CC BY
27
УДК 536; 697.329
создание эффективных систем энергоснабжения сельских потребителей в условиях юга западной сибири
В.Я. ФЕДЯНИН, доктор технических наук, профессор (e-mail: fedyanin054@mail.ru)
Д.Н. КРЮКОВ, аспирант
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, просп. Ленина, 46, Барнаул, 656038, Российская Федерация
Резюме. Основные факторы, определяющие низкую энергетическую эффективность систем электро-и топливоснабжения сельскихжителей малых населенных пунктов в Алтайском крае - необходимость подводить электроэнергию к огромному количеству маломощных объектов, рассредоточенных по большой территории. Средняя длина ВЛ-10 до одного населенного пункта составляет около 25 км. Средний годовой полезный отпуск - 39,5 тыс. кВтч (средняя мощность потребления - 4,5 кВт, средняя загрузка трансформаторов - 3-4 %). Протяженность сетей на единицу мощности потребителя -около 5,6 км/кВт, что во много раз выше, чем в других отраслях экономики. Основной источник теплоснабжения населения, проживающего в малых населенных пунктах, - привозной каменный уголь (86 %). Среднее годовое потребление топлива составляет около 5,4 тусловного топлива на одного человека. Энергетический потенциал тепла поверхностных слоев Земли достаточен для использования теплонасосныхсистем теплоснабжения. Разработанный критерий - потенциал замещения отопительной нагрузки при использовании низкопотенциального тепла поверхностных слоев Земли, учитывающий энергетический потенциал возобновляемого тепла и современные уровни теплопотребления зданий и сооружений, позволяет проводить районирование территории региона с целью определения местностей, в которых теплонасосные системы наиболее эффективны. По оценке, проведенной с учетом результатов опытной эксплуатации теплонасосных систем с вертикальными грунтовыми теплообменниками, использование теплонасосной системы отопления снижает потребление угольного топлива более чем в 3 раза. Перевод сельских зданий на эффективное электроотопление с использованием тепловых насосов позволит увеличить энергетическую эффективность распределительных электрических сетей 6/10 кВ благодаря повышению полезной нагрузки. Замещение 10 % угля в системах отопления на теплонасосные системы увеличивает почти на 9 % загрузку существующих электрических сетей и улучшает технико-экономические показатели их работы.
Ключевые слова: теплоснабжение сельских поселений, низкопотенциальное тепло поверхностных слоев Земли, тепловой насос, система сбора низкопотенциального тепла, коэффициент преобразования (трансформации), тепло-физические характеристики почвы, потенциал замещения отопительной нагрузки.
Для цитирования: Федянин В.Я., Крюков Д.Н. Создание эффективных систем энергоснабжения сельских потребителей в условиях юга Западной Сибири //Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. №3. С.
Алтайский край входит в группу регионов с низкой электроемкостью и низким уровнем душевого ВРП. Половина населения проживает в сельских населенных пунктах. Одно из приоритетных направлений повышения экономического потенциала края - развитие топливно-энергетического комплекса. Энергетика -важнейшая составляющая материально-технической базы сельского хозяйства, определяющая эффективность развития производства, уровень производительности труда, качество продукции, социальные условия жизни населения, быт и стабильность функционирования сельских поселений.
Одно из главных условий эффективного и устойчивого ведения сельского хозяйства, а также закрепления населения - стабильное и надежное энергообеспечение, прежде всего, электрической энергией и эффективными системами теплоснабжения взамен традиционных отопительных печей и неэффективных малых котельных [1].
До сих пор система электроснабжения Алтайского края дефицитна по мощности и энергии. В наиболее критическом положении находится электроснабжение удаленных от центра населенных пунктов, которое осуществляется по радиальным физически изношенным линиям. Поэтому на линиях, протяженностью в сотни километров, при отсутствии надежного резерва постоянно возникают серьезные проблемы с регулированием напряжения в сети и обеспечением надежности электроснабжения.
Цель исследований - исходя из анализа состояния систем и средств энергообеспечения сельских объектов, разработать предложения по модернизации системы энергообеспечения сельских потребителей в Алтайском крае с учетом доступных возобновляемых энергоресурсов. Определить критерии, позволяющие проводить обоснование рациональных потребностей в энергоресурсах и оптимизацию структуры топливно-энергетического баланса потребителей.
Условия, материалы и методы. Изучение состояния электроснабжения в 2007-2014 гг. показало, что в 562 малых населенных пунктах (количество жителей менее 200 человек) на территории Алтайского края, расположенных на значительном удалении от районных центров, проживает более 47 тыс. человек.
Жители этих населенных пунктов потребляют в год в среднем 470 кВтч электроэнергии в расчете на одного человека. Общая длина электрических линий ВЛ-10, обеспечивающих их электроэнергией, превышает 14 тыс. км (см. табл.).
Электроснабжение потребителей малых населенных пунктов в сельской местности имеет свои особенности, по сравнению с электроснабжением промышленности и городов. Главная из них - необходимость подводить электроэнергию к огромному количеству маломощных объектов, рассредоточенных по большой территории. Средняя длина ВЛ-10 до одного населен-
шш
Рис. 1. Распределение длин ВЛ-10 кВ системы электроснабжения.
Таблица. основные показатели системы электроснабжения малых сельских поселений
Район Число Длина ВЛ-10, км Пиковая мощность, кВА Полезный отпуск, тыс. кВт ч
поселений абонентов жителей
Алейский 14 493 972 378,0 2186 440,8
Алтайский 9 124 322 731,3 3650 215,7
Баевский 3 111 314 809,8 210 97,2
Бийский 9 464 1070 164,5 2170 282,9
Благовещенский 10 463 1143 214,7 1572 488,1
Бурлинский 8 98 309 187,2 605 60,3
Быстроистокский 2 28 73 95,8 652,8 65,6
Волчихинский 2 107 299 125,5 1865 134,6
Егорьевский 8 202 282 98,2 1423 98,2
Ельцовский 9 127 210 224,5 485 102,0
Завьяловский 6 308 892 96,4 530 438,6
Залесовский 7 174 459 136,0 181 187,0
Заринский 23 864 2280 306,3 858 903,3
Змеиногорский 9 303 827 152,4 1191 440,4
Зональный 7 303 758 167,6 1515 222,3
Калманский 10 313 706 215,4 2136 378,2
Каменский 15 502 1260 197,3 760 420,8
Ключевский 4 176 520 166,5 788 218,3
Косихинский 10 361 916 119,3 361 277,6
Красногорский 20 695 1817 568,8 3475 671,3
Краснощековский 13 588 1429 384,3 1673 617,2
Крутихинский 6 194 443 82,5 310 193,1
Кулундинский 13 363 927 235,4 2080 483,9
Курьинский 11 374 913 307,2 2027 492,1
Кытмановский 14 525 1204 205,3 423 492,8
Локтевский 6 221 574 159,6 690 255,8
Мамонтовский 5 28 54 68,7 70 45,6
Михайловский 3 158 403 102,9 320 362,0
Немецкий 5 185 473 83,3 1550 761,8
Новичихинский 7 302 763 168,2 313 442,4
Павловский 8 212 533 190,7 1373 301,0
Панкрушихинский 14 527 1065 211,1 810 371,1
Перврмайский 19 739 1445 229 741 674,4
Петропавловский 4 142 329 48 395 146,7
Поспелихинский 8 208 519 144,4 2068 300,0
Ребрихинский 9 396 830 316,6 1845 456,3
Родинский 1 16 30 48,9 125 12,5
Рубцовский 18 480 1112 140,8 4084 919,6
Славгородский 12 403 1214 180,2 3050 422,5
Смоленский 11 478 1217 285,8 2702 668,1
Советский 3 181 443 109,2 404 243,6
Солонешенский 18 499 1353 932,3 3383 1136,5
Солтонский 12 365 960 666,4 1825 332,7
Суетский 6 242 573 138,5 2446 210,3
Табунский 10 217 664 153,7 250 70,7
Тальменский 13 463 948 145 266 262
Тогульский 6 312 746 248,7 1555 64,4
Топчихинский 14 494 1121 300,1 2905 514,1
Третьяковский 8 197 554 191,7 625 231,6
Троицкий 16 789 1268 131,3 561 854,2
Тюменцевский 3 138 351 64,4 190 123,2
Угловский 6 188 496 126,1 740 132,0
Усть-Калманский 8 369 955 272,9 1209 448,6
Усть-Пристанский 6 168 361 184,6 1072 176,2
Хабарский 16 532 1482 351,9 2346 493,3
Целинный 4 162 392 169,4 810 156,6
Чарышский 18 606 1715 700,2 1792 662,6
Шелаболихинский 6 162 377 138,7 629 198,6
Шипуновский 17 644 1643 322,4 7496 1304,5
Всего 562 19483 47308 14095,9 83766 22177,9
ного пункта составляет около 25 км (рис. 1), средний годовой полезный отпуск - 39,5 тыс. кВт-ч (рис. 2), средняя мощность потребления - 4,5 кВт. Протяженность сетей на единицу мощности потребителя - около 5,6 км на 1 кВт потребленной мощности, что во много раз превышает величину этого показателя в других отраслях экономики.
Существующая технология электроснабжения на основе радиальных незарезервированных сетей 6/10 кВ ненадежна, требует повышенных экономических затрат на создание и эксплуатацию, среднегодовая
загрузка понижающих (до 0,22/0,38 кВ) трансформаторов составляет 3-4 %, поэтому фактические потери электроэнергии в таких сетях соизмеримы с полезным потреблением электроэнергии [2].
Основной источник теплоснабжения населения, проживающего в малых населенных пунктах, - привозной каменный уголь (86 %). Среднее годовое потребление топлива составляет около 5,4 т у.т. в расчете на одного человека. Система теплоснабжения полностью противоречит общепризнанному правилу: «чем меньше потребитель, тем более качественным
ностных слоев Земли» - f. Он равен площади поверхности почвы, запасающей в природно-климатических условиях той или иной местности тепловую энергию, необходимую для отопления одного квадратного метра здания с заданным уровнем тепловой защиты ограждающих конструкций, и рассчитывается по формуле:
f =
о/
(1)
Рис. 2. Распределение электропотребления в малых поселениях.
топливно-энергетическим ресурсом он должен обеспечиваться». Низкий уровень использования потенциальной энергии, заключенной в топливе, связан с техническим несовершенством энергетического оборудования, усложненными условиями доставки энергоресурсов, повышенными потерями топлива при его транспортировке и хранении. Сложившаяся система теплоснабжения приводит к интенсивному загрязнению среды обитания пылью, окислами серы и углерода. Тепловые источники малых населенных пунктов работают без очистки дымовых газов, малые котельные и жилые дома имеют невысокие трубы, поэтому большая часть загрязнений оседает в непосредственной близости от жилья.
Модернизация систем теплоснабжения с применением тепловых насосов, использующих низкопотенциальное тепло поверхностных слоев Земли, позволит существенно улучшить показатели эффективности системы теплоснабжения и снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду.
Известно, что на глубине более 3-5 м почва характеризуется относительно невысокой (8-12 °С), но незначительно изменяющейся в течение отопительного периода температурой, что позволяет рассматривать ее как эффективный источник низкопотенциального тепла для систем отопления и горячего водоснабжения [2]. На территориях с низкой плотностью заселения, характерной для сельской местности, теплонасосные установки, применяемые для решения проблем тепло-хладоснабжения, в последние годы демонстрируют конкурентные преимущества на рынке теплогенери-рующего оборудования именно благодаря своим возможностям замещать органическое топливо низкопотенциальным теплом природного происхождения [3, 4]. Изучение комплекса вопросов, связанных с динамикой нагрева грунта поверхностных слоев Земли солнечной радиацией, нестационарным теплообменом между грунтом и системой сбора низкопотенциальной теплоты теплонасосной системы теплоснабжения здания или сооружения показало, что экономический потенциал низкопотенциального тепла поверхностных слоев Земли для сельских поселений Алтайского края оценивается в 400 тыс. т у.т. в год [1].
Результаты и обсуждение. Рассмотрим энергетическую эффективность модернизации системы угольного отопления жилых зданий с использованием тепловых насосов. Комплекс параметров, отражающих природно-климатические характеристики и уровень тепловой защиты здания, может быть учтен с помощью безразмерного критерия: «потенциал замещения отопительной нагрузки при использовании низкопотенциального тепла поверх-
где ц™ - удельный расход тепловой энергии системой отопления зданий за отопительный период, МДж/м2; Qg - региональный критерий эффективности поглощения почвой тепловой энергии, МДж/м2.
Удельный расход тепловой энергии системой отопления здания за отопительный период может быть оценен или по данным, внесенным в его энергетический паспорт(при наличии), или с использованием информации о фактическом потреблении тепла. Укрупненную оценку можно сделать на основе данных об отапливаемой площади (объеме) здания и этажности по методике, изложенной в нормативной документации [5].
Для примера оценим показатели проекта энергоэффективной реконструкции одноэтажного жилого здания полезной площадью 100 м2. Климатические параметры возьмем для приобского равнинного климатического района:
расчетные температуры наружного воздуха - наиболее холодная пятидневка - -39°С, средняя за отопительный период - -7,7 °С;
продолжительность отопительного периода - 221 сутки;
радиационный баланс - 1647 МДж/м2;
тип почвы - чернозем обыкновенный, суглинистый.
Для этих условий из формулы (1) получаем: f = 795,6/74,1 = 10,7.
Площадь поверхности почвы, необходимая для обеспечения возобновляемым теплом системы отопления жилого здания с помощью теплового насоса, может быть оценена по следующей формуле:
Л * к-1
А = (2)
где А и Ао - площадь поверхности почвы и отапливаемая площадь здания соответственно, м2; к - коэффициент преобразования теплонасосной системы (КОП).
Результаты опытно-промышленной эксплуатации теплонасосной системы теплоснабжения с вертикальными грунтовыми теплообменниками в отопительный сезон 2015-2016 гг. показали, что средний за отопительный период коэффициент преобразования теплонасосной системы (с учетом затрат электроэнергии на питание компрессора и циркуляционного насоса, обеспечивающего циркуляцию теплоносителя в грунтовом теплообменнике) равен 3,2 [6]. С помощью формулы (2) для рассматриваемого жилого здания получим: А = 100х10,7х(3,2-1)/3,2 = 735 м2.
Таким образом, солнечная энергия, запасенная в теплый период 750 м2 поверхностного слоя почвы, - возобновляемый источник, который с помощью теплонасосной системы теплоснабжения может быть использован для отопления здания в холодный период года.
Сравним уровни потребления первичного топлива существующей системы теплоснабжения с модернизированной, использующей теплонасосную установку.
Годовая потребность существующей системы в топливе (примем среднегодовой коэффициент использования топлива, с учетом затрат энергии на доставку и потерь при складировании и транспортировке, равным 30 %):
А атд
О, = = 265200 МДж= 9,04 т у. т.
П
Для работы теплонасосной системы отопления будет затрачена электроэнергия в количестве:
А о™9
Ет = = 24862 МДж= 6906 кВт . ч.
Для выработки такого количества электроэнергии на тепловой электростанции необходимо использовать в качестве топлива (с учетом 15 % потерь при передаче электроэнергии) QT = 6,906x0,3443x1,15 = 2,7 т у.т. каменного угля.
При этом значительно повышается и экологическая эффективность использования привозного топлива благодаря снижению отрицательного влияния выбросов в атмосферу продуктов сгорания (печное отопление не предусматривает их очистку, а системы теплоэлектростанций улавливают примерно 80 % вредных выбросов).
Оценим изменение полезного отпуска в электрических сетях 6/10 кВ при 10 %-ном замещении отопительной нагрузки на теплонасосное отопление.
На сегодняшний день 47308 жителей (см. табл. 1) используют на отопление
О = 5,4 х 47308 = 255463 т у.т.
Для замещения теплонасосными системами 10 % отопительной нагрузки потребуется дополнительное годовое потребление электрической энергии в количестве
Е = 255463 х 0,1/3,2 = 7983,2 т.у.т = 65041 тыс. кВт- ч Средняя мощность потребления составит 7425 кВт. При этом средняя годовая загрузка установленных в сетях трансформаторов (см. табл. 1) увеличится почти на 9 %.
выводы. Использование теплонасосной системы отопления снижает потребление угольного топлива, расходуемого на отопление сельских зданий, более чем в 3 раза. Загрязнения окружающей среды уменьшаются на еще более значительную величину, так как при сжигании топлива на ТЭЦ осуществляют очистку продуктов сгорания перед выбросом в атмосферу, а деревенские печи выбрасывают их без очистки и на небольшом расстоянии от поверхности почвы.
При отсутствии возможности подключения к сетям природного газа отопление объектов с использованием парокомпрессионных тепловых насосов с электрическим приводом наиболее эффективно. Производительность теплонасосной системы можно автоматически регулировать в зависимости от погодных условий.
Перевод сельских зданий на эффективное электроотопление с использованием тепловых насосов позволит существенно повысить энергетическую эффективность распределительных электрических сетей 6/10 кВ благодаря увеличению полезной нагрузки.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы при технико-экономическом обосновании и разработке проектов по замещению теплогенерирующих установок, использующих органическое топливо или электронагревательные элементы, тепловыми насосами с грунтовыми теплообменниками.
Литература.
1. Федянин В.Я., Мещеряков В.А. Инновационные технологии для повышения эффективности алтайской энергетики: монография. Барнаул: Изд-во ААЭП, 2010. 192 с.
2. Железко Ю.С., Артемьев А.В., Савченко О.В. Расчет, анализ и нормирование потерь электрической энергии в сетях: руководство для практических расчетов. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. 280 с.
3. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли: монография. М.: Издательский дом «Граница», 2006. 176 с.
4. Елистратов С.Л., Накоряков В.Е. Энергетическая эффективность комбинированных отопительных установок на базе тепловых насосов с приводом // Промышленная энергетика. 2008. № 3. С. 28-33.
5. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. М.: Госстрой России, 2004. 42 с.
6. Федянин В.Я., Шарипов Н. Б. Исследование эффективности извлечения возобновляемого тепла с помощью вертикального теплообменника // Ползуновский вестник. 2015. № 3. С. 151-155.
ESTABLISHMENT OF EFFECTIVE SYSTEMS FOR RuRAL ENERGY CONSuMERS under conditions of the south OF WESTERN SIBERIA
V.Ya. Fedyanin, D.N. Kryukov
I.I. PolzunovAltai State Technical University, prosp. Lenina, 46, Barnaul, 656038, Russian Federation
Abstract. The main factors determining the low energy efficiency of electrical and fuel supply for the rural residents of small settlements in Altai Krai is the necessity to apply power to a huge number of low-powered objects, scattered across a large area. The average length of the overhead line VL-10 to a settlement is about 25 km. The average annual net supply is 39,500 kWh (the average power consumption is 4.5 kW, the average load of transformers is 3-4 %). The network length per a unit of power of a consumer is about 5.6 km/kWh, which is much higher than in other sectors of the economy. The main source of heat supply of the population living in small settlements is delivered coal (86 %). The average annual fuel consumption is about 5.4 tons of conditional fuel per a person. The energy potential of the heat of the surface layers of the Earth is sufficient for use of pump heating systems. We developed a criterion, which represents the potential replacement of the heating load at using the low-potential heat of the surface layers of the Earth, taking into account the energy potential of renewable heat and current levels of energy consumption of buildings and constructions. This criterion enables to zone the territory of the region in order to identify areas where heat pump systems are more efficient. According to the assessment, conducted based on the results of operation testing of heat pump systems with vertical ground heat exchangers, the use of the pump heating system reduces the consumption of coal more than 3 times. The transfer of rural buildings at efficient electrical heating with the use of heat pumps will increase the energy efficiency of electrical distribution system 6/10 kW due to the increase in the payload. The substitution of 10 % coal in heating by heat pump systems increases the utilization of the existing electrical networks by almost 9 % and improves technical and economic indicators of their work.
Keywords: heat supply of rural settlements, low-potential heat of the surface layers of the Earth, heat pump, system of collection of low-potential heat, coefficient of transformation, thermophysical characteristics of the soil, the potential replacement of the heating load. Author Details: V.Ya. Fedyanin, D. Sc. (Tech.), prof. (e-mail: fedyanin054@mail.ru); D.N. Kryukov, post graduate student. For citation: Fedyanin V.Ya., Kryukov D.N. Establishment of Effective Systems for Rural Energy Consumers under Conditions of the South of Western Siberia. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2017. Vol. 31. No. Pp. (in Russ.).
