Комбинированное энергоснабжение малоэтажного жилья с использованием возобновляемых источников энергии на территории Ростовской области

УДК 621.311

КОМБИНИРОВАННОЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ МАЛОЭТАЖНОГО ЖИЛЬЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ НА ТЕРРИТОРИИ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

© 2012 г. А.А. Гуммель , В.С. Пузин , Д.В. Батищев , А.Н. Слепченко

ООО СКТБ «Инверсия» "Limited Liability Special Design Bureau «Inversion»

**Южно-Российский государственный "South-Russian State

технический университет Technical University

Выполнена оценка перспектив использования возобновляемых источников энергии в Ростовской области. Предложена конструкция системы энергоснабжения частного хозяйства на территории Ростовской области, позволяющая обеспечить экономию энергоресурсов.

Ключевые слова: ВИЭ; система энергоснабжения; комплексное использование источников энергии.

The given paper evaluates perspectives of using IES in Rostov region. The author proposes the structure of private household supply system on the territory of Rostov region, which helps to provide economical use of energy sources.

Keywords: Inexhaustible Energy Sources (IES); supply system; complex use of energy sources.

Ростовская область является субъектом РФ с преобладанием аграрного сектора экономики и, соответственно, наличия фермерских, крестьянских и других частных хозяйств.

Данным видам хозяйствующих субъектов в силу специфики деятельности свойственно удаление от энергетических коммуникаций. Решение проблемы энергоснабжения традиционно ведется путем присоединения

к центральным системам энергоснабжения и за счет использования автономных топливных электростанций. Однако повышение стоимости нефтепродуктов и цен на традиционные источники энергоресурсов требует использования альтернативных источников энергии, в качестве которых для частных хозяйств перспективно применение таких возобновляемых источников (ВИЭ) [1, 2] как солнце, ветер и биотопливо (таблица).

Характеристики возобновляемых источников энергии

ВИЭ Качественные характеристики Достоинства Недостатки

Солнце 1. Рассредоточенный характер. 2. График поступления энергии носит регулярный характер для рассеянного излучения и случайный для прямого излучения. 3. КПД преобразователей солнечной энергии в электроэнергию низкий. 4. Отсутствует в ночное время 1. Можно преобразовывать в электроэнергию непосредственно у потребителя. 2. Известны периоды для использования 1. Мощность, снимаемая с преобразователя, - случайная величина. Требуется дублирование или завышение его мощности и аккумулирование

Ветер 1. График поступления энергии случайный. 2. Относительно высокий КПД ветроэнергетических установок 1. Существуют предпосылки для снижения стоимости 1. Требуется завышение мощности энергетической установки и аккумулирование

Гидроэнергетика 1. Регулярная и прогнозируемая с высокой точностью. 2. Сосредоточена в месте преобразования 1. Вероятность энергообеспечения высокая. 2. Можно получать большие мощности 1. Требуется транспортировка к рассредоточенным потребителям. 2. Негативное влияние на экологию

Биотопливо 1. Рассредоточено. 2. Является заменой традиционному топливу без дополнительных инфраструктурных затрат 1. Можно экономить ископаемое топливо 1. Требуется сбор и транспортировка биомассы к месту преобразования. 2. Может привести к недостатку продуктов питания

Низкопотенциальная энергия грунта (воздуха) 1. Рассредоточена. 2. Необходим дополнительный источник энергии 1. Возможно преобразование в месте использования. 2. Характер преобразования является систематическим 1. Без внешнего источника преобразователь неработоспособен. 2. Имеются ограничения по району климатического использования

Анализ таблицы позволяет сделать вывод, что наиболее эффективным для энергоснабжения частных хозяйств на территории Ростовской области является использование энергии ветра, солнечного излучения и энергии грунта (воздуха). Гидроэнергетика и энергия биотоплива эффективны для электроснабжения крупных сосредоточенных потребителей.

В работе [3] выполнена оценка перспектив использования ВИЭ в Ростовской области.

Энергия ветра

Для эффективного использования скорость ветра должна быть 4 - 6 м/с и выше. В целом Ростовская область соответствует этим требованиям, однако скорость ветра зависит от конкретного рельефа местности, поэтому на разных участках территории необходимо определять возможность и эффективность использования ветроэлектрогенераторов.

Энергия солнца

Среднее значение интенсивности суммарного солнечного излучения при ясном небе составляет примерно 1000 Вт/м2. Среднедневная сумма солнечной радиации для Ростовской области составляет не менее 4,5 (кВт-ч/м2)/день.

В Ростовской области по результатам многолетних наблюдений в населенных пунктах Цимлянск, Дубовское, Гигант и городе Ростове-на-Дону среднегодовое значение полуденной мощности составляет 832 Вт/м2, что благоприятствует созданию систем преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую энергию.

Тепловая энергия

Территория Ростовской области расположена в климатической зоне со среднегодовой температурой +9,7°С [4], что позволяет эффективно использовать для теплоснабжения тепловые насосы типа «воздух -вода» или «воздух - воздух». Последний тип тепловых насосов имеет наименьшую стоимость и трудоемкость инсталляции за счет отсутствия земляных и буровых работ при монтаже теплового контура, но при этом стоимость их несколько выше (рис. 1) по сравнению с ТН других типов [5].

Цена, евр о

12000

10000 8000 6000 4000 2000 0

Рис. 1. Зависимость средней стоимости ТН от мощности (для различных источников низкопотенциального тепла): 1 - грунт; 2 - вода; 3 - воздух

Для достижения поставленной цели предложена конструкция системы энергоснабжения частного хозяйства [6] на территории Ростовской области (рис. 2).

Система энергоснабжения потребителя на основе комплексного использования классических и возобновляемых источников энергии содержит систему отопления и горячего водоснабжения, включающую систему сбора энергии окружающего воздуха, состоящую из контура циркуляции теплоносителя теплового насоса 16, проходящего по контуру испаритель 22 - конденсатор 20 - циркуляционный насос 21, контура отопления, включающего буферную емкость 15, переключающие клапаны 12, 11, 30, 26, верхний теплообменник 13 емкостного водонагревателя 9, котел отопления 25 с электророзжигом 29, отопительные радиаторы 31 с запорными клапанами 27, конвекторы 32 с запорными клапанами 28; теплоноситель контура отопления циркулирует с помощью насосов 10, 14, систему сбора тепла солнечной энергии, включающую контур циркуляции теплоносителя солнечного коллектора; циркуляция происходит по контуру: солнечный коллектор 17 - нижний теплообменник 24 - емкостный водонагреватель 9 и регулятор контура солнечного коллектора, состоящий из запорного клапана 18 и циркуляционного насоса 23, систему горячего водоснабжения, включающую подвод холодной воды к нижней части емкостного водонагревателя 9, с двумя теплообменниками 13, 24 и электрическим нагревателем 19, и отвод горячей воды из верхней части емкостного водонагревателя 9, систему выработки и распределения электрической энергии, включающую фотоэлектрический модуль 1, ветроэлектрическую станцию 3, соединенные с блоком аккумуляторных батарей 2, через контроллер заряда батареи 4, входящего в блок управления 6 системы выработки и распределения электроэнергии, основными узлами которого являются контроллер заряда батареи 4, микропроцессорный блок управления 5; инверторную установку 7 и автоматический ввод резерва 8.

Процесс работы системы энергоснабжения потребителя на основе комплексного использования классических и возобновляемых источников энергии можно разделить на три этапа.

1. Работа системы выработки и распределения электрической энергии.

2. Работа системы отопления и горячего водоснабжения в отопительный период.

3. Работа системы отопления и горячего водоснабжения в межотопительный период

Первый этап. Работа системы выработки и распределения электрической энергии. Фотоэлектрический модуль 1 преобразует энергию солнечного излучения и через контроллер заряда батареи 4 заряжает блок аккумуляторных батарей 2. Одновременно блок аккумуляторных батарей 2 заряжается от ветроэлектрической станции 3. Микропроцессорный блок управления 5 анализирует состояние заряда блока аккумуляторных батарей 2 и при достаточном уровне подает напряжение постоянного тока на инверторную установку 7, где преобразуется в напряжение 220 В 50 Гц переменного тока и далее через устройство автоматического ввода резерва 8 подается в сеть потребителя, а при снижении уровня заряда блока акку-

6 8 10 12

Мощность, кВт

муляторных батарей 2 ниже минимально допустимого уровня заряда микропроцессорный блок управления 5 подает команду на автоматический ввод резерва 8, и потребитель подключается к питанию от централизованной сети электроэнергии. Микропроцессорный блок управления 5, согласно заложенному алгоритму, контролирует работу всей системы энергоснабжения потребителя на основе комплексного использования классических и возобновляемых источников энергии, подает команды управления клапанами 12, 11, 30, 26, 27, 28, 18 котлам отопления 25 с электророзжигом 29, регулирует работу циркуляционных насосов 21, 10, 14, 23 при переизбытке электроэнергии, а также в случае необходимости догрева теплоносителя емкостного водонагревателя 9 на электрический нагреватель 19 подается электрическая мощность, преобразуемая последним в тепловую.

Второй этап. Работа системы отопления и горячего водоснабжения в отопительный период. Отопительный период характеризуется низкой солнечной активностью, температурой окружающего воздуха ниже 0 °С, в связи с чем система отопления перестраивается таким образом, чтобы повышать температуру внутри помещения. Система отопления и горячего водоснабжения включает следующие контура: контур системы сбора тепла солнечной энергии и контур системы теплового насоса и отопительного котла. Контур системы сбора тепла солнечной энергии описывается следующим образом: теплоноситель передает тепловую энергию солнечной радиации, собранную в трубках солнечного коллектора 17, и с помощью циркуляционного насоса 23 и открытого запорного клапана 18 подается в нижний теплообменник 24 ём-

костного водонагревателя 9, если температура теплоносителя контура сбора тепла солнечной энергии ниже температуры отопления, то циркуляционный насос 23 отключается и запорный клапан 18 переводится в закрытое состояние. Контур системы теплового насоса и отопительного котла проходит через верхний теплообменник 13 емкостного водонагревателя 9, отопительный котел 25, переключающий клапан 30, параллельно включенные отопительные радиаторы 31 с запорными клапанами 27 и конвекторы 32 с запорными клапанами 28, переключающий клапан 26, буферную емкость 15 теплового насоса 16, переключающие клапаны 11, 12, циркуляционный насос 10, верхний теплообменник 13 емкостного водонагревателя 9. Остывший теплоноситель контура с выхода отопительных радиаторов 31 и конвекторов 32 нагревается в буферной емкости 15 теплового насоса 16 и через верхний теплообменник 13 емкостного водонагревателя 9, нагревает воду для горячего водоснабжения. Если температура буферной емкости 15 теплового насоса 16 не может обеспечить догрев теплоносителя системы отопления с выхода радиаторов 31, то дальнейшее использование теплового насоса 16 является не рациональным, и с помощью переключающих клапанов 26 и 11 из контура отключается буферная емкость 15 теплового насоса 16 и прекращается работа циркуляционного насоса 21, дальнейший нагрев теплоносителя обеспечивается отопительным котлом 25. В случае переизбытка уровня заряда блока аккумуляторных батарей 2 включается электрический нагреватель 19 емкостного водонагревателя 9.

Третий этап. Работа системы отопления и горячего водоснабжения в межотопительный период. Для межотопительного периода характерна высокая солнечная активность, высокая температура окружающего воздуха, в связи с чем система отопления перестраивается таким образом, чтобы охлаждать воздух внутри помещения. Переключающие клапана организуют два независимых контура. Первый контур: переключающий клапан 11, циркуляционный насос 10, верхний теплообменник 13, котел отопления 25, переключающий клапан 30, причем котел отопления 25 и циркуляционный насос 10 находятся в выключенном состоянии. Второй контур: буферная емкость 15 с конденсатором 20, переключающий клапан 12, циркуляционный насос 14, конвекторы 32, запорный клапан 28, переключающий клапан 11, буферная емкость 15. Второй контур организует функцию, характерную для тепловых насосов «natural cooling», это особый энергосберегающий метод охлаждения помещений, когда потребляется лишь незначительное количество электроэнергии для работы циркуляционных насосов 21 и 14. Горячее водоснабжение обеспечивается в основном системой сбора тепла солнечной энергии, работа которой описывается следующим образом: теплоноситель передает тепловую энергию солнечной радиации, собранную в трубках солнечного коллектора, и с помощью циркуляционного насоса 23 и открытого запорного клапана 18 подает в нижний теплообменник 24 емкостного водонагревателя 9. В случае больших расходов горячей воды дополнительно с системой сбора тепла солнечной энергии может включаться электрический нагреватель 19, или циркуляционный насос 10 с отопительным котлом 25.

Отдельным вопросом, требующим дальнейшего рассмотрения при этом становится рациональное использование различных источников энергии и эффективное управление комплексной системой энергоснабжения.

Статья подготовлена по результатам работ, полученным в ходе выполнения государственного кон-

Поступила в редакцию

тракта № 16.516.11.6115 от 25 августа 2011 года на выполнение научно-исследовательских работ по теме «Разработка научно-технических решений комплексного использования ВИЭ на базе тепловых насосов, солнечных нагревателей и фотоэлектрических преобразователей для децентрализованного производства и электроэнергии».

Литература

1. Мартиросов С.Н. Разработка метода метода выбора параметров комбинированных ветро-фотоэлектрических энергоустановок для автономного сельского дома : дис. ... канд. техн. наук. М., 2001. 112 с.

2. Воронин С.М. Формирование автономных систем электроснабжения сельскохозяйственных объектов на основе возобновляемых источников энергии : дис. . д-ра техн. наук. Зерноград, 2009. 289 с.

3. Программа энергосбережения и повышения энергетической эффективности в Ростовской области на период до 2020 года [Электронный ресурс]: сайт администрации Ростовской области. Режим доступа: http://www.donland.rU/Data/Sites/1/media/administration/wo rd/kollegia/2010/kolleg_2010_0913_2.doc (дата обращения 16. 04. 2012).

4. СНИП 23-01-99. Строительная климатология.

5. Разработка научно-технических решений комплексного использования ВИЭ на базе тепловых насосов, солнечных нагревателей и фотоэлектрических преобразователей для децентрализованного производства тепла и электроэнергии. Этап 2: Теоретические исследования основ создания комплексных систем снабжения электричеством и теплом потребителя на основе использования ВИЭ и создание макета системы снабжения электричеством и теплом потребителя на основе комплексного использования ВИЭ / ООО СКТБ «Инверсия» / П.Г. Колпахчьян (рук.), А.А. Гуммель, А.Н. Слепченко [и др.]. Ростов-н/Д., 2011. 116 с

6. Заявка № 2012120399 от 17.05.2012г «Система энергоснабжения потребителя на основе комплексного использования классических и возобновляемых источников энергии» / А.А. Гуммель, А.Н. Слепченко [и др.].

2 июля 2012 г.

Гуммель Андрей Артурович - ведущий инженер, Общество с ограниченной ответственностью специальное конструкторское бюро «Инверсия». Тел. 8(8635)25-16-84. E-mail: gummel@rambler.ru

Пузин Владимир Сергеевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электрические и электронные аппараты». Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-16-84. E-mail: vspuzin@gmail.com

Батищев Денис Владимирович - канд. техн. наук, инженер, Общество с ограниченной ответственностью специальное конструкторское бюро «Инверсия». Тел. 8(8635)25-16-84. E-mail: skifden@mail.ru Слепченко Андрей Николаевич - аспирант, кафедра «Электрические и электронные аппараты», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-16-84. E-mail: Androo86@mail.ru

Gummel Andrey Arturovich - Senior Engineer, Limited Liability Special Design Bureau «Inversion». Ph. 8(8635)25-16-84. E-mail: gummel@rambler.ru

Puzin Vladimir Sergeevich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electric and electronic devices», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)25-16-84. E-mail: vspuzin@gmail.com

Batichev Denis Vladimirovich - Engineer, Limited Liability Special Design Bureau «Inversion». Ph. 8 (8635) 25-16-84. E-mail: skifden@mail.ru

Slepchenko Andrey Nikolaevich - post-graduate student, department «Electric and electronic devices», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)25-16-84. E-mail: Androo86@mail.ru