Абсорбционные тепловые насосы в системах комплексного энергоснабжения обособленных объектов от возобновляемых источников энергии

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

«НАУКА. ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ», №4, 2013

удк 621.1.016 Н. И. Стоянов [N. I. Stoyanov], А. Г. Стоянов [A. G. Stoyanov]

абсорбционные тепловые насосы в системах комплексного энергоснабжения обособленных объектов от возобновляемых источников

энергии

Absorption thermal compressors in the systems of complex power supply of separate objects from the renewable sources of energy

В статье дан анализ энергоэффективности абсорбционных тепловых насосов в системах комплексного энергоснабжения обособленных объектов от возобновляемых источников энергии, выполнена технико-экономическая оценка эффективности использования солнечной энергии.

Ключевые слова: абсорбционные тепловые насосы; возобновляемые источники энергии; комплексное энергоснабжение обособленных объектов

The analysis of energy effect absorption thermal compressors in the systems of complex power supply of separate objects from the renewable sources of energy and the feasibility study was performed efficient use of solar energy.

Key word: absorption thermal compressor; renewable sources of energy; integrated power supply of individual objects.

Возможности использования экологически чистой повсеместно доступной возобновляемой энергии привлекают все большее внимание. В соответствии с прогнозами уже в течение ближайших 15-20 лет возобновляемые источники энергии (геотермальная энергия, солнечная энергия, энергия ветра и биомассы) должны занять заметное место в мировом энергетическом балансе, обеспечивая замещение истощающихся запасов органического топлива и экологическое оздоровление окружающей среды.

Основным отличием установок возобновляемой энергетики от традиционных является отсутствие в процессе эксплуатации энергетических затрат на топливо, что существенно снижает эксплуатационные затраты.

Основными статьями затрат при создании и эксплуатации таких установок являются затраты на производство оборудования и строительство зданий и сооружений. Причем для установок небольшой мощности, строительство каких либо зданий и топливопроводов часто не требуется, поэтому данная статья расходов присутствует не всегда.

Альтернативная энергетика начала интенсивно развиваться после энергетического кризиса 1973 г. За рубежом накоплен за это время значительный опыт использования возобновляемых источников энергии. Ведущими странами в этой области являются США, Япония, Германия, Франция, Великобритания, Австралия. Причем наблюдаются высокие темпы роста внедрения систем использования альтернативных источников энергии. По прогнозам американских специалистов доля возобновляемых источников энергии в энергобалансе США может возрасти в XXI веке до 20 % [1, 2].

Стратегическими целями использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива являются:

— сокращение потребления невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов;

— снижение экологической нагрузки от деятельности топливно-энергетического комплекса;

— обеспечение децентрализованных потребителей и регионов с дальним и сезонным завозом топлива;

— снижение расходов на дальнепривозное топливо [3].

В ряде стран Европы перспективным представляется использование тепловых насосов. Созданные в Германии, Франции, Италии, Швеции, Великобритании, Румынии и др. комбинированные теплонасос-ные системы уже нашли применение для теплоснабжения жилых и общественных зданий [4, 5].

Также широко используются комбинированные системы теплоснабжения, сочетающие традиционные и возобновляемые источники энергии [6-8].

Однако в летнее время использование энергии возобновляемых источников энергии осуществляется только в целях горячего водоснабжения и потенциал установок недоиспользуется. При использовании абсорбционных теплонасосных установок появляется возможность использовать это тепло для систем кондиционирования в летнее время.

Использование петротермальной энергии для тепло-холодоснабжения. Разработан способ использования петротермальной энергии с глубин до 3 000 м [14, 16, 17]. Техническим результатом разработанного способа является снижение себестоимости тепло-холодоснабжения.

Указанный технический результат достигается за счет того, что охлажденный теплоноситель подается в скважину, а нагретый - передает тепло потребителю при помощи абсорбционного теплового насоса. Тепло у потребителя в теплый период используется для нужд холодоснабжения.

Скважина предназначается для круглогодичного использования: в холодный период - на производственные нужды и коммунально-бытовые (отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение); в теплый период - на производственные нужды, коммунально-бытовые (горячее водоснабжение) и холодоснабжение.

Комплексное использование петротермальной энергии. Разработаны 2 способа комплексного использования геотермальной энергии для удаленных и обособленных объектов. Техническим результатом является снижение себестоимости тепло-холо-доснабжения за счет гибкого режима выработки тепловой энергии, холода и электрической энергии [14].

1. Указанный технический результат достигается за счет того, что охлажденный теплоноситель подается в скважину, а нагретый - передает тепло потребителю при помощи абсорбционного теплового насоса. Тепло скважины в теплый период используется для выработки холода для нужд холодоснабжения. При снижении или отсутствии нагрузок на системы тепло-холодоснабжения осуществляется выработка электрической энергии при помощи турбогенератора, работающего на паре хладагента (низкокипящего теплоносителя), получаемого в генераторе абсорбционного теплового насоса.

Охлажденную скважинную воду подают в скважину. Вода нагревается в скважине и подается в генератор абсорбционного теплового насоса, а затем используется для догрева водопроводной воды в сис-

теме горячего водоснабжения, предварительно подогретой в абсорбере. Для нужд теплоснабжения в холодный период скважинная вода после подогревателя системы горячего водоснабжения подается в испаритель теплового насоса, а из него обратно в скважину, а нагрев теплоносителя для системы отопления осуществляется в испарителе.

Для нужд теплоснабжения в теплый период скважинная вода после подогревателя системы горячего водоснабжения используется у потребителя, а затем подается в конденсатор теплового насоса, а из него обратно в скважину, а охлаждение теплоносителя для системы холодоснабжения осуществляется в испарителе.

При отсутствии или сокращении нагрузки на системы тепло- холо-доснабжения осуществляется выработка электрической энергии электрогенератором паровой турбины на низкокипящем теплоносителе (хладагенте).

Применение теплового насоса позволяет увеличить теплоотдачу скважины за счет понижения температуры обратной воды, закачиваемой в скважину, а применение именно абсорбционного теплового насоса позволяет осуществлять использование теплоты за счет тепла скважины, т. е. без затрат электроэнергии, как в парокомпрессорном тепловом насосе.

2. Указанный технический результат достигается за счет того, что охлажденный теплоноситель подается в скважину, а нагретый передает тепло потребителю при помощи пароэжекторного теплового насоса. Тепло скважины в теплый период используется для выработки холода для нужд холодоснабжения. При снижении или отсутствии нагрузок на системы тепло- холодоснабжения осуществляется выработка электрической энергии при помощи турбогенератора, работающего на паре хладагента (низкокипящего теплоносителя), получаемого в генераторе пароэжекторного теплового насоса. Преимущества фреоновых пароэжекторных тепловых насосов перед пароводяными: отсутствие вакуума в испарителе при достаточно низких температурах; малое значение потерь на трение и на удар в пароструйном эжекторе из-за низких скоростей; работа машины при меньших отношениях давления конденсации и испарения.

Охлажденную скважинную воду подают в скважину. Вода нагревается в скважине и подается в генератор пароэжекторного теплового насоса, а затем используется в системе теплоснабжения после нагрева теплоносителя для системы отопления и горячего водоснабжения в конденсаторе.

Для нужд теплоснабжения в теплый период скважинная вода после генератора пароэжекторного теплового насоса используется у потребителя на нужды теплоснабжения, а затем подается обратно в скважину, а охлаждение теплоносителя для системы холодоснабжения осуществляется в испарителе.

При отсутствии или сокращении нагрузки на системы тепло-холо-доснабжения осуществляется выработка электрической энергии электрогенератором паровой турбины на низкокипящем теплоносителе (хладагенте).

Комплексное использование солнечной энергии.

Для комплексного энергоснабжения обособленных объектов предлагается плоский гибридный солнечный коллектор POWER-THERM M 180/750 с балансом мощности (электроэнергия/тепло) 1:3. Эти солнечные коллекторы предназначены для одновременного производства электричества и горячей воды. Эффективность традиционного фотоэлектрического модуля снижается с ростом температуры. В гибридных коллекторах тепло поглощается для нагрева горячей воды и температура коллектора понижается. За счет постоянного охлаждения, выработка электрической энергии дополнительно увеличивается до 50 % [15].

Разработана принципиальная схема комплексного энергоснабжения обособленных объектов от солнечного коллектора (выработка электрической энергии, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха в летний период) и выполнена технико-экономическая оценка эффективности использования солнечной энергии.

Отличительной особенностью схемы является применение абсорбционного теплового насоса (АБТН), с помощью которого обеспечивается:

— использование получаемой от солнечного коллектора тепловой энергии для кондиционирования помещений в летний период;

— аккумулирование тепловой энергии при суточной неравномерности поступления и использования тепла по разработанному авторами способу;

предварительный подогрев холодной воды для системы горячего водоснабжения.

В случае избыточно вырабатываемой электрической энергии и недостатка тепла, электрическая энергия направляется на нагрев воды в подогреватель горячей воды (бивалентная система с дополнительным электрическим нагревателем), что позволяет осуществлять гибкий режим регулирования. АБТН (см. рисунок) позволяет аккумулировать холод путем накопления хладагента в конденсаторе, что также позволяет сглаживать неравномерность графиков поступления солнечной энергии и ее использования (высокая степень неравномерности потребления горячей воды и электропотребления по часам суток).

Тепло Qак, получаемое при избыточно вырабатываемой электрической энергии или за счет избыточно вырабатываемой тепловой энергии при низком потреблении тепла на нужды теплоснабжения, подается в контур генератора Кп. В генераторе тепло передается в водоаммиачный раствор или в водный раствор бромистого лития, в зависимости от вида бинарного раствора АБТН, десорбируя из него аммиак (бромистый литий), который осушается в сухопарнике С и поступает в конденсатор Кд. В конденсаторе накапливается жидкий аммиак (бромистый литий) за счет отвода тепла Qк водой от системы горячего водоснабжения.

При недостатке тепловой нагрузки, жидкий аммиак (бромистый литий) с помощью насоса Н подается в абсорбер Аб, куда подается и слабый раствор аммиака (бромистого лития) через дроссель РВ2. В теплоисполь-зующей части абсорбера происходит испарение аммиака (бромистого лития) и его экзотермическая абсорбция в абсорбере Аб, а тепло Qаб передается в теплосеть. Полученный крепкий раствор насосом Н вновь подается в генератор Кп. При необходимости получения холода Qо жидкий аммиак (бромистый литий) подается из конденсатора через дроссельно-регулиру-ющий вентиль РВ1 в испаритель И. А образующиеся при испарении пары хладагента поглощаются абсорбентом в абсорбере Аб. Полученный крепкий раствор насосом Н вновь подается в генератор Кп, т. е. АБТН может работать в режиме холодильной машины.

Для увеличения аккумулирующей способности, конденсатор АБТН может быть снабжен аккумулирующим баком.

При мощности когенерационной установки в 2 МВт и коэффициенте часовой неравномерности потребления электрической энергии и теп-

Оо V

Рис. Способ аккумулирования энергии абсорбционным тепловым насосом.

ловой энергии до 30 %, АБТН может иметь следующие характеристики.

Технические характеристики АБТН (скрытая теплота конденсации аммиака при 30 оС равна 1145,5 кДж/кг; плотность - 595 кг/м3; давление насыщения - 1,167 МПа):

- тепловая мощность генератора - 2 х 0,3 = 0,6 МВт;

- тепловая мощность теплообменника «слабый - крепкий» раствор - 0,2 МВт;

- тепловая мощность конденсатора аммиака - 0,6 + 0,2 = 0.8 МВт;

- тепловая мощность охладителя раствора в абсорбере -0,8 + 0,2 = 1,0 МВт.

Объем хранилища сконденсированного аммиака - 800 х 3600/(1145,5x595) = 4,2 м3, при работе - зарядка 1 час.

Для сравнения эффективности, при применении водяного аккумулятора (емкостной водяной подогреватель воды) в режиме нагрева 10/70 оС, он будет иметь аккумулирующую емкость - 800 х 3600/((70-10) х 4,2 х 1000) = 11,4 м3, (где - 4,2 кДж/(кг К) - удельная теплоемкость воды; 1000 кг/м3 - плотность воды).

мире являются фирмы Японии («Hitachi», «Sanyo» и др.), США («Carrier», «Tran», «York» и др.), а в последние годы к ним добавились фирмы Китая.

Около 70 % всех АБТН за рубежом выпускаются с топкой на газовом или жидком топливе. Это объясняется высокой экономичностью и автономностью таких АБТН, что существенно расширяет область их применения, сокращает затраты на монтаж и эксплуатацию систем хладо- и теплоснабжения. АБТН с топкой может выполнять две функции: в летнее время работать как холодильная машина, а в холодное время года - как водогрейный котел.

Обсуждение результатов.

Технико-экономическая оценка эффективности использования солнечной энергии определена для г. Ставрополя (географическая широта местности 45о) по методике [9].

Угол наклона коллектора

поверхности коллектора.

Среднемесячное суточное поступление суммарной солнечной энергии, МДж/(м2 день):

Практика применения АБТН.

Настоящее время основными производителями АБТН в

ß = ф - 10 = 35°,

где ф - географическая широта местности.

Оптимальная ориентация - Ю, т. е. у = 0, где у - азимут

дср = £/

где Ер - среднемесячное суточное поступление суммарной сол-

нечной радиации, МДж/(м2 день), на горизонтальную поверхность;

Ед - среднемесячное суточное поступление суммарной диффузной солнечной радиации, МДж/(м2 день), на горизонтальную поверхность;

Яср - отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации, поступающих на наклонную и горизонтальную поверхности;

Яп - коэффициент пересчета прямого излучения с горизонтальной на наклонную поверхность;

ЧсР - удельная среднемесячная теплопроизводительность коллектора, кВт/м2.

Результаты расчетов показателей даны в таблице.

Годовой теплосъем () = ЪЕп = 5536 МДж/(м2 год), где п -количество дней в месяце года. Экономия топлива - 189 кг у. т./(м2год). Выработка электрической энергии коллектором POWERTHERM М 180/750 с балансом мощности (электроэнергия/тепло) 1 : 3 - 6606 кВт ч/(м2 год) (см. табл.).

Экономия за счет снижения расхода газообразного топлива (на один модуль 100 м2, при тарифе на топливо - 5,8 тыс. руб / тыс. м3) - 90 тыс. руб./год; экономия за счет выработки электроэнергии (на один модуль 100 м2, при тарифе на электроэнергию - 3,16 руб / кВтхч) - 2 087 тыс. руб./год; итого - 2177 тыс. руб / год.

Максимальную мощность при температуре наружного воздуха 20 оС можно принять дтЕК= 550 Вт/м2. Технические характеристики модуля, площадью 100 м2: максимальная тепловая мощность - 55 кВт; максимальная электрическая мощность - 15 кВт; среднесуточная тепловая мощность летняя (май - сентябрь) - 28,7 кВт; среднесуточная тепловая мощность зимняя (октябрь - апрель) - 5,2 кВт.

Варианты использования:

среднемесячное суточное поступление суммарной е и диффузной ед солнечной РАДИАЦИИ, МДЖ/(М2 день) на горизонтальную поверхность

СР

2 I

Месяц года I II III IV V VI

Еср, МДжДм2 день) 3,78 5,96 10,93 16,82 21,73 24,45

Ед, МДж/(м2 день) 2,7 3,87 5,94 7,64 8,5 8,48

2,76 2,07 151 1,11 0,89 0,8

Rср 1,29889 1,23308 1,191470 1,10361 1,036623 1,01516

Е, МДж/(м2 день) 4,909805 7,349157 13,02277 18,56272 22,52582 24,82066

qср, кВт/м2 0.056826 0.08506 0.150726 0,214846 0,260715 0,287276

а) летний режим

Кондиционирование воздуха

(За счет тепловой энергии). Исходя из среднего потребления холода для кондиционирования офисных помещений 44 Вт/м2 [10], возможно кондиционирование помещений площадью 390 м2 при коэффициенте использования теплоты в АБТН равном 0,6 [11-13].

Горячее водоснабжение

(За счет тепловой энергии + избыток вырабатываемой электрической энергии). Исходя из нормы потребления горячей воды для офисных помещений 20 л/(сут. чел.), средней площади помещения на 1 чел. - 5 м2, температурного режима горячего водоснабжения 60/15 оС -требуемая тепловая мощность на подогрев горячей воды 3,5 кВт. (Возможно суточное аккумулирование энергии при использовании абсорбционного теплового насоса). Требуемая мощность теплового насоса 50 кВт.

VII VIII IX X XI XII

23,08 20,65 15,57 9,18 4,17 3,24

7,83 6,61 5,42 4,59 2,64 2,29

0,84 1,01 1,33 1,86 2,55 3,02

1,047285 1,178039 1,359706 1,43 1,44202 1,395452

24,17135 24,32651 21,17062 13,1274 6,013225 4,521263

0,279761 0,281557 0,24503 0,151938 0,069598 0,052329

б) зимний режим

Горячее водоснабжение

(За счет тепловой энергии + избыток вырабатываемой электрической энергии). Исходя из норм потребления горячей воды и температурного режима горячего водоснабжения 60/5 оС - требуемая тепловая мощность на подогрев горячей воды 4,2 кВт.

При ориентировочных капитальных затратах на 100 м2 панелей 10,9 млн руб. (по данным ООО «Сфинкс-9», г. Ставрополь, по объекту Агропромышленный комплекс «Старомарьевский»: фотоэлектрические панели - 460 000 руб/кВт; тепловой коллектор для системы горячего водоснабжения - 100 000 руб./кВт; тепловой насос системы отопления -70 000 руб/кВт), срок окупаемости затрат составит 5 лет.

Таким образом, при выполнении вышеописанных мероприятий:

— решается задача комплексного использования тепловой энергии как в зимний, так и в летний период, без допол-

нительного использования электрической энергии на привод теплового насоса; — срок окупаемости затрат при использовании солнечной энергии является приемлемым для внедрения. Сроки окупаемости при использовании петротермальной энергии более продолжительные и, на данный момент, не являются конкурентоспособными [18].

Однако для этого требуется программа государственной поддержки проектов использования возобновляемых источников энергии.

ЛИТЕРАТУРА 1. Андерсон Б. Солнечная энергия: Основы строительного проектирования / пер. с англ. А. Р. Анисимова; под ред. Ю. Н. Малевского. М.: Стройиздат, 1982. 375 с.

2. Перминов Э. М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: состояние и перспективы освоения // Энергетическое строительство. 1993. № 12. С. 9-15.

3. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года. Утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации от 28 августа 2003 г. № 1234-р.

4. Плешка М. С., Вырлан П. М., Стратан Ф. И., Булкин С. Г. Тепло-насосные гелиосистемы отопления и горячего водоснабжения зданий / под ред Ф. И. Стратана. Кишинев: Штиинца, 1990. 122 с.

5. Хаванов П. А. Современное состояние коммунальной энергетики // Современные системы теплогазоснабжения и вентиляции: Сб. тр. / Моск. гос. строит, ун-т. М.: МГСУ, 2003. С. 19-22.

6. Сотникова К. Н. Комбинированные системы теплоснабжения, сочетающие традиционные и возобновляемые источники энергии. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Воронеж, 2009. 20 с.

7. Шишкин Н. Д. Комбинированное и эффективное использование источников тепловой энергии в автономных теплоэнергетических комплексах (включая возобновляемые источники). Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Астрахань, 2004. 40 с.

8. Бегдай С. Н. Повышение тепловой эффективности одноэтажных зданий с гелиоколлектором. Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Волгоград, 2008. 20 с.

9. Внутренние санитарно-технические устройства / под ред. И. Г. Староверова и Ю. И. Шиллера. В 3 частях. Часть 1 Отопление. М.: Стройиздат. 1990.

10. Ананьев В. А., Балуева Л. Н., Гальперин А. Д. и др. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика. Уч. пособие. М.: «Евроклимат», издательство «Арина», 2000. 416 с.

11. Попов А. В. Анализ эффективности различных типов тепловых насосов. Журнал «Проблемы энергосбережения». № 1-2, 2005.

12. Горшков В. Г. Тепловые насосы. Аналитический обзор. Справочник промышленного оборудования. № 2, 2004. 80 с.

13. Бабакин Б. С., Суслов А. Э, Фатыхов Ю. А., Эрлихман В. Н. Теп-лонасосные установки в отраслях агропромышленного комплекса: учебник. 1-е изд. Санкт-Петербург: ООО Издательство «Лань», 2014. 336 с.

14. Стоянов Н. И., Гэйвандов И. А., Гэйбатов Р. А. и др. Теоретические основы и технологии извлечения и использования глубинного пет-ротермального тепла для комплексного энергоснабжения удаленных и обособленных потребителей: монография. Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2013. 149 с.

15. Стоянов Н. И., Воронин А. И., Стоянов А. Г., Шагров А. В. Оценка потенциала комплексного энергоснабжения обособленных объектов от солнечного коллектора // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (153). Научно-технический центр «ТАТА», 2014. С. 12-16.

16. Патент № 2358209, Бюл. №16, 2009. Способ использования геотермального тепла. Стоянов Н. И., Гейвандов И. А., Воронин А. И. Патентообладатель ГОУ ВПО «СевКавГТУ».

17. Стоянов Н. И., Воронин А. И., Гэйбатов Р. А. Комплексное использование петротермальной энергии с помощью абсорбционных тепловых насосов // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. Ставрополь: СКФУ, №4 (37), 2013. С. 47-51.

18. Стоянов Н. И., Гэйвандов И. А., Воронин А. И. и др. Технология извлечения и использования геотермальной энергии для систем теп-ло-холодоснабжения // Отчет о научно-исследовательской работе по государственному контракту от 22 июня 2007 г. № 02.516.11.6059 Депонир. во ВНИЦ N ГР 01910021861. Инв. N 02910028347, 2008.

ОБ АВТОРАх Стоянов Николай Иванович, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», заведующий кафедрой теплоснабжение и экспертизы недвижимости, доктор технических наук, доцент. Телефон (8652) 956811. E-mail: cnjzyjd1949@mail.ry.

Стоянов Арсений Геннадьевич, студент ФГАОУ ВПО «СевероКавказский федеральный университет». Телефон (8652) 564016.

Stoyanov Nikolai Ivanovich, FGAOU VPO «North Caucasian Federal University», Head of heat and real estate expertise, Doctor of Technical Sciences, associate professor. Telephone (8652) 956811. E-mail: cnjzyjd1949@mail.ry.

Stoyanov Arseny Gennadjevich, student FGAOU VPO «North Caucasian Federal University».