ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ПРИГОТОВЛЕНИИ ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ

Энергосбережение – одна из приоритетных задач, обусловленных дефицитом основных энергоресурсов, возрастающей стоимостью их добычи, а также с глобальными экологическими проблемами. Экономия энергии – это эффективное использование энергоресурсов за счет применения инновационных решений, которые осуществимы технически, обоснованы экономически, приемлемы с экологической и социальной точек зрения, не изменяют привычного образа жизни. Такое определение было сформулировано на Международной энергетической конференции (МИРЭК) ООН.

К ВИЭ, которые можно использовать для теплоснабжения жилых и общественных зданий относятся следующие:

• низкопотенциальная теплота грунта;

• низкопотенциальная теплота атмосферного воздуха;

• солнечная энергия;

• низкопотенциальная теплота водоемов;

• кинетическая энергия ветра

• теплота сгорания различных видов биотоплива, включая отходы деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства

При проектировании, строительстве и капитальном ремонте жилых и общественных зданий, в которых предусматривается использование ВИЭ и ВЭР, необходимо стремиться к созданию энергетически эффективного здания, теплопотери и энергетические затраты которого сведены к минимуму.

Солнечное теплоснабжение

Солнечное теплоснабжение зданий основано на применении двух принципиальных схем — пассивного и активного использования энергии солнца.

Здание с пассивным использованием энергии солнца можно определить, как климатически сбалансированное здание, в котором максимально используется теплота солнечной радиации для обогрева помещений без применения специальных технических устройств. Задача проектирования здания с пассивным использованием энергии солнца состоит в применении научно обоснованных взаимоувязанных архитектурно-конструктивных и объемно-планировочных мероприятий, способствующих утилизации теплоты солнечной радиации в тепловом балансе помещения в холодный период года и не приводящих к перегреву помещения в теплый период года. Наибольший эффект экономии энергии достигается в здании с одновременным сбалансированным использованием активных и пассивных систем утилизации энергии солнца.

Задача проектирования зданий с пассивными приемами по использованию теплоты солнечной радиации для снижения расхода энергии на обогрев помещений должна решаться при научно обоснованном выборе

• ориентации здания

• степени остекления наружных ограждений;

• местоположения светового проема в наружном ограждении и соотношения длины и высоты проема

• способа регулирования тепло- и солнцезащиты заполнения светового проема;

• теплотехнических показателей материалов внутренних поверхностей помещения

Рациональной можно считать такую ориентацию здания, которая обеспечивает максимальные теплопоступления от солнечной радиации в холодный период года, а планировочное решение — максимальные теплопоступления в жилые помещения.

Активное использование солнечной энергии в отличие от пассивного основывается на применении гелиоустановок, преобразующих солнечную энергию в тепловую, используемую для теплоснабжения зданий. В простейшем случае гелиоустановка состоит из солнечного коллектора, утилизирующего солнечную энергию, и теплового аккумулятора. Теплоноситель (вода или воздух) нагревается, протекая через коллектор, и затем поступает в систему теплоснабжения здания и в тепловой аккумулятор, где отдает теплоту теплоаккумулирующему веществу. Тепловой аккумулятор выполняет функцию теплоисточника в периоды отсутствия солнечной радиации.

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. Однако при температурах ниже 0◦ C 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 более 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 теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации. Солнечная водонагревательная установка (рисунок 3) состоит из солнечного коллектора и теплообменника-аккумулятора. 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. В случае понижения 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.

Рисунок 1. Тепловые насосы для теплоснабжения

Вторичные энергетические ресурсы и возобновляемые источники тепловой энергии (за исключением солнечной радиации) имеют низкий температурный потенциал, что, как правило, не позволяет напрямую использовать эти источники энергии в теплоснабжении зданий – требуется преобразование этой энергии с повышением ее температурного уровня. Наиболее эффективным способом использования низкопотенциального тепла (включая грунт, водоемы, воздух) является использование тепловых насосов (ТН).

1Тепловой насос – это установка для переноса теплоты от более холодного теплоносителя к более горячему за счет подвода внешней энергии или затраты работы. ТН используются для выработки теплоты в системах централизованного и индивидуального отопления и горячего водоснабжения. Они более экономичны и безопасны, чем котлы на ископаемом топливе и поэтому являются хорошей альтернативой для систем теплоснабжения и горячего водоснабжения как многоквартирных, так и индивидуальных жилых домов.

Принцип действия и конструкция ТН идентичны холодильной машине и установке для кондиционирования воздуха (кондиционеру), в этих устройствах различна лишь задача: холодильники и кондиционеры используются для охлаждения, а ТН – для нагрева. Из-за одинаковой конструкции бытовые кондиционеры часто могут выполнять и функции теплового насоса, в так называемом режиме обогрева.

Принцип действия ТН основан на отдаче и поглощении теплоты рабочего агента «хладагента» в цикле при периодическом переходе его из одного состояния в другое.

ТН по виду рабочего агента разделяются на три типа: парокомпрессионные, абсорбционные и термоэлектрические.

Парокомпрессионные ТН. В парокомпрессионных ТН (рис. 1) используется теплота испарения и конденсации хладагента, которым обычно являются фреоны.

При более высоком давлении температура конденсации (кипения) повышается, поэтому хладагент конденсируется при более высокой температуре, чем испаряется. Поэтому ТН позволяет передавать теплоту от холодного теплоносителя к горячему. При этом он потребляет энергию Есж, необходимую для сжатия хладагента, но эта энергия должна быть меньше, чем количество теплоты Qи, получаемое горячим теплоносителем. Эффективность теплового насоса тем выше, чем больше величина Qи превышает работу Есж. Отношение 6 теплоты, переданной горячему теплоносителю, к работе, затрачиваемой на сжатие, называется коэффициентом преобразования теплоты (КПТ)

Значение КПТ должно быть больше 1, чем оно выше, тем работа теплового насоса эффективней. При КПТ = 1 работа теплового насоса теряет смысл, так как электроэнергию, затрачиваемую на сжатие, можно использовать для получения теплоты с помощью намного более дешевых, чем тепловые насосы, электронагревателей. КПТ зависит от соотношения температур источника теплоты и температуры теплоприемника, а также от условий теплообмена. КПТ современных тепловых насосов может доходить до 5 и даже немного выше.

Компрессионные тепловые насосы являются самыми распространенными

Абсорбционные ТН. В абсорбционном ТН в качестве рабочего тела используется смесь хладоагента с его раствором в жидкости, имеющей более высокую температуру кипения. В отличие от чистых веществ растворы обладают способностью абсорбировать пар раствора одного состава жидким раствором другого состава даже в том случае, когда температура жидкости выше температуры пара. Схема абсорбционной установки аналогична схеме идеальной парокомпрессионной установке, только компрессор заменен абсорбционным узлом.

Преимущество этого способа сжатия хладоагента заключается в том, что для повышения давления используется насос, а не компрессор. Затрата работы на привод насоса пренебрежимо мала по сравнению с затратой работы в компрессоре. Выигрыш в работе, затрачиваемой на привод компрессора, компенсируется затратой теплоты в генераторе пара. Эта теплота отводится затем холодным теплоносителем в абсорбере.

К недостаткам абсорбционных насосов можно отнести наличие двух теплообменников (абсорбера и генератора), к которым соответственно необходимо подводить холодный и горячий теплоноситель.

Абсорбционные холодильные установки целесообразно применять в том случае, когда может быть использован отработавший пар или другие теплоносители низкого температурного потенциала.

С развитием компрессоростроения абсорбционные холодильные установки были вытеснены парокомпрессионными установками

Рисунок 3. Принцип действия абсорбционного теплового насоса

Термоэлектрические ТН. Термоэлектрические ТН используют эффект возникновения электрического тока при нагреве спаев разнородных металлов и обратный эффект – охлаждение спаев при пропускании через них электрического тока. Для целей теплоснабжения жилых домов термоэлектрические тепловые насосы не используются

Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, удобную для использования человеком. Это одна из самых традиционных и быстроразвивающихся отраслей возобновляемой энергетики. Так, в 2020 году в мире было установлено 93 ГВт новых мощностей, что на 53 % больше по сравнению с аналогичным периодом предыдущего года [8]. В 2020 году рекордный рост был обусловлен всплеском установок в Китае и США — двух крупнейших мировых рынках ветроэнергетики — которые вместе установили почти 75 % новых установок в 2020 году, что составляет более половины всей мировой ветроэнергетики.

Крупные ветроэнергетические установки (ВЭУ) включаются в общую сеть электроснабжения, более мелкие, автономные ветрогенераторы используются для снабжения электрической и тепловой энергией удалённых районов.

Автономные ВЭУ могут функционировать самостоятельно или использоваться как дублер любого другого генератора или применяться в сочетании с другими энергетическими установками в качестве 15 компонента комбинированной системы энергоснабжения. Такие системы используются, например, для подъема воды, тепло- и электроснабжения [8]

Применение ВЭУ для теплоснабжения потребителей подразумевает подключение этих агрегатов в существующую систему теплоснабжения небольших городов и поселков, расположенных в ветреных районах страны и испытывающих трудности в обеспечении работающих котельных топливом по разным причинам: трудности транспортировки, постоянный рост цен на традиционные энергоносители и т. п. [10]

При использовании ВЭУ для нужд теплоснабжения появляется возможность успешно бороться с основным недостатком ветровой энергии – непостоянством во времени. Кратковременные (секундные и минутные) изменения мощности ВЭУ могут сглаживаться за счет аккумулирующей способности системы теплоснабжения. Более продолжительные колебания (от нескольких минут до нескольких часов) могут выравниваться за счет аккумулирующей способности самих отапливаемых зданий. Во время более длительных перерывов (затиший) в работу можно включать специальные аккумулирующие устройства или источники тепла на органическом топливе, выполняющие роль вспомогательного резервного оборудования.

Биоэнергетика

Фотосинтез зеленых растений позволяет аккумулировать энергию, получаемую от солнечных лучей, в органическом веществе, которое синтезируется из углекислого газа, воды и некоторых «биогенных» элементов почвы. Ежегодно на Земле фотосинтез образует около 120 млрд т сухого органического вещества, что энергетически эквивалентно 40 млрд т нефти (более чем в 10 раз превышает мировой уровень ее потребления). Химическая энергия, запасенная растениями, может использоваться энергетикой. В целом биомасса дает седьмую часть потребляемого в мире топлива. Энергия, получаемая из биомассы, в 4 раза превосходит суммарную энергию АЭС мира.

В странах Европейского Союза доля энергии биомассы от общего производства нетрадиционными и возобновляемыми источниками энергии составляет 55%. Наиболее эффективно энергия биомассы используется в Португалии, Испании, Франции, Германии, Дании, Италии. Общие ресурсы биомассы в Западной Европе (в млн т сухой массы за год) составляют: древесина и древесные отходы – 150, сельскохозяйственные отходы – 250, бытовые отходы и городской мусор – 75, биомасса, выращиваемая специально на энергетических плантациях – 250 млн т. [9].

Достоверная статистика по использованию биоэнергетических ресурсов для теплоснабжения в Российской Федерации отсутствует. Не разработаны меры государственного стимулирования использования биоресурсов. В нашей стране в наибольших объёмах для теплоснабжения используется древесина и отходы её переработки. За 2019 год было заготовлено и использовано 14 млн м³ дров разных пород [10], что, по осреднённой оценке, составило 9 млн тонн, а в тепловом эквиваленте 25 тыс. ГВт*ч/год при КПД котлов около 60%. Помимо дров в теплоснабжении применяются также топливная щепа, топливные брикеты и пеллеты (топливные гранулы).

Наиболее традиционным видом твердого биотоплива являются дрова. Дрова обычно заготавливают путем целенаправленной вырубки деревьев в лесном массиве. При этом, значительная часть древесной массы, образующейся при заготовке дров, в виде веток, сучьев, опилок не используется и остается или сжигается на месте вырубки. Аналогичная ситуация с отходами имеет мести и при заготовке древесины для деревообрабатывающей промышленности.

Помимо дров в качестве топлива часто используются и отходы деревообрабатывающей промышленности в виде щепы, обрезков и т.п. Щепа используются и как сырье для целлюлозно- 16 бумажной промышленности. Вместе с тем, опилки, мелкие обрезки часто не находят использования и свозятся на полигоны вместе с другими видами отходов производства.

Помимо дров в качестве топлива часто используются и отходы деревообрабатывающей промышленности в виде щепы, обрезков и т.п. Щепа используются и как сырье для целлюлозно- 16 бумажной промышленности. Вместе с тем, опилки, мелкие обрезки часто не находят использования и свозятся на полигоны вместе с другими видами отходов производства.

Сжигание отходов лесозаготовок и целлюлозно-бумажной промышленности в Финляндии, Канаде составляет существенную долю топливно-энергетического баланса. К сожалению, в РФ 75% этих отходов не используется.

В ряде стран быстрорастущие виды деревьев специально выращиваются как топливо на энергетических плантациях. В Японии и Италии для этой цели выбраны эвкалипты, в Канаде выведена разновидность тополя, которая наращивает биомассу вчетверо быстрее обычной породы. Для России эти направления менее актуальны, для нас важнее совершенствовать транспортную инфраструктуру, включая в оборот труднодоступные лесные массивы.

Важная задача лесопромышленного комплекса – использование древесных отходов, включая зеленую массу лесозаготовок, и отходов лесоперерабатывающего производства (горбыль, опилки, кора, стружка, и т.д.), применение теплогенераторов на древесных отходах и переработку отходов в жидкое и газообразное топливо.

Вывод

Учитывая, что Россия является страной с холодным климатом (более половины территории лежит в зоне вечной мерзлоты) теплоснабжение в стране является ключевым направлением в ее энергетике. Это доказывает тот факт, что многие тепловые комбинированные электростанции спроектированы исходя из тепловой, а не из электрической нагрузки. Несмотря на то, что основное публичное внимание приковано к возобновляемой электроэнергетике доля возобновляемого тепла в общем объеме его производства более значительна.

Россия обладает значительным потенциалом по производству «зеленого» тепла. Этот потенциал в основном лежит в области переработки органических и древесных отходов (в лесной промышленности, переработке твердых коммунальных отходов) и в использовании солнечной и термальной энергии. Ужесточение экологического законодательства в стране приведет к появлению новых проектов теплоснабжения на базе ВИЭ.

Список литературы:

1. Бертокс П., Радц Д. Стратегия защиты окружающей среды от загрязнения. Пер. с англ./Под ред. Я. Б. Черткова — М.: Мир, 1980.
2. Павлов Ю. В. Опреснение воды «Просвещение», М. 1972. G.Наvеns, Раsific Factoru, 106 № 5, 1964. Смагин.В. И. Обработка воды методом электродиализа. Москва, 1986 г.
3. Маммедалыев, В. Г. Использование солнечной энергии для опреснения коллекторно-дренажных вод / В. Г. Маммедалыев, Д. М. Курбанова.
4. Тарнижевский, Б.В. Оценка эффективности применения солнечного теплоснабжения в России // Теплоэнергетика. 1996. – № 5
5. Магомадова, Х.А. Методологические подходы формирования инновационно-инвестиционного механизма средозащитных инноваций в строительном комплексе [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона.
6. Ивакин, Е.К., Вагин А.В. Классификация объектов малоэтажного строительства [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона, 2012.
7. Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности. http//www.intersolar.ru/wind.
8. А.В. Бежан. Теплоснабжение с применением ветроэнергетических установок. Энергосбережение, № 6, 2007
9. В. Г. Лайбеш. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Учебное пособие. Санкт-Петербург. 2003
10. Аверьянов В.К., Карасевич А.М., Федяев А.В. Системы малой энергетики: современное состояние и перспективы развития. Т. 1, 2. — М.: ИД «Страховое ревю», 2008. 962 с.