Осадчий Г.Б., инженер
Мировое сообщество постепенно меняет вектор развития энергетики — увеличивая объемы капвложений на стороне потребителей энергии при снижении инвестиций на стороне поставщиков энергии, за счет более распределенной генерации при сокращении потребления электроэнергии.
В России же централизованная система теплоснабжения обеспечивает теплом и горячей водой более 70 % хозяйств, и общая длина теплосетей составляет около 1,8 млн км. При сроке эксплуатации ТЭЦ — 40 лет, здания и сооружения могут служить до 100 лет и более. Для улучшения инфраструктуры централизованного теплоснабжения к 2020 г. потребуется 70 млрд $ (сейчас потери тепла в сетях от 20 до 70 %).
Согласно оценке IEA, годовое потребление электроэнергии среднего холодильника составляет от 432 до 872 кВт∙ч. Это приводит к тому, что в супермаркетах, доля потребления электроэнергии холодильниками в общем объеме энергопотребления составляет 50 %.
Как видно из этих цифр увеличение объемов капвложений на стороне потребителей энергии имеет достаточные основания.
К предложениям по развитию генерации энергии на стороне потребителей можно отнести технологию (систему) [1] описанную ниже.
Холодильное торговое оборудование работает в летнее время с большими перегрузками и перерасходом электроэнергии. Для создания приемлемых условий для персонала, покупателей и холодильного оборудования нужно удалять излишки теплоты из помещений. А это можно сделать либо принудительной вентиляцией (если темпертура наружного воздуха ниже 20 – 25 ⁰С), либо кондиционированием помещений, что увеличивает расход электроэнергии, особенно когда на улице жарко.
Для помещений, расположенных на первых этажах многоэтажных жилых домов или в пристройках к этим домам, предлагается установка холодо(тепло)снабжения с использованием солнечной энергии (рисунок 1).
Летом при выработке холода отводимая из помещений теплота передается санитарно-бытовым стокам, покидающим многоэтажные здания. Зимой установка работает в режиме теплоприводного теплового насоса (ТНТП) и обеспечивает обогрев помещений, за счет рекуперации теплоты канализационных стоков.
Вакуумные трубчатые коллектора 1 (6 – 8 шт.) обеспечивают аккумулирование солнечного излучения 2. Преобразователь солнечной энергии (двигатель Стирлинга с компрессором, хладомёт) 3 обеспечивает циркуляцию потока хладагента по контуру охлаждения. Радиатор 4 служит для отвода неиспользованной в рабочих циклах хладомёта 3 теплоты к конвектору 6, расположенному с северной стороны здания и рассеивающему эту теплоту в окружающее пространство. Испаритель 5, обеспечивает изъятие теплоты из помещения. Конденсатор 7, отдает теплоту конденсации стокам, проходящим по канализационной трубе 8. Трубы 10 и 11, соединяют радиатор 4 с конвектором 6. Аккумулятором 12 энергии стоков является влажная засыпка, охватывающая канализационную трубу 8.
1 – вакуумный трубчатый коллектор; 2 – солнечное излучение; 3 – хладомёт (двигатель Стирлинга с компрессором); 4 – радиатор компрессора (хладомёта); 5 – испаритель гелиохолодильника; 6, 14 – конвекторы; 7 – конденсатор гелиохолодильника; 8 – канализационная труба (стоки); 9 – дроссель; 10 – труба спускная; 11 – труба подъемная; 12 – аккумулятор теплоты (засыпка); 13 – патрубок подвода горячих газов; 15, 16 – регуляторы потока жидкости, охлаждающей радиатор
Работа установки в режиме выработки холода в принципе известна и состоит в следующем: в испарителе 5 испаряется хладагент за счет тепла, забираемого из воздуха помещения. Образующийся в испарителе 5 пар хладагента сжимается в хладомете 3 с повышением температуры и поступает в конденсатор 7, где конденсируется, отдавая теплоту стокам, протекающим по канализационной трубе 8. Образующийся при этом конденсат направляется в дроссель 9, в котором происходит снижение его давления, после чего он поступает в испаритель 5, и цикл повторяется. В процессе работы установки температура в помещении снижается, а стоки нагреваются.
Аккумулирование теплоты (холода) стоков влажной засыпкой 12 обеспечивает более равномерную работу установки.
Теплоотдача конвектора 6 в окружающее пространство равна количеству теплоты, не использованной в термодинамическом цикле хладомёта, отводимой через радиатор 4. Охлаждающая жидкость (масло) циркулирует по конвектору 6 благодаря разности плотностей масла в трубах 10 и 11, определяемой разностью температур в них масла.
Кроме того, эта же установка в зимнее время может обеспечивать теплоснабжение торговых помещений, в которые через открываемые входные двери поступает много уличного холодного воздуха. Особенно актуально использования солнечной энергии по предлагаемой технологии для холодотеплоснабжения в южных регионах России — Кубани, Приморье, Северном Кавказе, Иркутской области, где даже зимой инсоляция может обеспечить работу установки.
Для работы установки в режиме ТНТП, в хладомёте 3, посредством клапанной крышки изменяется направление движения хладагента, на противоположное. Изменения направления обозначены пунктирными стрелками на рисунке 3.9. Испаритель 5 становится конденсатором ТНТП: при конденсации в нем хладагента отводимое тепло обогревает помещение.
Конденсатор 7 становится испарителем ТНТП: необходимая для кипения хладагента теплота отбирается от стоков.
Регуляторы потока 15 и 16 переключаются таким образом, что конвектор 6 отключается от радиатора 4, а дополнительный конвектор 14 соединяется с ним, обеспечивая поступление в помещение дополнительной теплоты, не использованной в термодинамическом цикле ТНТП. В режиме ТНТП компрессор может работать от солнечной энергии или горячих газов, подводимых к патрубку 13, а при необходимости и от горячего теплоносителя — воды системы отопления.
Аккумулирование теплоты стоков в аккумуляторе 12 обеспечивает более равномерную работу ТНТП в течение суток. Рекуперация теплоты стоков на выходе из здания наиболее эффективна, так как здесь они имеют наивысшую температуру, а значит, работает ТНТП с наибольшей отдачей.
В установке используют стоки, потому что жильцы многоквартирных домов зимой пользуются более теплой водой (чем летом). Летом стоки обычно холоднее наружного воздуха, а зимой намного теплее. Кроме того, вода обладает наивысшей теплоемкостью (удельная теплоемкость 1 м3 воздуха равна примерно 1,3 кДж/⁰С, а 1 м3 воды — 4,19 МДж/⁰С).
В отличие от традиционного использования солнечной энергии для обогрева предлагаемая технология позволяет для достижения такого же теплопоступления применять солнечный приемник (вакуумный трубчатый коллектор) меньших размеров (до 2,5 раз). А поскольку при солнечном теплоснабжении коллектора являются наиболее дорогой и громоздкой частью, то снижаются капвложения, текущие расходы и себестоимость теплоты.
Так как даже для южных регионов России теплоснабжение зимой гораздо важнее холодоснабжения летом, определим потенциальные «запасы» теплоты, уносимой зимой со стоками. Холодная вода, поступающая в здание зимой с температурой 2 – 8 ⁰С, стекает в канализацию во время интенсивного водоразбора с температурой 20 – 30 ⁰С и выше, так как она нагревается в трубопроводах, бачках, водяных затворов, во время различных бытовых нужд и при смешивании с горячей водой. При ежесуточном сливе всего 1 м3 первоначально холодной воды тепловые потери из здания за отопительный период составляют до 20 ГДж.
Следовательно, при ежесуточном прохождении через жилое здание со 100 жителями, 30 м3 холодной воды (300 л на человека) на её нагрев в различных помещениях расходуется за отопительный период порядка 627 ГДж теплоты. Для производства такого количества теплоты сжигается до 50 т угля, что составляет 10 – 15 % от количества топлива, используемого на отопление такого здания. Потери тепловой энергии со стоками характерны не только для жилых, но и для производственных и административных зданий, а также для вокзалов, ресторанов, столовых и т.п.
В традиционных установках кондиционирования; для обогрева и охлаждения помещений с весны по осень используются электроприводные установки, что предопределяет, аналогично электроприводным теплонасосным станциям, постоянную работу в дотационном режиме, т.к. приобретение кондиционеров обходится в десятки-сотни тысяч рублей, и их эксплуатация связана с огромным расходом электроэнергии. Так на выработку 3,6 МДж холода расходуется около 0,5 кВт∙ч электроэнергии.
Массовое применение предлагаемых установок в местах наибольшей температуры «бросовой» энергии стоков позволит на 5 – 10 ⁰С снизить их температуру, т.е. приблизить её к температуре поступающей холодной воды. Только это может обеспечить экономию топлива более 10 %. Рекуперация энергии по предлагаемой технологии исключает загрязнение окружающей среды.
Особенно актуально использование солнечной энергии зимой на Дальнем Востоке, так как там в этот период года поступление солнечной энергии составляет до 88 %, возможного.
Использование солнечной энергии аккумулированной вакуумными трубчатыми коллекторами для генерации других видов энергии [2, 3, 4] представлено на рисунке 2
Рисунок 2 – Блок-схема использования солнечной энергии, аккумулированной в вакуумных трубчатых коллекторах
К неоспоримым преимуществам использования солнечной энергии установкой относится то, что она в случае временного снижения инсоляции может параллельно работать и от традиционных энергоносителей, за счет подвода горячих газов к патрубку 13. Для резервирования не требуются традиционные электроприводные холодильные установки или котельные установки равновеликой мощности. А ведь резервирование по каждому направлению почти всегда удваивает капвложения. Для предлагаемой установки резервирование сводится к размещению на ней форсунок-топок открытого (свободного) горения, для чего нужны минимальные средства.
Применение установки наиболее оправдано для помещений с низкой теплоизолирующей эффективностью ограждающих конструкций, в торговых залах с интенсивным воздухообменом или постоянным поступлением тепла летом и холода зимой — гостиницах, вокзалах и т.д.
Список литературы
1 Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ). Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.
2 Осадчий Г.Б. Гелиохолодильник — источник холода и тепла для средней полосы России // Промышленная энергетика. 1997. № 7. С. 37 – 40.
3 Осадчий Г.Б. Гелионасос для установки по выработке холода // Энергетик. 1997. № 3. С. 12 – 14.
4 Осадчий Г.Б. Солнечная энергоустановка // Электрические станции. 1997. № 1. С. 44 – 46.
Автор: Осадчий Геннадий Борисович, инженер, автор 140 изобретений СССР
Тел дом. (3812)60-50-84, моб. 8(962)0434819, E-mail: genboosad@mail.ru
Для писем: 644053, Омск-53, ул. Магистральная, 60, кв.17.
