Исследование показателей комбинированных установок для получения тепла и холода за счет использования солнечной энергии

Актуальность работы. В последнее время интерес к нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ) повысился. Несмотря на то что исчерпание традиционных не возобновляемых источников энергии человечеству в ближайшее время не грозит, сам факт, что они не возобновляемые не может не беспокоить. Атомная энергия встречает активное неприятие населения в связи с возможностью тяжелых аварий и последующим радиационным радиоактивным загрязнением больших территорий. Поэтому, говоря о перспективной стабильной энергетике, следует признать, что она может и должна опираться в основном на НВИЭ.

Другим фактором стимулирующим внедрение НВИЭ является возможность торговли квотами на выбросы парниковых газов (СО2, СН4 и др.), после принятого в Японии в декабре 1997 г. «Киотского протокола».

Немаловажным является и поддержка в ряде стран «Зеленых проектов» их правительствами, связанная с недостатком природного топлива.

Установки на НВИЭ дают около 18%(2000 г.) всей энергии в мире, причем большая часть приходится на гидроресурсы и биомассу. Тройку лидеров возглавляют Исландия (64.5%), Норвегия (49.0%) и Новая Зеландия (32.2%). Доля НВИЭ в промышленно развитых странах как правило невысока: США—7.2%, Япония—3.5%, Германия—2.3%, Англия—0.7% (на 1997 г.)[1].

Ресурсы НВИЭ в России довольно велики. Только их потенциал, предназначенный для первоочередного использования составляет в общей сложности 273.5 млн. т.у.т./год или Ул часть потребления топливно-энергетических ресурсов в стране. (Малая гидроэнергетика—62.5, геоэнергия—115, энергия биомассы—35, ветровая энергия—10, солнечная— 12.5, тепло низкого потенциала—36 млн. т.у.т./год) Однако доля использования НВИЭ незначительна (менее 1%) и составляет 1.5 млн. т.у.т./год. 2].

В числе причин, тормозящих развитие НВИЭ в России названо, в частности: отсутствие поддержки на государственном и региональных уровнях в виде дотаций или беспроцентных кредитов внедряющим организациям, как это делается за рубежом, не учет экологического ущерба от традиционных топлив в установках производства энергии, низкие мировые цены на органическое топливо (так цены на газ у нас в 8−10 раз ниже, чем на мировом рынке), недостаток финансирования разработок НВИЭ (бюджетные ассигнования в атомную энергетику в 13 раз, в термоядерный синтез в 2.6 раз в энергосбережение в 2.8 раз, в ископаемые топлива в 2 раза больше, чем в НВИЭ не считая гидроэнергии (на 1997 г.)).

Так, по программе РУ-СОМРАСТ (США) в штате Виржиния производители, продающим солнечные элементы, получают грант на 0.75 $/кВт. BEW, Германия, предоставляет субвенции для солнечных коллекторных устройств с площадью более 4 м от.

225—650 франк/м (10% стоимости). Субсидии в Швейцарии составляют 50−117 франк/м гелиоприемника.

Проводятся мероприятия по ознакомлению общественности с солнечными домами: США (42 штата, 700 сол. домов, 12 тыс. посетителей), Швейцария (2 телекомпании, 30 радиостанций, 74 газеты и журнала).

Ассигнования на исследования и разработку в области НВИЭ в США, Японии, Германии, Италии, Нидерландах, Дании, Швеции затрачивается 1 $ (США) на жителя страны.

Однако перечисленные выше меры являются недостаточными, т.к. основным фактором препятствующим активному использованию НВИЭ является экономический. Увеличение тарифов на электроэнергию и тепло не дает успеха в борьбе за потребителя на конкурентном рынке. В связи с этим западные компании обратились к той части потребителей, которые согласны покупать более дорогую энергию (не обязательно именно от установки с НВИЭ), если дополнительная плата пойдет на стимулирование НВИЭ.

К сожалению, говорить о возможности распространения подобной идеи в России пока рано. Но при реализации концепции развития НВИЭ исходят из следующих положений:

1. Многие регионы России (Алтай, Дальний Восток и др.) находятся в зонах децентрализованного электрои теплоснабжения. Из-за низкой плотности населения, сооружение ТЭЦ и КЭС экономически невыгодно, как и прокладка линий электропередач или газовых трубопроводов. Стоимость доставки сюда дизельного топлива может достигать астрономических сумм. Устойчивое электрои теплохладоснабжение может быть обеспечено сочетанием традиционных и нетрадиционных источников энергии.

2. В некоторых зонах централизованного снабжение возникают частые отключения районных потребителей. Все это приводит к значительным потерям в сельском хозяйстве. В этих регионах нетрадиционные источники смогли бы играть роль резервных.

3. В ряде городов и мест массового отдыха населения предъявляются особые требования к чистоте окружающей среды. В этих местах получение тепла и холода с помощью НВИЭ является предпочтительным, если не единственным способом.

4. Во всех регионах страны существует проблема отопления (иногда и охлаждения) мест временной работы и отдыха, дачных комплексов и получения горячей воды для бытовых нужд. До 50% этих потребностей может быть удовлетворено за счет НВИЭ.

Солнечная энергия имеет широкий спектр использования. Наиболее приоритетными являются получение электроэнергии с помощью фотоэлектрических батарей, тепла и холода для кондиционирования, солнечная сельскохозяйственная и промышленная сушка. В ряде районов солнечная энергия может использоваться для дистилляции и «привода» солнечных кухонь.

На нужды теплохладоснабжения сегодня в мире тратится около 25−30% всего органического топлива. Поэтому внедрение установок на НВИЭ, и в частности энергии солнца—особенно эффективной при использовании на низкотемпературном уровне -, более чем желательно.

Системы создания комфортных условий в помещении с помощью энергии солнца можно разделить на пассивные и активные. Самыми простыми и дешевыми являются пассивные, которые для сбора и распределения используют архитектурные и строительные элементы здания, с минимумом инженерного и гелиотехнического оборудования. Они могут выполнятся по разным схемам: тепловые стены, остекленные проемы с избирательной проницаемостью солнечного излучения, здания с буферными зонами и применением тепла замораживания воды. Анализ проведенный Тарнижевским для схемы с тепловой стеной Тромба показал, что использование систем пассивного солнечного отопления целесообразно южнее 55−56° с.ш. При этом коэффициент замещения будет как правило менее 30%, а срок окупаемости от 3 до 6 лет[4].

Однако, пассивным системам присущ ряд недостатков:

1. Более жесткая, чем у активных климатическая и географическая привязка. Каждому «солнечному дому» свойственен свой проект сооружения.

2. В большинстве случаев невозможность модернизации традиционных систем теплохладоснабжения в пассивные солнечные уже существующих зданий.

3. Труднее по сравнению с активными поддаются регулированию и автоматизации.

4. В ряде случаев необходимо иметь определенный архитектурно-эстетический вид здания.

Именно по этим причинам активные солнечные системы теплохладоснабжения применяются чаще.

Идет непрерывная работа в области исследования процессов, выявления возможностей повышения эффективности, создание новых элементов систем солнечного теплоснабжения. Каждый раз говоря о возможности применения системы солнечного теплоснабжения необходимо определять экономическую целесообразность ее внедрения. Это связано с тем, что для многих стран (стран Европы, США, России, Япония) основным фактором, препятствующим активному использованию НВИЭ, является экономический. Определение районов, в которых использование установок солнечного теплоснабжения выгодно или будет выгодно при определенных условиях, осложняется сильной зависимостью энергетической эффективности таких установок от климатических параметров местности, в которой они применяются, и текущих цен на оборудование и тарифов на энергоресурсы. Работ посвященных экономическому анализу немного. Необходимы дополнительные исследования, особенно систем комбинированного солнечного теплоснабжения (одновременного отопления и горячего водоснабжения), в зависимости от теплотехнических и ценовых параметров.

Применение гибридных солнечных коллекторов, позволяющих одновременно получать два вида энергии: электрическую и тепловую, способствует увеличению эффективности преобразования солнечной энергии. Будет целесообразным использование гибридных солнечных коллекторов в комбинированных установках теплохладоснабжения для одновременного получения тепла и холода. Существует ряд работ посвященных данной тематике. В тоже время требуются дополнительные исследования параметров гибридных коллекторов и созданных на их основе установок комбинированного теплохладоснабжения, в том числе и по экономической возможности применения.

Цель работы. Исследование показателей комбинированных установок теплоснабжения (получения теплоты разных потенциалов для отопления и горячего водоснабжения) и теплохладоснабжения (одновременного получения тепла и холода), предназначенных для получения тепла и холода с помощью солнечной энергии.

Научная новизна. Предложены зависимости пересчета количества радиации, поглощаемой поверхностью плоского солнечного коллектора, с горизонтальной на наклонную поверхность, с учетом анизотропности диффузной составляющей общей радиации и приведенной поглощающей способности.

Скорректированная на основании работ Валова и Казанджана методика расчета систем солнечного теплоснабжения позволяет уменьшить погрешность определения максимально достижимой удельной экономии приведенных затрат комбинированной установки. Предложена зависимость для определения коэффициента дополнительных капитальных вложений, которая повышает точность определения оптимальных параметров установки комбинированного солнечного теплоснабжения (площадь солнечных коллекторов, объем бака-аккумулятора, расход теплоносителя в гелиоконтуре, площадь теплообменника гелиоконтура, максимально достижимую удельную экономию приведенных затрат), что является необходимым фактором в условиях рыночной экономики.

Составлен прогноз развития и применения комбинированных установок солнечного теплоснабжения для различных регионов России. Установлена экономическая целесообразность применения этих установок по соотношению удельная стоимость топлива/удельная стоимость коллектора для различных типов солнечных коллекторов. Определены теплотехнические и ценовые параметры, которые оказывают существенное влияние на показатели установки и те, влияние которых мало.

Предложены зависимости для определения КПД и количества полезно получаемой теплоты гибридного воздушного коллектора. Автором предложена оригинальная схема комбинированной установки с гибридным коллектором для получения тепла и холода. Установлена экономическая целесообразность применения установки по соотношению удельная стоимость топлива/удельная стоимость гибридного коллектора.

Практическая ценность. Использование установок комбинированного солнечного теплохладоснабжения является одним из способов энергосбережения и не наносит непосредственного ущерба окружающей среде. Представленная методика и полученные результаты работы могут быть использованы проектировщиками и исследователями в качестве вспомогательного материала при расчетах комбинированных систем солнечного теплои (или) хладоснабжения.

Материалы диссертации вошли в отчет о научно-исследовательской работе «Разработка гаммы автономных источников тепла для отопления и горячего водоснабжения аудиторий и объектов образовательной среды» по теме № 1 031 010, -М, 2002.

По материалам диссертации подготовлено учебное пособие «Солнечное теплои хладоснабжение и ветроэнергетические установки», в котором излагаются вопросы использования солнечной радиации и энергии ветра для широкого круга потребителей. Отдельные разделы диссертации использованы в лекционном курсе «Нетрадиционные источники энергии».

Автор защищает:

— предложенную формулу пересчета общего количества солнечной радиации на наклонную поверхность с учетом анизотропного распределения ее диффузной составляющей.

— результаты анализа влияния стоимостных и теплотехнических параметров на основные показатели комбинированных установок солнечного теплоснабжения.

— результаты расчетов максимально возможной удельной экономии годовых приведенных затрат установок комбинированного солнечного теплоснабжения для различных географических регионов России.

— полученные аналитические зависимости и результаты анализа гибридного коллектора и системы комбинированного теплохладоснабжения на основе парокомпрессионного кондиционера.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VII и VIII международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 27−28 2001 г и 28 февраля-1 марта 2002 г.), всероссийской научно-методической конференции «Научные основы федерально-региональной политики в области образования» (г. Владимир, 58 февраля 2002 г.), научно-практической конференции «Энергои ресурсосбережение как фактор социально-экономического развития регионов центрального федеративного округа» (г. Смоленск, декабрь 2003 г.) — опубликованы и представлены на первой всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов «Энергосбережение-теория и практика» (г. Москва, 2002 г.), 1-й международной конференции по энергосбережению (г. Алжир, 25−26 мая 2003 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации были изложены в 10 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, выводов по работе, списка литературы из 83 наименований и приложений.

Заключительные выводы по работе.

1. На основании анализа различных способов получения холода можно предполагать, что перспективными направлениями для целей комбинированного теплохладоснабжения будут решения с использованием гибридного коллектора и теплонасосной установки в области невысоких значений холодильной нагрузки. При высоких нагрузках на охлаждения, на первое место выйдут установки с абсорбционной технологией получения холода.

2. Предлагаемая формула пересчета солнечной радиации на наклонную поверхность (2.9) позволяет более точно определить количество солнечной радиации, падающее на наклонную поверхность, особенно для коллекторов устанавливаемых в крайних положениях (например, вертикальных) для солнечных установок работающих в холодный период года и регионов с высоким отношением диффузной радиации к общей.

помесячно с последующим суммированием по формуле (2.10). 4. Скорректированная методика расчета комбинированных систем солнечного теплоснабжения позволяет с большей достоверностью определять максимально возможную экономию приведенных затрат и.

значения.

помесячно с последующим суммированием по.

определять для данного варианта основные показатели установки: КПД, коэффициент замещения тепловой нагрузки, площадь коллекторов, объем бака-аккумулятора, расход теплоносителя гелиоконтура, площадь поверхности теплообменника гелиоконтура и т. д. Методика может быть реализована программно на ЭВМ, или может использоваться для ручного счета с применением программных продуктов типа Mathcad.

5. Предложенная формула для определения коэффициента дополнительных капитальных вложений (3.26) повышает точность определения оптимального годового экономического эффекта и соответствующих ему параметров установки комбинированного солнечного теплоснабжения в зависимости от соотношения стоимость коллектора топлива /удельная стоимость коллектора на 0.1−25%.

6. Возможность применения систем солнечного теплоснабжения сильно зависит от удельной стоимости топлива (Ориентировочно, при увеличении в 2 раза удельной стоимости топлива оптимальный годовой экономический эффект увеличивается в 2−4 раза при постоянной удельной стоимости коллектора. Порядок увеличения зависит от значения удельной стоимости коллектора). Отмечено, что в районах с континентальным климатом (при равной солнечной инсоляции) годовой экономический эффект меньше или вообще применение комбинированных солнечных систем теплоснабжения нецелесообразно экономически.

7. Показано, что установки комбинированного солнечного теплоснабжения становятся конкурентоспособными при соотношении: удельная стоимость топлива/ удельная стоимость коллектора равному примерно 1.0−1.1 для систем с коллекторами при 20-ем сроке эксплуатации и примерно 1.1−1.3 для систем с коллекторами при 10-ем сроке эксплуатации. Для установок круглогодичного горячего водоснабжения эти значения будут равны: 0.8−0.9 для систем с.

коллекторами при 20-ем сроке эксплуатации и 1.0−1.1 для систем с коллекторами при 10-ем сроке эксплуатации.

8. На основе скорректированной методики расчета определены параметры, которые оказывают существенное влияние на значение оптимального годового экономического эффекта (стоимость топлива, стоимость коллектора, температура горячей воды (ГВС) на выходе, температура прямой и обратной воды в сети отопления и теплоперепад в системе отопления) и те, которые оказывают не существенное воздействие (стоимость электроэнергии, удельная стоимость и коэффициент теплопередачи теплообменника гелиоконтура). Под существенным будем подразумевать влияние, при котором изменение оптимального годового экономического эффекта и соответствующих ему показателей установки составляет менее 10% во всем рассматриваемом диапазоне отношения удельная стоимость топлива /удельная стоимость коллектора (0.5−3.0).

9. На основании расчетов для ряда регионов России составлена карта районирования для отношения удельная стоимость коллектора/ удельная стоимость топлива 1.5. На основании карты можно судить что благоприятными областями будут регионы на юге европейской части России: Краснодарский и Ставропольский край, республики: Дагестан, Осетия, Карачаево-Черкеская, Кабардино-Балкарская. Также высокий годовой экономический эффект (более 2.5 $/ГДж*год) будет в южных районах Ростовской и Астраханской областей, и юге республики Калмыкия, в ряде районов Приморского и Хабаровского краев. С учетом внутрирайонного распределения топлива, к благоприятным областям можно будит отнести некоторый районы в республиках Алтай, Тыва, Бурятия, Читинской области.

10. Предложены расчетные зависимости основанные на тепловом балансе гибридного солнечного коллектора для определения количества полезно получаемого тепла и эксергетического КПД.

гибридного коллектора. Погрешность расчетов по предложенным формулам при сравнении с экспериментальными данными составляет оставляет 4.67−5.7%.

11. Определенные для солнечного гибридного коллектора параметры эффективности: тепловой коэффициент и эксергетический КПД показывают, что энергетическая эффективность гибридного коллектора по ценности получаемых продуктов в 2−3 раза выше, чем для обычного не гибридного (теплового) коллектора. В тоже время тепловой коэффициент гибридного коллектора с учетом условия сопоставимости (одинаковом количестве падающей радиации и температуре теплоносителя у потребителя) ниже, чем у обычного.

12. Предложена комбинированная установка для целей теплохладоснабжения на основе гибридного солнечного коллектора и парокомпрессионного кондиционера. Представлены зависимости определение экономии затрат между предлагаемым и традиционным вариантом.

13. Из анализа результатов экономического анализа видно, что величины нагрузок на охлаждение и теплоснабжения для комбинированной установки с гибридным коллектором оказывают существенное влияние на величину отношения удельная стоимость топлива /удельная стоимость коллектора. Для небольших площадей (10−50 м2) зданий это отношение должно быть порядка 2−3. С ростом нагрузки охлаждения величина этого отношения уменьшается и для зданий с площадью 300−400 м достигает значения 1.3−1.4.