расходы на дальнепривозное топливо.

В настоящее время экономический потенциал возобновляемых источников энергии существенно увеличивается в связи с подорожанием традиционного топлива. Как показывают долгосрочные прогнозы, в будущем эта тенденция сохранится.

Научно-техническим проблемам использования возобновляемых источников энергии в различных областях народного хозяйства посвящено большое количество исследований отечественных и зарубежных ученых. Общую координацию научных исследований и разработок в рамках государственной научно-технической программы России «Экологически чистая энергетика» осуществляли В. И. Доброхотов, Э. Э. Шпильрайн, П. П. Безруких. Большой вклад в разработку научных основ использования возобновляемых источников энергии внесли следующие ученые и научные коллективы:

— использование солнечной энергии для теплоснабжения — Б. В. Тарнижевский;

— разработка энергосистем на основе возобновляемых источников энергииВНИИ электрификации сельского хозяйства (Д.С. Стребков), МЭИ (В.И. Виссарионов, В.М. Казанджан);

— использование тепловых насосов — институт теплофизики СО РАН (В.Е. Накоряков), И. М. Калнинь, Г. П. Васильев;

— энергетическое использование биомассы — JI.B. Зысин, Е. С. Панцхава.

Значительный вклад в развитие научных основ разработки солнечных энергетически систем теплоснабжения зданий внесли германские ученые A. Goetzberger, V. Wittwer, К. Voss.

Каждый крупный регион России имеет свои особенности топливои энергообеспечения. Их правильный и своевременньш учет — основа успешной реализации государственной энергетической политики.

В странах дальнего и ближнего зарубежья в последние годы наблюдается значительный рост производства агрегатов нетрадиционной энергетики. В России известны лишь отдельные примеры использования этих систем. Одна из причин этого — незнание потенциальными пользователями и проектировщиками возможностей, открывающихся при использовании возобновляемых источников энергии в системах теплоснабжения. Разработка рекомендаций, основанных на экспериментальных и теоретических исследованиях в сходных природно-климатических условиях, будет содействовать более широкому применению этих систем.

Модернизацию систем теплоснабжения на основе использования возобновляемых источников энергии необходимо вести на надежном фундаменте научных исследований и разработок, учитывающих природно-климатические характеристики рассматриваемой территории. Кроме того, до настоящего времени не разработан комплексный подход к проектированию систем теплоснабжения, учитывающий как доступные в месте нахождения здания возобновляемые источники энергии, так и теплоэнергетические параметры объекта теплоснабжения.

Проблема состоит в том, чтобы, поддерживая комфортные условия микроклимата, миниминизировать потери энергии. Исходя из этого и изучая возможный вклад возобновляемых источников энергии в топливно-энергетическом балансе здания, необходимо рассматривать его как единую энергетическую систему, в которой взаимодействуют потоки энергии разного вида. Научная проблема состоит в том, чтобы разработать методики, дающие возможность проводить комплексный технический анализ систем теплоснабжения с учетом как природно-климатических факторов места расположения, так и теплоэнергетических характеристик самого объекта теплоснабжения.

Цель работы. Целью данной работы было исследование технологий обеспечения тепловой энергией зданий для создания в них комфортного микроклимата с использованием возобновляемых источников энергии, разработка рекомендаций по использованию систем преобразования энергии солнечной радиации, низкопотенциального тепла поверхностных слоев земли, биомассы, доступных потребителям в природно-климатических условиях юга Западной Сибири.

В соответствии с этой целью решались следующие задачи:

— анализ факторов, влияющих на потребление тепла зданиями, выявление уровней и каналов сверхнормативных тепловых потерь;

— проведение экспериментальных, теоретических исследований, натурных испытаний и опытная эксплуатация активных и пассивных систем солнечного отопления, термогазовых генераторов, биогазовых систем, тепловых насосов и грунтовых теплообменников, использующих низкопотенциальное тепло поверхностных слоев земли;

— обоснование концепции комплексного использования современных энергосберегающих технологий и потоков возобновляемой энергии вблизи места расположения здания для его автономного энергообеспечения, разработка рабочей документации на строительство экспериментального энергоавтономного здания, учитывающей требования нормативов и практические возможности освоенных отечественных строительных технологий, анализ затрат первичной энергии на строительство и эксплуатацию зданий.

Научная новизна. Автор видит научную новизну в комплексном подходе к разработке систем теплоснабжения зданий основанном на единой системе физических и инженерных расчетов, учитывающих поступление солнечной радиации, других источников тепловой энергии, влиянии ветра, температуры окружающего воздуха, а также детальном учете всех каналов тепловых потерь зданий и теплофизические характеристики ограждающих конструкций. Комплексный подход позволил: выявить количественные связи между эффективностью пассивных систем солнечного отопления при замещении отопительной нагрузки, архитектурно планировочными, конструктивными решениями и природно-климатическими характеристиками места расположения зданиярассмотреть на единой методической основе результаты экспериментальных, теоретических исследований и разработок процессов получения тепловой энергии с помощью агрегатов нетрадиционной энергетики и пассивных систем солнечного отопленияразработать концепцию создания комбинированных систем энергообеспечения зданий с использованием возобновляемых источников энергии в условиях юга Западной Сибири. На защиту выносятся:

— методика расчета инфильтрационных тепловых потерь здания на основе измерений зависимости воздухопроницаемости ограждающих конструкций от разности давлений внутреннего и наружного воздуха;

— методика учета вклада энергии, поступающей от пассивных систем солнечного отопления в тепловой баланс здания с использованием двух безразмерных критериев: «эффективной площади» и «эффективной тепловой нагрузки»;

— методика определения оптимальной ориентации поглощающих солнечную радиацию элементов с использованием круговых диаграмм, учитывающая влияние затенения от окружающих объектов;

— результаты экспериментальных исследований переноса тепла в системах с прозрачной тепловой изоляцией сотового типа, математическая модель, описывающая процессы поглощения и переноса тепла в закрытых системах пассивного солнечного отопления, конструкция устройства для эффективной утилизации солнечной энергии;

— результаты экспериментальных исследований процесса анаэробного сбраживания отходов крупного рогатого скота, математическая модель, описывающая временные зависимости выхода биогаза в метантенках с периодической загрузкой, методика расчета оптимальных параметров горелок для сжигания биогаза, расчеты энергетической и экономической эффективности системы анаэробной переработки отходов крупного животноводческого комплекса;

— полуэмпирическая формула, описывающая пространственно-временное распределение температуры верхних слоев грунта, позволяющая учитывать влияние как природных факторов, так и мощных источников тепла техногенного происхождения, математическая модель расчета процессов нагрева воздуха в грунтовых теплообменниках, встроенных в систему вентиляции здания;

— результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов использования низкопотенциального тепла поверхностных слоев земли в системах отопления зданий с водяным накопителем на основе компрессорных тепловых насосов и грунтовых теплообменников закрытого типа;

— концепция создания комбинированной системы энергообеспечения энергоавтономного здания для природно-климатических условий юга Западной Сибири, методика сравнительных оценок, основанная на анализе суммарных затрат первичной энергии на создание и эксплуатацию зданий. Практическая ценность. Разработанная методика определения вентиляционных тепловых потерь через ограждающие конструкции позволяет определять направления работ при подготовке зданий к отопительному сезону, определять основные направления энергоэффективной реконструкции зданий, учитывающей индивидуальные особенности конкретного здания и фактического состояния воздухопроницаемости его ограждающих конструкций, организовать объективный инструментальный контроль качества проектных решений и строительно-монтажных работ при приемке новых зданий.

Комплексный подход к анализу факторов, определяющих тепловой баланс здания, позволяет оптимизировать архитектурно-планировочные и технические решения при строительстве и реконструкции зданий. Разработанное методическое и программное обеспечение расчетов компонентов основных энергетических потоков, проходящих через ограждающие конструкции здания, существенно облегчает проведение расчетов различных сочетаний параметров. Опыт разработки систем энергообеспечения экспериментального энергоавтономного здания может быть использован при разработке проектов низкоэнергетических зданий.

Предложенные круговые диаграммы, описывающие зависимость месячных и годовых сумм солнечной радиации, позволяют специалистам смежных специальностей (архитекторов, инженеров-строителей и др.) легко учитывать поток солнечной радиации на конструкции здания, специальные солнечные элементы и затенение от окружающих конструкций.

Приведенный анализ результатов испытаний нескольких типов солнечных коллекторов может стать основой для конструирования солнечных коллекторов.

Результаты, полученные при исследовании технологий термической и анаэробной газификации, сжигания генераторного газа и биогаза дают методическую основу для энергетического использования отходов деревообработки и животноводства.

Материалы изучения технического потенциала поверхностных слоев земли могут быть использованы при проектировании энергоэффективных систем отопления и вентиляции.

Личный вклад автора заключается:

— в разработке теоретических моделей и методик расчета параметров процессов использования возобновляемых источников энергии, технологий энергосбережения в зданиях;

— в постановке научных задач, разработке методик проведения экспериментов и испытаний;

— в разработке технологических схем, эскизных проектов опытно-промышленных установок, экспериментального энергоавтономного здания;

— в авторском надзоре за изготовлением и испытанием опытно-промышленных агрегатов нетрадиционной энергетики, проектированием и строительством экспериментального энергоавтономного здания;

— в руководстве сотрудников, выполнявших работы по данной теме;

— в проведении анализа эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в Алтайском крае, определении основных направлений энергосбережения.

Апробация работы. Материалы и результаты исследований по теме диссертационной работы были представлены:

— на международной конференции «Экономика и экология: антагонизм или сотрудничество» (Барнаул, 1994 г.);

— германо-российской конференции «Возобновляемые источники энергии и их роль в энергетической политике России и Германии» (Фрайбург, Германия, 1994 г.);

— четвертой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 1998 г.);

— постоянно действующем международном семинаре «Ресурсои энергосбережение» (Новосибирск, 1999 г.);

— пятой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 1999 г.);

— международном научно-практическом семинаре «Энергосбережение в системах теплоснабжения» (Барнаул, 2000 г.);

— международном научно-практическом семинаре «Энергосбережение: нормативно-правовая база, образование, информация и консультирование» (Барнаул, 2001 г.);

— Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности в Сибири» (Барнаул, 2003 г.);

— втором Всероссийском энергетическом форуме «ТЭК России в XXI веке» (Москва, 2004 г.).

Материалы обсуждались также на заседаниях научного Совета Миннауки России и РАН (Москва, 1995, 1996, 1998 и 1999 гг.), Координационного Совета по энергоресурсосбережению Межрегиональной ассоциации «Сибирское Соглашение» (Барнаул, 2001 г.), научного семинара Фраунгоферовского института солнечных энергетических систем (Германия, Фрайбург, 1998 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 35 научных работ, учебное пособие для студентов вузов, методическое пособие для населения, получен патент на изобретение, зарегистрирована программа для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 130 источников, в том числе 20 на иностранных языках, 14 приложений. Работа изложена на 241 страницах текста, содержит 71 иллюстрацию и 15 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Работа представляет законченное диссертационное исследование, в котором изложены научно обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области теплоснабжения зданий с использованием возобновляемых источников энергии. В результате проведенных исследований получены следующие результаты:

1. Проанализированы факторы, влияющие на потребление тепла в зданиях. Разработана методика определения вентиляционных тепловых потерь зданий на основе характеристик воздухопроницаемости, полученных при натурных испытаниях ограждающих конструкций. Выявлены закономерности влияния архитектурно-планировочных и конструктивных решений на требуемый уровень тепловой изоляции элементов оболочки здания и уровень вентиляционных тепловых потерь. Предложена методика учета вклада пассивного солнечного тепла и внутренних тепловых выделений.

2. Разработана методика определения оптимальной ориентации элементов, поглощающих энергию солнечного излучения, с учетом нерегулярного характера временных изменений интенсивности солнечной радиации, отражательной способности окружающих здание поверхностей и затенений от окружающих строений. Предложена методика представления результатов расчетов поступления солнечной радиации на поглощающие элементы в виде круговых диаграмм, систематическое применение которых позволит унифицировать и облегчить проработку вариантов технических решений при проектировании различных объектов.

3. Изучены оптико-тепловые характеристики систем с прозрачной тепловой изоляцией сотового типа. Разработанная математическая модель пространственно-временного изменения потоков тепла показала, что в закрытых системах пассивного солнечного отопления максимальный нагрев внутренней поверхности наружных стен происходит со значительным временным запаздыванием относительно максимума интенсивности солнечного излучения, что делает их более привлекательными по отношению к другим типам. Предложена конструкция устройства для эффективного использования солнечной радиации для отопления зданий.

4. Проведен анализ влияния конструктивных особенностей элементов солнечных коллекторов на эффективность приготовления горячей воды. Опытно-промышленные испытания солнечных водогрейных установок разной производительностью (от 0.8 до 7.0 м3/сут.) показали высокую эффективность систем на основе плоских солнечных коллекторов с прозрачной теплоизоляцией для обеспечения горячей водой в теплый период (май-сентябрь).

5. Экспериментальные и теоретические исследования показали высокую эффективность технологии термической газификации древесных отходов с целью получения генераторного газа (к.п.д. преобразования до 86%), который может служить удобным топливом как для котлов различного типа, так и для дизельных моторов-генераторов.

6. Исследована зависимость выхода биогаза от температуры анаэробного сбраживания и химического состава исходного сырья, проанализированы затраты энергии для поддержания процесса. В холодный период эти затраты «на собственные нужды» не превышают 40% от низшей теплоты сгорания выделившегося биогаза.

7. Разработанная математическая модель удовлетворительно описывает влияние химического состава исходного сырья, влажности сбраживаемого субстрата и температуры на кинетические характеристики развития сообщества метаногенных бактерий в метантенках периодической загрузки. Анализ процессов горения биогаза различного химического состава показал, что могут использоваться стандартные горелочные устройства с минимальной доработкой. Предложена методика расчета оптимальных параметров горелок для сжигания биогаза. Показана высокая энергетическая и экономическая эффективность системы анаэробной переработки отходов крупного животноводческого комплекса. На собственные нужды (обеспечение технологии анаэробного сбраживания) затрачивается 6% электрической и 44% тепловой энергии, произведенной при сжигании произведенного биогаза.

8. Рассмотрены факторы, влияющие на температуру верхних слоев грунта с целью использования низкопотенциального тепла от этого источника для целей теплообеспечения зданий. Показано, что в природно-климатических условиях юга Западной Сибири наиболее эффективны и технически обеспечены два варианта использования низкопотенциального тепла поверхностных слоев почвы:

— грунтовые теплообменники для предварительного кондиционирования приточного воздуха системы вентиляции;

— теплонасосные системы отопления с грунтовым теплообменником.

Грунтовый теплообменник может передавать на нагрев воздуха до 20 кВтч тепла на каждый 1кВтч электрической энергии, затраченной вентилятором. Для тепловых насосов с грунтовыми теплообменниками на 3 кВтч полученной тепловой энергии затрачивается приводом компрессора 1 квтч электрической энергии.

9. С целью демонстрации суммарного эффекта от использования энергосберегающих решений и применения возобновляемых источников для энергообеспечения систем жизнеобеспечения зданий разработана концепция энергоавтономного экспериментального здания (ЭАЗ). Расчетами и проработкой технических решений до стадии рабочих чертежей показано, что комплексное использование энергосберегающих и возобновляемых энерготехнологий позволяет полностью решить проблему энергообеспечения зданий. Суммарные затраты первичной энергии на создание и эксплуатацию ЭАЗ за период его жизненного цикла в 2.3−5-4.9 раза меньше, чем на создание и эксплуатацию традиционного здания, теплоснабжение которого осуществляется от ТЭЦ или котельной.