CC BY
36
© И.Б. Слесаренко, 2013
УЛК 621.577 И.Б. Слесаренко
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СОЛНЕЧНО-ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК
Все возрастающая потребность человечества в энергии приводит к известным глобальным экологическим изменениям, касающихся всего земного шара. Снижение антропогенного воздействия на окружающую среду возможно путем рационального использования топливно-энергетических ресурсов и возобновляемых источников энергии. Поступление солнечной энергии на территорию Приморского края является самым интенсивным в России. В проводимых исследованиях решается важная задача по определению конфигурации эффективной солнечной водонагревательной установки с реверсивным тепловым насосом для нужд горячего водоснабжения. Ключевые слова: солнечная энергия, солнечная водонагревательная установка, комбинированная солнечно-теплонасосная установка, возобновляемые источники энергии, ресурсосбережение.
Введение
Обеспечение жизнедеятельности человека, при все возрастающих его потребностях, связано с ростом производства промышленной продукции, продуктов питания, повышением комфортности среды обитания и т.д. И, как следствие этого, производственная, научная и творческая деятельность, перемещение в пространстве, свет в жилище и обогрев его, приготовление пищи и в целом вся многогранная жизнь человека связана с потреблением различных видов энергии. Количество оборудования, потребляющего энергию и ведущего прямо или косвенно к загрязнению окружающей среды, растет более высокими темпами, чем численность населения.
Объем вырабатываемой в мире энергии возросший за последние десятилетия более чем на 50 % превышает уровень 70-х годов. Свыше 90 % вырабатываемой энергии приходится на долю ископаемого топлива (угля, нефти, газа). Суммарная мощность всех электростанций мира составила более 1,5 млрд. кВт, что соизмеримо с мощностью многих явлений природы. Топливно-энергетический комплекс является крупнейшим загрязнителем окружающей среды, выбрасывающим до 70% общего объема парниковых газов.
В мировой практике развитию возобновляемых источников энергии и особенно солнечных водонагревательных установок (СВНУ) уделяется значительное внимание. Сегодня владельцев СВНУ насчитывается более 40 млн., при установленной тепловой мощности гелиоустановок, превышающей 77 ГВт. На первом месте прочно утвердился Китай с 45 ГВт установленной тепловой мощности СВНУ. В России по имеющимся данным [1] площадь теплоэнергетических гелиоустановок не превышает 10 тыс. м2.
Нависшая над окружающей средой угроза, придавшая новый импульс наблюдающемуся технологическому взрыву, состоит в глобальном потеплении, вызванном повышением температуры на земном шаре в результате загрязнения атмосферы, прежде всего под воздействием углекислого газа. Уменьшение вредных воздействий на окружающую среду при сжигании органического топлива для производства различных видов энергии представляется возможным при выполнении следующих положений: экологизации технологии получения энергии, снижении антропогенной нагрузки путем рационального использования топливно-энергетических ресурсов и прямого сокращения вредных выбросов действующими предприятиями.
Цели и задачи исследования.
В проводимых исследованиях решается важная задача - на основе анализа существующих схем определить конфигурацию эффективной солнечной водонагревательной установки (СВНУ) с реверсивным тепловым насосом, способной удовлетворить разнообразные потребности пользователей в горячем водоснабжении и частично - отоплении.
Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет сегодня одну из проблем, успешное решение которой имеет определяющее значение не только для дальнейшего устойчивого развития Дальневосточного региона, но и страны в целом. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (ВИЭ), как это и прописано в Федеральном законе «Об энергосбережении» и в частности использование солнечной энергии для теплоснабжения (отопления и горячего водоснабжения) объектов различного назначения.
Экологизация производства тепловой энергии предполагает комплекс мероприятий по предотвращению отрицательного воздействия производственных процессов на природную среду. Осуществляется путем разработки малоотходных технологий или технологических цепей, дающих на выходе минимум вредных выбросов.
По мнению ряда исследователей [2, 3] солнечную энергию можно успешно использовать для создания систем сезонного горячего водоснабжения и нецелесообразно использовать для систем отопления. Однако, для корректного решения данного вопроса для определенной территории необходимо проводить анализ не только продолжительности отопительного периода, но и количества поступающей солнечной энергии
По поступлению солнечной энергии Приморский край занимает одно из первых мест в России [4]. В среднем в Приморье 310 солнечных дней в году при продолжительности солнечного сияния более 2000 часов.
Поэтому для большей части Приморского края необходимо подходить к использованию солнечной энергии в системах отопления и горячего водоснабжения после тщательного анализа всех вышеуказанных факторов [5]. Наши экспериментальные данные показывают, что солнечные водонагревательные установки в условиях Приморского края имеют среднемесячную выработку тепловой энергии от 0,9 кВт-ч/м2 в холодное время и до 1,85 кВт-ч/м2 в теплое время года, что напрямую зависит от разности между температурой теплоносителя в коллекторе и температурой окружающего воздуха. Максимальная выработка тепловой энергии за день составила 2,89 кВт-ч/м2. Расчеты показывают, что количество теплоты, произведенное СВНУ с суммарной площадью коллекторов 30 м2, включенной в систему отопления дома общей площадью 300 м2 , составляет 15-20 тыс. кВт-час/год, причем избыточно произведенное количество тепловой энергии в летний период года может достигать 8-12 тыс. кВт-ч/год, притом, что потребности дома в теплоте с учетом горячего водоснабжения составляют 40-45 тыс. кВт-ч/год. Следовательно, возникают проблемы использования или аккумуляции избыточного количества тепловой энергии в летний период
В Приморском крае СВНУ успешно эксплуатируются на социально-значимых объектах, обеспечивают горячей водой индивидуальных потребителей [5,6]. Общая установленная площадь СВНУ в Приморском крае составляет более 1000 м2.
Уменьшение вредных воздействий на окружающую среду при сжигании органического топлива для производства различных видов энергии представляется возможным при широком использовании возобновляемых источников энергии. Использование солнечной энергии для горячего водоснабжения и отопления в Приморском и южной части Хабаровского краев представляется наиболее целесообразным вследствие значительной инсоляции, в том числе и в холодный период года. Однако, еще не решены многие вопросы повышения экономической и энергетической эффективности оборудования и установок солнечной теплоэнергетики.
Методы исследования.
При выполнении работы применялись расчетные и экспериментальные методы, были сформулированы понятия модульности солнечной водонагревательной установки (СВНУ) и основные принципы создания модульных установок. Использование модульных конструкций высокой степени готовности дает возможность значительно сокращать сроки монтажа и снижает капитальные затраты. Такой подход, особенно при использовании эффективного комплектующего оборудования, позволяет расширить объемы внедрения энергосберегающих технологий за счет использования солнечной энергии для теплоснабжения.
Были проведены исследования и анализ современных тенденций создания комбинированных систем теплоснабжения и кондиционирования с использованием солнечной энергии, теплоты грунта и систем с длительным аккумулированием тепловой энергии на основе применения реверсивных тепловых насосов. Разработана и обоснована структурная схема и определена конфигурация комбинированной солнечно-теплонасосной установки для теплоснабжения с длительным аккумулированием тепловой энергии. Выбраны диапазоны основных технических характеристик, позволяющие с достаточной достоверностью переносить результаты гидравлических и тепловых расчетов солнечных теплонасосных установок на натурные объекты.
В процессе исследований рассмотрены конструктивные особенности базовой солнечной водонагревательной установки и оценена возможность использования СВНУ в системах длительного аккумулирования теплоты с применением реверсивного теплового насоса. Проведен анализ различных систем передачи теплоты в помещение (холодный период года) или холодного воздуха (в теплый период года) с помощью реверсивного теплового насоса. Для экспериментальной установки рассчитано и подобрано теплообменное оборудование, которые позволяет обеспечивать зимнее и летнее кондиционирование воздуха. Разработана конструкторская документация для модернизации СВНУ с целью повышения ее тепловой производительности и подключения теплового насоса.
Важным вопросом при создании СВНУ является выбор структуры автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) экспериментальной солнечно-теплонасосной установки теплоснабжения.
Результаты исследований.
Проведены расчеты и испытания солнечных коллекторов разных конструкций для солнечных систем горячего водоснабжения и отопления с целью определения их показателей в режимах теплосъема, обеспечивающих работу теплового насоса. Установлено, что солнечно-теплонасосную установку теплоснабжения с длительным аккумулированием тепловой энергии можно использовать для горячего водоснабжения и отопления как отдельных небольших объектов (жилые дома, коттеджи) так и крупных объектов - предприятия, многоэтажные здания, коттеджные поселки. Причем если экономические параметры солнечной части установки мало зависят от ее масштаба, то теплонасосная и теплоаккумулирующая части имеют большую экономическую эффективность для крупных объектов.
Практические применения результатов исследования.
Тиражируемость комбинированных солнечно-теплонасос-ных установок зависит от объектов внедрения. В большинстве случаев проекты таких установок носят индивидуальный характер. В работе рассмотрена возможность импортозамещения одного из основных узлов гелиосистемы - типового солнечного коллектора. На основе проведенных испытаний различных ти-
пов коллекторов выбраны наиболее эффективные, использование которых дает возможность сконструировать комбинированную систему теплоснабжения с реверсивным тепловым насосом.
Ежегодно на юге Дальнего Востока вводится в эксплуатацию 5-6 СВНУ на крупных объектах и 15-20 СВНУ в жилом фонде. Потенциал солнечной энергии при этом достаточен для быстрой окупаемости солнечных установок. В прибрежных районах тепловыми насосами предполагается отбирать тепло от морской воды, в летний период система с реверсивным тепловым насосом может использоваться для кондиционирования воздуха. Значительные объемы грунтовых вод в старых затопленных шахтах в некоторых городах Дальнего Востока могут использоваться как тепловые аккумуляторы в системах теплоснабжения жилых зданий и предприятий, оснащенных тепловыми насосами и СВНУ. На объектах промышленности и жилых комплексах тепловые насосы предполагается совмещать с аккумуляторами теплоты различного типа.
Для климатических условий Приморского края солнечные водонагревательные установки наиболее эффективно использовать не только для горячего водоснабжения, но и для отопления. Но для технико-экономического обоснования этого решения необходимо проведение дополнительных исследований по определению теплотехнических характеристик коллекторов различного типа и установок в целом, в том числе и систем длительного аккумулирования теплоты.
Проводимые исследования, направленные на разработку солнечной водонагревательной установки с реверсивным тепловым насосом, адаптированной к жестким климатическим условиям Российского Дальнего Востока, показывают возможность значительного снижения экологической нагрузки на окружающую среду за счет использования ВИЭ.
Выводы
1. На основе испытаний опытно-промышленной СВНУ выявлено, что наиболее эффективными для использования являются комбинированные солнечные водонагревательные установки с дублирующим источником теплоты, в качестве которого можно применить реверсивный тепловой насос.
2. Разработана и апробирована эффективная схема СВНУ с реверсивным тепловым насосом, определена конфигурация
опытно-промышленной гелиоустановки для дальнейших экспериментальных исследований.
3. Определены базовые показатели СВНУ с реверсивным тепловым насосом, что позволяет с достаточной достоверностью переносить результаты исследований на перспективные объекты внедрения гелиоустановок.
4. Обоснован принцип модульности солнечной водонагре-вательной установки и технология создания модульной системы СВНУ.
5. По полученным эксплуатационным данным выбрано оборудование для изготовления и монтажа основных узлов гелиоустановок в процессе их тиражирования.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Бутузов В.А., Шетов В.Х. Перспективы развития солнечной теплоэнергетики в России. 9-й Междунар. семинар «Российские технологии для индустрии» Альтернативные источники энергии и проблемы энергосбережения. - C-Петербург: Изд-во Петербургского ун-та, 2005. - 119 с.
2. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России/Безруких П.П. и др. - СПб.: Наука, 2002. - 314 с.
3. Харченко И.В. Индивидуальные солнечные установки. - М.: Энерго-атомиздат, 1991. - 208 с.
4. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, части 1 - 6, выпуск 26. Приморский край. Приморское территориальное управление по гидрометеорологии, 1988. 417 с.
5. Слесаренко В.В., Богданович Г.А., Жуков В.А., Слесаренко И.Б. Особенности применения гелиоустановок с тепловыми насосами
6.// Энергосбережение и водоподготовка. - М.: 2011. 2011. №5. -С.24-28.
7.Слесаренко В.В., Княжев В.В. Энергоснабжение с использованием возобновляемых источников энергии в Приморском крае // Возобновляемая энергетика XXI столетия: материалы 10-й юбилейной междунар. Науч. Конф., 14-18 сент. 2009/ Институт возобновляемой энергетики НАН Украины. - Николаевка: Крым, 2009. - С. 115-118. ШИН
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Слесаренко Ирина Борисовна - кандидат технических наук, доцент кафедры Нефтегазового дела и нефтехимии, vslesarenkov@rambler.ru Дальневосточный федеральный университет, г. Владивосток.
