А.Б.Алхасов-Возобновляемые-источники-энергии-Москва-2016

температуру воды. Если необходимо поднять температуру воды до 75 °С или быстро нагреть дополнительный объем воды, включаются электронагреватели

Благодаря полной автоматизации ТСТ с АТНУ-10 не требует постоянного обслуживания. В доме, оборудованном таким ТСТ, жилец сам выставляет на пульте управления температуру, которую он хочет иметь в комнатах. Температурные датчики, установленные в доме, будут автоматически включать или отключать тепловой насос, благодаря чему поддерживается заданная температура. Ночью или на время длительного отсутствия жильцов может быть задана пониженная температура воздуха в комнатах, что значительно снизит затраты энергии на отопление.

Учитывая, что поверхностные слои грунта являются достаточно универсальным и повсеместно доступным источником низкопотенциального тепла возможности применения технологий ТСТ с вертикальными грунтовыми теплообменниками в России неограниченные. Сегодня в стране насчитывается более 30 млн индивидуальных генераторов тепла, имеющих, как правило, низкоэффективное оборудование с повышенным выбросом загрязняющих веществ в атмосферу, от которых необходимо отказаться в ближайшее время. Наиболее перспективным направлением решения такой проблемы является широкое внедрение технологий теплонасосного теплоснабжения с грунтовыми теплообменниками в вертикальных скважинах.

2.4. Эколого-экономические аспекты использования тепловых насосов

Широкое развитие за рубежом тепловые насосы получили благодаря следующим факторам:

•экономичности (для передачи в систему отопления 1 кВт тепловой энергии требуется 0,2—0,35 кВт электроэнергии);

•экологичности (топливо не сжигается и вредных выбросов не производится);

•минимальному обслуживанию (для обслуживания ТНУ мощностью до 10 МВт требуется один оператор в смену);

•малому сроку окупаемости в связи с низкой себестоимостью производимого тепла.

Эффективность применения теплового насоса проявляется в сравнительном анализе с традиционными системами теплоснабжения. Например, ТНУ расходует в 3— 4 раза меньше топлива, чем угольная котельная [3]. Возможность загрязнения окружающей среды при использовании теплового насоса обусловлена только выбросами, связанными с производством электроэнергии, обеспечивающей

143

работу теплового насоса. Действующий тепловой насос непосредственно на месте его установки не дает вредных выбросов. Если электроэнергия вырабатывается ГЭС то, естественно, производство тепла тепловыми насосами является абсолютно чистой с экологической точки зрения технологией. Поэтому оценка экологической теплонасосной техники может быть дана применительно к варианту, когда электроэнергия производится на угольных или мазутных тепловых электростанциях. Естественно, что объем вредных выбросов при получении тепла от тепловых насосов зависит от коэффициента преобразования μ, показывающего, какую долю электроэнергии нужно затратить на единицу вырабатываемой ТН тепловой энергии.

В табл. 2.1 приведена сравнительная оценка вредных выбросов от различных источников тепла единичной тепловой мощности 1 Гкал/ч (1,16 МВт) в течение отопительного периода (5500 ч для региона Западной Сибири) [8]. Данные таблицы показывают, что переход на теплонасосное теплоснабжение позволяет резко, в 3—8 раз, сократить вредные выбросы.

При одинаковой теплопроизводительности, например 1,16 МВт, удельная экономия топлива при использовании теплонасосной системы составит по сравнению с электроотоплением 0,277 — 0,335 т у.т., котельной на каменном угле (КПД = 0,65) 0,113—0,121 т у.т., котельной на природном газе (КПД = 0,8) 0,072—0,13 т у.т., где первое значение относится к использованию в тепловом насосе низкопотенциального источника тепла температурой 5 °С, второе — источника тепла температурой 40 °С.

Стоимость тепловой энергии, производимой традиционными методами в районных центрах (котельные) и крупных городах (ТЭЦ и котельные) в 2— 4 раза выше, чем в теплонасосных установках.

Экономическую целесообразность применения энергосберегающих проектов с применением ТНУ определяют исходя из сравнительной экономической эффективности капитальных вложений, необходимых для осуществления такого мероприятия, т.е. сопостав-

144

ляя затраты и результаты, полученные при тех или иных затратах. Наиболее целесообразным является вариант решения, при котором приведенные затраты минимальны:

Зп = αK + Э – Д, (2.20) где Зп — приведенные затраты, руб/год; α — коэффициент приведе-

ния; K — капитальные затраты на реализацию проекта, руб; Э — эксплуатационные затраты, руб/год; Д — доходность (экономичность) проекта, руб/год.

Коэффициент приведения рассчитывается с учетом нормативного коэффициента эффективности капитальных вложений. Капитальные затраты определяются исходя из укрупненных величин капитальных вложений с учетом монтажа оборудования, обучения обслуживающего персонала и сдачи объекта «под ключ». По данным ЗАО «Энергия» (г. Новосибирск), производящего тепловые насосы и имеющего большой опыт их внедрения и эксплуатации, укрупненная стоимость ТНУ определяется исходя из ее тепловой мощности и равна 3500 тыс. руб. за 1 Гкал/ч. Срок окупаемости тепловых насосов, составляет 2 года, а стоимость тепла генерируемого энергоустановками на их основе примерно 40—65 % стоимости тепла, вырабатываемого на ТЭЦ.

Несмотря на очевидные преимущества тепловых насосов, их внедрение встречает определенные трудности, связанные с нерешенностью законодательных, правовых, экономических, финансовых, нормативно-технических и технологических проблем. Не последнюю роль играет большая новизна и непривычность этой техники для наших потребителей.

Контрольные вопросы

1.Опишите принципиальную тепловую схему теплового насоса и основной принцип его работы.

2.Какой цикл реализуется в парокомпрессионном тепловом насосе?

3.Перечислите источники низкопотенциальной теплоты, используемые в тепловом насосе.

4.По каким признакам классифицируют тепловые насосы?

5.Что такое коэффициент преобразования теплового насоса?

6.Расскажите об преимуществах теплонасосных систем теплоснабжения с низкопотенциальными термальными водами в качестве первичного источника тепла.

7.Опишите систему теплонасосного теплоснабжения с грунтовыми теплообменниками в вертикальных скважинах.

8.Перечислите эколого-экономические преимущества теплонасосных систем теплоснабжения.

145

Г л а в а т р е т ь я

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ

3.1. Системы солнечного теплоснабжения

Солнечная энергия широко используется для получения низко- и среднетемпературных теплоносителей для горячего водоснабжения, подогрева воды в бассейнах, отопления, в ряде случаев для получения технологического тепла, производства электроэнергии на электростанциях, работающих либо по термодинамическому циклу, либо с прямым преобразованием солнечной радиации в электроэнергию.

Солнечная энергетика — отрасль науки и техники, разрабатывающая основы, методы и средства использования солнечного излучения или солнечной радиации для получения электрической, тепловой и других видов энергии и использования их в народном хозяйстве.

Лучистая энергия Солнца, поступающая на Землю, представляет собой самый значительный источник энергии, которым располагает человечество. Поток солнечной энергии на земную поверхность

эквивалентен условному топливу в количестве 1,2æ1014 т. Солнце, как и другие звезды, является раскаленным газом. В его составе 82 % водорода, 17 % гелия, остальные элементы составляют около 1 %. Внутри Солнца существует область высокого давления, где температура достигает 15—20 млн град.

Земля находится от Солнца на расстоянии примерно 150 млн км. Поток солнечной радиации, достигающей Земли, по разным оцен-

кам, составляет (7,5÷10)æ1017 кВт·ч/год, или (0,85÷1,2)æ1014 кВт, что значительно превышает ресурсы всех других возобновляемых источников энергии.

Солнечное излучение на поверхность Земли зависит от многих факторов: широты и долготы местности, ее географических и климатических особенностей, состояния атмосферы, высоты Солнца над горизонтом и т.п. Поток солнечного излучения на Землю изменяется,

достигая максимума в 2200 кВт æч/м2 в год для северо-запада США, запада Южной Америки, части юга и севера Африки, Саудовской Аравии и центральной части Австралии. Россия находится в зоне, где поток солнечного излучения меняется в пределах от 800 до

1400 кВтæч/м2 в год. При этом продолжительность солнечного сия-

146

ния в России находится в пределах от 1700 до 2000 ч/год; максимальное значение на Земле составляет более 3600 ч/год. За год на всю территорию России поступает солнечной энергии больше, чем энергии от всех российских ресурсов нефти, газа, угля и урана [6].

3.1.1. Классификация и основные элементы гелиосистем

Системами солнечного теплоснабжения называют системы, которые используют в качестве источника тепловой энергии солнечную радиацию. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента — гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию. По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные [4].

Пассивными называют системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в тепло, служат само здание или его отдельные ограждения [здание—коллектор, стена—коллектор, кровля—коллек- тор (рис. 3.1)].

В пассивных гелиосистемах использование солнечной энергии осуществляется исключительно за счет архитектурно-конструктив- ных решений зданий. В системе солнечного низкотемпературного отопления «здание — коллектор» солнечная радиация, проникая через световые проемы в помещение, попадает как бы в тепловую

65

3

Рис. 3.1. Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления «стена—кол- лектор»:

1 — солнечные лучи; 2 — прозрачный экран; 3 — воздушная заслонка; 4 — нагретый воздух; 5 — охлажденный воздух из помещения; 6 — собственное длинноволновое тепловое излучение массива стены; 7 — черная поверхность стены; 8 — жалюзи

147

ловушку. Коротковолновое солнечное излучение свободно проходит через оконное стекло и попадая на внутренние ограждения помещения, преобразуется в тепло. Вся солнечная радиация, попавшая в помещение, преобразуется в нем в тепло и способна частично или полностью компенсировать его тепловые потери. Для повышения эффективности работы системы «здание — коллектор» на южном фасаде устраивают световые проемы большой площади снабжая их жалюзи, которые при закрытии должны препятствовать в темное время суток потерям с противоизлучением, а в жаркий период в сочетании с другими солнцезащитными устройствами — перегреву помещения. Внутренние поверхности окрашивают в темные тона. Задачей расчета при данном способе обогрева является определение необходимой площади световых проемов для пропускания в помещение потока солнечной радиации, необходимого с учетом аккумулирования для компенсации тепловых потерь. Как правило, мощности пассивной системы «здание — коллектор» в холодный период оказывается недостаточно, и в здании устанавливают дополнительный источник тепла, превращая систему в комбинированную. При этом определяют экономически целесообразные площади световых проемов и мощность дополнительного теплоисточника.

Пассивная солнечная система воздушного низкотемпературного отопления «стена — коллектор» включает в себя массивную наружную стену, перед которой на небольшом расстоянии устанавливают лучепрозрачный экран с жалюзи. У пола и под потолком в стене устраивают щелевидные отверстия с клапанами. Солнечные лучи, пройдя через лучепрозрачный экран, поглощаются поверхностью массивной стены и преобразуются в тепло, которое конвекцией передается воздуху, находящемуся в пространстве между экраном и стеной. Воздух нагревается и поднимается вверх, попадая через щелевое отверстие под потолком в обслуживаемое помещение, а его место занимает остывший воздух из помещения, проникающий в пространство между стеной и экраном через щелевое отверстие у пола помещения. Подача нагретого воздуха в помещение регулируют открытием клапана. Если клапан закрыт, происходит аккумуляция тепла массивом стены. Это тепло можно отобрать конвективным потоком воздуха, открывая клапан в ночное время или в пасмурную погоду.

При расчете такой системы пассивного низкотемпературного солнечного воздушного отопления определяют необходимую площадь поверхности стены. Данную систему также дублируют дополнительным источником тепла.

Активными называют системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным

148

отдельным устройством, не относящимся к зданию. Активные гелиосистемы могут быть подразделены по следующим признакам:

•назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);

•виду используемого теплоносителя (жидкостные — вода, антифриз и воздушные);

•продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);

•техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные). Для активных систем солнечного отопления применяют концент-

рирующие и плоские гелиоприемники.

Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции. Однако воздух — малотеплоемкий теплоноситель, что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем воздушного отопления по сравнению с водяными системами. Вода является теплоемким и широкодоступным теплоносителем. При температурах ниже 0 °С в нее необходимо добавлять незамерзающие жидкости. Кроме того, нужно учитывать, что вода, насыщенная кислородом, вызывает коррозию трубопроводов и аппаратов. Но расход металла в водяных гелиосистемах значительно ниже, что в большой степени способствует широкому их применению.

Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в летние и переходные месяцы, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительный источник тепла или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации.

Солнечная водонагревательная установка (СВУ) состоит из солнечного коллектора и теплообменника-аккумулятора (рис. 3.2). Через солнечный коллектор циркулирует теплоноситель (антифриз). Теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе энергией солнца и отдает затем тепловую энергию воде через теплообменник, вмонтированный в бак-аккумулятор. В баке-аккумуляторе хранится горячая вода до момента ее использования, поэтому он должен иметь хорошую теплоизоляцию. В первом контуре, где расположен солнечный коллектор, может использоваться естественная или принудительная циркуляция теплоносителя. В бак-аккумулятор может устанавливаться электрический или какой-либо другой автоматический нагреватель-дублер. При понижении температуры в баке-аккумуляторе ниже установленной (продолжительная пасмурная погода или малое количество часов солнечного сияния зимой) нагреватель-дублер автоматически включается и догревает воду до заданной температуры.

149

Гелиосистемы отопления зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров могут быть применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре — водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах — вода, а в контуре потребителя — воздух). Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник тепла в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты. Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения приведена на рис. 3.3. Схема состоит из трех контуров циркуляции:

1-й контур состоит из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;

2-й контур состоит из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3;

1

4

2

Холодная

вода

Рис. 3.2. Схема солнечной водонагревательной установки:

1 — солнечный коллектор; 2 — теплообменник; 3 — бак-аккумулятор; 4 — электронагреватель

Рис. 3.3. Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения:

1 — солнечный коллектор; 2 — бак-аккумулятор; 3 — теплообменник; 4 — здание; 5 — калорифер; 6 — дублер системы отопления; 7 — дублер системы горячего водоснабжения; 8 — циркуляционные насосы; 9 — вентилятор

150