Володин В.И Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

111

9.5. Геотермальная энергия

В результате химических реакций и радиоактивного распада температура

в недрах Земли может достигать 4000

С. Выход тепла на поверхность Земли

осуществляется в результате вулканических процессов или в виде горячей воды.

В районах с повышенными градиентами температур потоки тепла составляют от

нескольких единиц до 10-20 Вт/м

, что позволяет вовлекать это тепло в оборот и

использовать как полезное. Температура термальных вод в Беларуси достигает

приблизительно 50

С. По степени минерализации они относятся к рассольным с

содержанием солей от 350 до 450 г/л, что ограничивает их использование в

системах теплоснабжения. Ограничивающими факторами также являются

большая глубина залегания термальных вод и низкий дебит скважин

(100-1150 м

/сутки).

Использование термальных вод в системах теплоснабжения имеет свои

особенности:

• одноразовость использования в системах разомкнутого теплоснабжения;

• постоянство температуры, что затрудняет регулирование отпуска тепла;

• пониженная температура, что ограничивает применение термальных вод

низкотемпературными системами отопления;

• фиксированное расположение месторождения относительно потребителей

тепла.

Системы геотермального теплоснабжения могут быть разнообразными.

Они зависят от минерализации и ограниченности ресурсов термальных вод, в

том числе и температуры. В простейшем случае термальные воды используются

только для горячего водоснабжения. При ограниченных ресурсах геотермальных

вод с неравномерным водоразбором дополнительно применяются аккумуляторы

тепла.

Использование термальных вод как для горячего водоснабжения, так и

для отопления может проводиться по параллельной или последовательной

схеме. В первом случае потоки горячей воды разделяются. Во втором - на

горячее водоснабжение вода подается после отбора тепла в системах отопления.

При ограниченном ресурсе термальных вод используется пиковый догрев в

котельных, применяются тепловые насосы или комбинированные системы с

водяным и воздушным отоплением. Возможная схема использования

геотермальных вод на отопление и горячее водоснабжение дана на рис.9.16. Для

лучшего использования потенциала термальных вод система содержит пиковую

котельную и теплонасосную установку. Эффективность работы тепловых

насосов возрастает при использовании низкотемпературных геотермальных вод

с низшим пределом +15

С [47].

112

Рис.9.16. Схема использования термальных вод с применением пикового догрева и

тепловых насосов: 1 – скважина; 2 – система отопления; 3 – пиковая котельная; 4 –

конденсаторы; 5 – насос; 6 – испарители; 7 – теплонасосная установка; 8 – система

горячего водоснабжения; 9 – бак-аккумулятор

При значительной минерализации термальных вод применяются

двухконтурные схемы с промежуточным теплообменником, что исключает

образование интенсивных отложений в системах теплоснабжения.

Термальные воды могут также использоваться сезонными потребителями

- теплицами, парниками, обогреваемым грунтом, бассейнами.

9.6. Аккумулирование энергии

В связи с тем, что потоки энергии от большинства возобновляемых

источников поступают периодически и непостоянно, могут возникнуть

трудности с бесперебойным снабжением энергией потребителей. Надежность

энергоснабжения повышается с использованием аккумуляторов.

Аккумулирование энергии основано на химических и физических

принципах. Первый принцип позволяет накапливать энергию за счет

химических реакций, второй - за счет физических явлений. Классификация

наиболее распространенных аккумуляторов энергии дана на рис.9.17 [2].

Химические принципы аккумулирования энергии (рис.9.17а) могут

включать биохимические реакции под действием потока лучистой солнечной

энергии, что составляет основу фотосинтеза, в результате которого образуются

органические вещества растений, аккумулирующие солнечную энергию. За счет

прямого или косвенного употребления растений в пищу энергия аккумулируется

в животных. Растения используются в качестве топлива, а животные могут

совершать механическую работу. Природные энергетические ресурсы в виде

ископаемого топлива также являются аккумуляторами солнечной энергии.

Сброс

113

Рис.9.17. Аккумуляторы энергии, основанные на химических (а) и физических (б)

принципах работы

При проведении экзотермических реакций выделяется саккумулированная

теплота, которая может использоваться как полезная в технологических

процессах. На основе электрохимических реакций проводится аккумулирование

энергии в гальванических элементах многоразового и одноразового

пользования. К элементам многоразового пользования относятся кислотные и

щелочные аккумуляторы, выдерживающие циклы разрядки и зарядки. Областью

их применения является энергетика, транспорт, ветроэнергетические и

солнечные установки, не подключенные к централизованной электрической

сети. Одноразовые гальванические элементы используются как источники

питания в электронных и электротехнических устройствах.

Химические

аккумуляторы энергии

Электрическая

энергия

Тепловая энергия

Механическая

работа

Животные

Растения

Гальванические

элементы

На основе

водорода

Ископаемые

топлива

Тепловая энергия Механическая работа

Тепловые Механические

Биологические

Электро-

химичекие

На основе

экзотермических

реакций

Природные

ресурсы

Физические

аккумуляторы энергии

Переменной

температуры

Постоянной

температуры

Гидро-

аккумуляторы

Инерционные

аккумуляторы

Упругие

аккумуляторы

а)

б)

114

Перспективным направлением является получение водорода на основе

электролиза воды в присутствии Н

или NаOH. Первичными могут служить

возобновляемые источниками энергии. Водород  экологически чистое

топливо, при сгорании которого выделяется вода. Высшая теплота сгорания

водорода равна 12,72 МДж/м

, а низшая - 10,8 МДж/м

. Он может храниться под

давлением с максимальным значением 150 атм. Фактическое значение давления

определяется потребителем. Водород может непосредственно

преобразовываться в электрическую энергию в топливных водород-

кислородных элементах, использоваться для получения теплоты путем

сжигания, а также для совершения механической работы с помощью мотор-

генераторов. В качестве топлива водород может быть использован аналогично

природному газу. Широкие возможности водорода как источника энергии

показаны на рис.9.18.

Рис.9.18. Схема использования водорода в качестве источника и аккумулятора энергии

Физические принципы позволяют аккумулировать теплоту и

механическую энергию (рис.9.17б). В тепловых аккумуляторах физического

тепла на основе воды или других однофазных веществ температура в процессе

накопления и отдачи теплоты изменяется во времени. Использование в качестве

рабочего вещества некоторых солей, изменяющих свое агрегатное состояние,

Электролизер

10 ати

150 атм

Котел

Трубопровод - 50 атм

Тепло на отопление

и горячее водоснабжение

Мотор-генератор

Тепло-

снабжение

Инвертор

Топливный

элемент

Компрессор

Бытовая

плита

Электроэнергия

от возобновляем

ых источников

Электроснабжение

Ресиверы

Автотранспорт

115

позволяет поддерживать температуру постоянной, соответствующей

температуре фазового перехода. Достоинством последних аккумуляторов

является их малый объем. Еще более компактными являются тепловые

аккумуляторы на основе обратимых химических реакций рабочего вещества.

Аккумулирование механической энергии проводится с помощью

гидроаккумуляторов. Например, на гидроаккумуляторных электрических

станциях, когда имеется избыток электрической энергии, вода после отработки в

турбине насосами перекачивается в водохранилище, что позволяет

поддерживать достаточный ее уровень (напор) на протяжении всего года.

Инерционные аккумуляторы, преобразующие работу в кинетическую энергию

для дальнейшего ее использования, пока не нашли широкого применения из-за

высокой стоимости и нерешенных технических проблем. Упругие аккумуляторы

находят применение в системах сжатого воздуха.

Аккумулирование энергии позволяет обеспечить [2]:

•

бесперебойное энергоснабжение потребителей за счет накопления

избыточной энергии и последующего ее использования в периоды отсутствия

или недостатка энергоснабжения;

•

оптимальные режимы работы источников энергии и потребителей за счет

сглаживания колебаний в электросети;

•

повышение потенциала энергии до необходимого качества при накоплении

низкопотенциальной энергии;

•

превращение энергии одного вида в другой, в зависимости от нужд

потребителей.

9.7. Комбинированное использование возобновляемых источников и

аккумуляторов энергии

Бесперебойное энергоснабжение потребителей на основе возобновляемых

источников наиболее эффективно может быть осуществлено при

комбинированном использовании последних с применением аккумуляторов

энергии. Это актуально для энергоснабжения автономных объектов. Рассмотрим

простейшие схемы такого энергоснабжения.

На рис.9.19 дана схема электроснабжения с электрохимическим

аккумулятором. Источниками энергии служат ветроэлектрическая установка и

фотобатарея. Для оптимальной работы система снабжена блоком

автоматического управления заряда-разряда аккумулятора. Аккумулятор

аккумулирует пиковую и низкопотенциальную энергию и используется как

буфер для выравнивания колебаний тока.

Комбинированная система тепло- и электроснабжения дана на рис.9.20.

Источником энергии, как и в предыдущем случае, служат ветроэнергетическая

116

установка и фотобатарея, но часть электроэнергии превращается в тепловую для

нужд горячего водоснабжения и отопления. Электрохимический аккумулятор

служит буфером для выравнивания колебаний тока, полученного с помощью

ветрогенератора. Аналогичная энергосистема была смонтирована и прошла

испытания на полигоне НАН Украины. Она полностью обеспечивала энергией

потребности одноквартирного дома площадью 50 м

и объемом 188 м

при

расчетной температуре в доме 19

С и нормативной температуре для зимы -21

С.

Тепловой насос с коэффициентом преобразования больше двух использовался в

отопительный период.

Рис.9.19. Система электроснабжения дома от ВЭУ и фотобатареи с аккумулятором

электрической энергии

Рис.9.20. Схема комбинированного энергоснабжения одноквартирного жилого дома

Рассмотрены возобновляемые источники энергии Беларуси: энергия

Солнца и ветра, гидроэнергия, геотермальная энергия и биомасса как источник

производства биотоплива. Показано, что в большинстве случаев наиболее

эффективным их применение будет в виде комбинированных энергетических

систем с использованием аккумуляторов. Такие системы обеспечивают

надежное и бесперебойное энергоснабжение потребителей. Реальные схемы

Фотобатарея

Блок

автоматического

управления

Потребители

энергии

Аккумуляторная

батарея

ВЭУ

Тепловой насос

Теплоэлектро-

нагреватель

Энергосистема

Аккумулятор

тепловой

энергии

Фотобатарея

Блок

автоматического

управления

Электрохимические

аккумуляторы

Потребители

энергии

ВЭУ

117

энергоснабжения на основе возобновляемых источников не исчерпываются

рассмотренными. Они должны проектироваться после тщательного мониторинга

по определению потенциала местных возобновляемых ресурсов.

Контрольные вопросы

1. Какими видами возобновляемых источников располагает Беларусь?

2. Какова особенность возобновляемых источников энергии?

3. Чем обусловлена необходимость развития энергетики Беларуси на основе

возобновляемых источников?

4. Какие виды солнечного излучения Вы знаете?

5. Каков потенциал солнечной энергии в Беларуси?

6. Для каких целей используется солнечная энергия?

7. Какие устройства применяются для приема и утилизации солнечной энергии?

8. Какие виды солнечного излучения принимаются плоскими, сферическими и

цилиндрическими коллекторами?

9. Каков принцип прямого преобразования солнечной энергии в электрическую?

10. Какие системы солнечного отопления Вы знаете? Поясните принцип их работы.

11. Каков потенциал энергии ветра в Беларуси?

12. Как оценить мощность ветрового потока?

13. Какие устройства применяются для утилизации энергии ветра? В чем их

особенность?

14. Как оценить потенциал гидроэнергии?

15. Какие малые ГЭС эксплуатируются в Беларуси?

16. Какие виды гидротурбин Вы знаете? Поясните принцип их работы.

17. Что такое биомасса? На чем основано ее получение?

18. Назовите виды биотоплива и их происхождение?

19. В чем заключается сущность термохимических методов получения биотоплива?

20. В чем заключается сущность биохимических методов получения биотоплива?

21. В чем заключается сущность агрохимических методов получения биотоплива?

22. Какие виды биотоплива можно получить с помощью пиролиза?

23. В чем заключается сущность метода анаэробного сбраживания? Для чего он

применяется?

24. Какова особенность термальных вод в Беларуси?

25. Приведите схему для энергетического использования термальных вод.

26. На каких принципах основано аккумулирование энергии?

27. Зачем необходимо аккумулирование энергии в энергетике?

28. Для каких целей используется водород в энергетике?

29. Что дает комбинированное использование возобновляемых источников энергии и

аккумуляторов энергии?

30. Приведите схему комбинированного использования возобновляемых источников

энергии.

118

10. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ЗДАНИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ

Здания и сооружения жилищного, культурного, административного и

промышленного назначения являются крупными потребителями тепловой

энергии. Только на жилой фонд зданий Беларуси приходится 39% потребления

вырабатываемого тепла. Оценки показывают, что в фонде жилых и нежилых

зданий может быть сэкономлено в год за счет энергосберегающих мероприятий

около 50% потребляемой энергии, или 31840 млн.кВт⋅ч/год. Во многих случаях

для определения эффективности использования энергии в зданиях удобной

единицей измерения является кВт⋅ч/(м

⋅год) или МДж/(м

⋅год).

В Беларуси потребление энергии на отопление жилья составляет от 80 до

120 МДж/(м

⋅год). В Финляндии, где климат более суровый, этот показатель

равен 45-50 МДж/(м

⋅год). Теплопотери через ограждающие конструкции зданий

у нас составляют до 80% всех общих потерь тепла, в развитых странах Западной

Европы они составляют 38-44%, т.е. в 2 раза меньше [53]. Потери энергии через

ограждающие конструкции распределяются следующим образом:

•

через стены составляют 42-49%;

•

через окна - 32-35%;

•

подвальные и чердачные перекрытия - 11-18%;

•

через входные двери - 5-15%.

В многоэтажных зданиях потери тепла через подвальные и чердачные

перекрытия будут минимальными.

На тепловой режим здания существенное влияние оказывает наружный

климат, который определяют солнечная радиация, температура и влажность

воздуха, ветер. При проектировании ориентация зданий выбирается с учетом

розы ветров и лучистых потоков энергии, поступающих от Cолнца. С

увеличением скорости ветра интенсифицируется теплообмен со стороны

наружного воздуха, растут инфильтрация и теплопотери, а при ориентации

фасада на юг за счет прогрева стеновых ограждений они уменьшаются. При

увлажнении ограждающих поверхностей с последующим испарением влаги

теплопотери дополнительно увеличиваются. Значение температуры наружного

воздуха является исходным параметром при проектировании как ограждающих

конструкций, так и систем отопления. С уменьшением минимальной расчетной

температуры воздуха самого холодного месяца в году возрастает мощность

отопительной системы. Средняя расчетная минимальная температура наружного

воздуха самого холодного месяца в году для Минска равна –25

С. Средняя

расчетная скорость ветра этого периода равна 5 м/с. Все рассмотренные

параметры должны учитываться при проектировании зданий и систем

отопления.

119

Тепловой режим здания определяется не только наружным климатом, но

также и ограждающими конструкциями, внутренней средой и реакцией человека

[54]. Например, расчетная температура помещения в зависимости от назначения

здания может лежать в пределах 16-26

С [47]. Комплексный подход к

энергосбережению в зданиях требует взаимосвязанного рассмотрения всех

составляющих.

Потери тепла в зданиях обусловлены теплопередачей Q

и инфильтрацией

(воздухообменом) Q

.QQQ

ИT

(10.1)

Уравнение теплопередачи через плоскую стенку (рис.10.1) имеет

следующий вид:

()

,Ftt

tFkQ

НB

−













=∆=

−

∑

(10.2)

где k - коэффициент теплопередачи;

∆

t - температурный напор; F - поверхность

теплообмена;

- коэффициент теплоотдачи воздуха со стороны помещения;

- коэффициент теплоотдачи со стороны наружного воздуха;

- толщина i-го

слоя материала стенки;

- коэффициент теплопроводности i-го слоя материала

стенки; t

и t

- соответственно температуры воздуха внутри и снаружи

помещения.

Рис.10.1. Схема процесса переноса тепла через ограждения

Тепловой поток за счет воздухообмена через неплотности в конструкции

здания определяется объемным расходом воздуха V

, который может быть

выражен через коэффициент инфильтрации m. Коэффициент инфильтрации



это кратность воздухообмена помещения объемом V

за 1 час. Тогда

() () ()

,tt

3600

сmV

ttсVQ

рBBп

НBpBBBп

−=−

=−ρ=

(10.3)

, t

120

где ρ

- плотность воздуха, кг/м

; с

рВ

- теплоемкость воздуха, Дж/(кг⋅К);

рВ

≈1200 Дж/(м

К).

Следует заметить, что температура воздуха в помещении не отражает

состояние микроклимата в нем, на который дополнительно влияет излучение от

ограждающих поверхностей с радиационной температурой t

. В соответствии с

нормативами России и Беларуси температура помещения t

=(t

)/2.

Потери тепла через стены, полы и потолки отличаются и для каждой

поверхности их необходимо рассчитывать отдельно. В общем случае суммарные

потери тепла в помещении равны

()

.tt

FkQ

HП

−













∑

(10.4)

Основными направлениями повышения эффективности использования

энергии в существующих зданиях являются: утепление и внедрение систем

регулирования отпуска тепла.

Первое направление относится к пассивным методам энергосбережения, а

второе к активным. Вначале следует утеплять здания и лишь затем,

устанавливать системы регулирования отпуска тепла.

10.1. Утепление зданий

Утеплять необходимо здания, которые находятся в эксплуатации и

построены по старым строительным нормам. Вновь строящиеся здания должны

удовлетворять СНБ 201.01.93 «Строительная теплотехника», что значительно

повышает эффективность использования энергии. Однако и эти нормы отстают

от требований к сопротивлению теплопередачи, принятых в Западной Европе

(табл.10.1).

Таблица 10.1

Нормативное сопротивление теплопередачи через стены (R, м

⋅

К/Вт)

Страна

Год

Дания Украина Беларусь

1972 1,25 0,8 0,8

1977 3,00 0,8 0,8

1985 3,10 1,3 -

1994 4,20 2,2 2,5

Исследования, проведенные в США [45], показывают, что за счет

теплоизоляции зданий могут быть существенно снижены теплопотери:

•

через крышу и чердачное помещение на 80%;

•

через стены на 60%;