Оценка перспектив использования энергии ветра для теплоснабжения посёлка Териберка

А.В.Бежан, В.А.Минин

ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ПОСЁЛКА ТЕРИБЕРКА*

Аннотация

Предложена система теплоснабжения, включающая в себя котельную установку, ветроэнергетическую установку (ВЭУ) и тепловой аккумулятор (ТА). На примере посёлка Териберка, расположенного на побережье Баренцева моря, выполнена оценка возможного участия комплекса «ВЭУ + ТА» в теплоснабжении потребителей. Представлены результаты,

свидетельствующие о повышении энергоэффективности местных систем теплоснабжения за счёт применения ВЭУ.

Ключевые слова:

теплоснабжение, котельная, ветроэнергетическая установка, посёлок Териберка. A.V.Bezhan, V.A.Minin

ASSESSMENT OF THE PROSPECTS OF USING WIND ENERGY FOR HEATING TERIBERKA

Abstract

Proposed heating system, which includes the boiler plant, wind turbines (WT) and heat storage (HS). On the example of Teriberka, located on the coast of the Barents Sea, the estimate of possible participation of "WT + HS" in the heat supply to consumers. Results indicating an increase of local energy supply systems through the use of WT.

Keywords:

heat supply, boiler room, wind turbine, the village of Teriberka.

В последние годы в связи с ростом цен на топливо всё актуальнее становится решение задач, направленных на энергосбережение и повышение энергоэффективности работы традиционных источников энергии. Одним из путей решения данных задач является вовлечение в топливно-энергетический баланс новых видов энергии. К числу таковых относятся нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (НВИЭ).

Основные причины, подталкивающие к развитию и освоению новых источников энергии - удалённость потребителей, ветхое состояние действующих теплоэнергетических объектов, тепловых и электрических сетей. Сюда следует добавить трудности с транспортировкой и доставкой топлива и, как следствие рост тарифов.

В районах с повышенным потенциалом ветровой энергии в качестве дополнительного источника энергии имеется возможность использования ветроэнергетических установок (ВЭУ), в том числе и на цели теплоснабжения. К числу таких районов относится Мурманская обл. На её территории имеется множество труднодоступных и изолированных потребителей, расположенных в прибрежной части Кольского п-ова (небольшие населённые пункты,

* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11-08-00506).

пограничные заставы, маяки, рыболовецкие хозяйства и т.п.), испытывающие трудности с теплоснабжением.

Одним из таких удалённых прибрежных потребителей является пос.Териберка. Посёлок расположен на побережье Баренцева моря, в 120 км к востоку от Мурманска, в зоне с потенциалом ветра, характеризующимся среднегодовой скоростью ветра 7 м/с. Расчётная температура наружного воздуха наиболее холодной пятидневки -21 С [2]. Теплоснабжение посёлка осуществляется от котельной суммарной установленной мощностью около 2 Гкал/ч (2.32 МВт), работающей на мазуте. Продолжительность отопительного сезона 9-10 месяцев. Изменения температуры наружного воздуха в течение отопительного сезона характеризуются графиком (рис.1) продолжительности стояния одинаковой среднесуточной температуры. Как видно из рисунка, наибольшая продолжительность стояния относится к температуре 0°С, а длительность отопительного сезона составляет 10 месяцев.

45 40

0! 35

’% 30 25

0

1 15

= Ю

5

о

8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -22

Температура наружного воздуха, °С

Рис.1. Продолжительность стояния одинаковой среднесуточной температуры наружного воздуха за отопительный сезон 2010 г. в пос.Териберка

На рис.2 представлена обобщённая схема рассматриваемой системы теплоснабжения, в состав которой входят здание (потребитель тепловой энергии), котельная и ВЭУ (соответственно основной и дополнительный источники тепловой энергии), водяной тепловой аккумулятор (ёмкость для накопления и хранения тепловой энергии), разделитель и смеситель (дополнительное, вспомогательное оборудование), элеватор (устройство для понижения температуры горячей воды и создания требуемого гидравлического напора в системе отопления).

При выполнении расчётов, демонстрирующих возможности участия ВЭУ в теплоснабжении потребителей, были приняты некоторые допущения. В частности, не учитываются тепловые потери через стенки ТА и потери электроэнергии при её передаче от ВЭУ до потребителя.

В качестве исходных расчётных данных использовались среднесуточные значения скорости ветра и наружной температуры воздуха за период с 1 января по 31 декабря 2010 г. и температурный график качественного регулирования отопительной нагрузки (рис.3).

39

Г

15

12

12

---И—

18 18 15

13

14

10

Д-н

Максимальная расчётная рабочая температура теплоносителя (воды) для ТА принималась равной 95-99 С. Такая температура воды соответствует полной зарядке аккумулятора, не допускает закипания воды и разрушения аккумулятора.

Рис.2. Обобщённая структурная схема системы теплоснабжения с участием комплекса «ВЭУ + ТА» (параллельное соединение ВЭУ и ТА).

Цифры 1, 2 и 3 означают, что теплоноситель циркулирует соответственно по подающему трубопроводу тепловой сети, а также по обратному и подающему трубопроводам системы отопления

В ходе выполненного исследования были рассмотрены следующие варианты теплоснабжения потребителя.

1. Теплоснабжение потребителя только от котельной (без применения ВЭУ и теплового аккумулятора).

При наличии разности температур между внутренним и наружным воздухом в отапливаемых зданиях постоянно происходят потери тепла через ограждающие конструкции. Котельная восполняет эти потери, поддерживая в помещениях температуру, определяемую санитарными нормами и правилами (СНИП) [2].

В этом случае работу системы теплоснабжения можно описать так (рис.2): сначала вода по подающему трубопроводу тепловой сети поступает в количестве у и с температурой Т1 от котельной в элеватор, там она смешивается с водой, поступающей по обратному трубопроводу системы отопления в количестве и с температурой Т2 . Из элеватора вода идёт

в здание в количестве У3 при температуре Т3 , там остывает, компенсируя

потери тепла, и выходит по обратному трубопроводу с параметрами У3 и Т2 . Потом часть воды идёт в элеватор (как уже говорилось), а другая часть поступает в котельную в количестве У1 при температуре Т2 . Котельная компенсирует недостающую часть тепла, необходимую для нагрева обратной воды тепловой сети до расчётной температуры Тх . Затем система отопления повторяет свою работу.

150 140 ¡р 130

к 120

н 110

о юо о

Ч 90

Е

о

н 80 сз

й 70

160 с 50

9 4-1-6 -11 -16 -21

Температура наружного воздуха, °С

Рис. 3. Температурный график качественного регулирования тепловой нагрузки котельной в пос.Териберка

Согласно температурному графику качественного регулирования тепловой нагрузки (рис.3), разность расчётных температур воды в подающем и

обратном трубопроводах тепловой сети (Т _ Т2 ) будет изменяться в зависимости от температуры наружного воздуха так, как показано на рис.4а. Из рисунка видно, что наибольшие значения температуры воды достигаются в зимнее время, когда интенсивность ветра и температура наружного воздуха достигают максимальных отметок. Весной и осенью отопительная нагрузка уменьшается, соответственно, снижается и расчётная температура воды. В летние месяцы необходимость в работе котельной сведена к минимуму, а в жаркие дни и в маловетренную погоду вовсе отпадает.

2. Теплоснабжение от котельной с участием ВЭУ без применения ТА.

Для иллюстрации рассматриваемого варианта теплоснабжения обратимся к рис.4б, на котором показано возможное участие ВЭУ в покрытии графика отопительной нагрузки. Как видно из рисунка, в моменты времени, когда мощности ВЭУ достаточно для покрытия отопительной нагрузки, ВЭУ может полностью, или частично обеспечить потребность в тепле (рис.4б, область белого цвета).

Расчёты показали, что годовой суммарный энергетический эффект от применения ВЭУ в покрытии отопительной нагрузки выразился в уменьшении доли участия котельной на 64 %.

3. Теплоснабжение от котельной с участием комплекса «ВЭУ + ТА».

Применение теплового аккумулятора направлено на повышение эффекта от использования ВЭУ. В периоды сильных ветров, когда ВЭУ не только полностью покрывает график отопительной нагрузки, но и создаёт избыток энергии, возникает возможность запасать эту избыточную энергию в ТА в виде горячей воды (рис.5, промежутки возрастания температуры воды). В периоды холодной маловетренной погоды, когда мощности ВЭУ не хватает, в работу вступает ТА и дополняет работу ВЭУ. В этом случае ТА находится в состоянии разрядки (рис.5, периоды снижения температуры воды). В случае если ни ВЭУ, ни ТА не могут обеспечить всю потребность в тепловой энергии, то нагрузка частично или полностью ложится на котельную (рис.4в, область серого цвета).

Расчётным путём установлено, что использование ТА позволило обеспечить снижение нагрузки котельной и дополнительную экономию органического топлива ещё на 6%. Таким образом, годовой суммарный энергетический эффект от применения ВЭУ составил 70%.

4. Теплоснабжение только от ВЭУ и ТА, когда котельная по какой-то причине отключается (авария, отсутствие топлива, повреждения тепловой сети и т.п.).

В этом случае внутренняя температура воздуха в здании непостоянна и тепловой баланс здания можно записать в виде:

ПдСрзд ^ = А^ВЭУ - Vк.V (Тв - Тн),

где дКздк.(Тв - Тн) - теплопотери здания через наружные ограждения; Срд -общая теплоемкость здания (включающая в себя стены, перекрытия, начинку здания, воздух и др.), Вт-ч/м3-град; к. - коэффициент, учитывающий

увеличение теплопотерь от ветра [3].

Из общего объёма здания на стены и перекрытия приходится 20%, а оставшиеся 80% - это воздух внутри здания.

В результате получаем:

Узд

где Срвозд = 0.36 Вт-ч/м3-град - теплоёмкость воздуха; д=0.58 Вт/м3-град -

тепловая характеристика здания.

Решение уравнения (1), даёт зависимость, определяющую изменение внутренней температуры воздуха:

Т _ А^взу + в ЧКдК

ехр

ч (0.8-Срвозд + 0.2- Срстена) у

• (Т - Т -

вн

А0вэу) + Тн

дУ3А н

Все выкладки проведём из расчёта на 1 м3 отапливаемого здания.

Рис.

4. Годовой график изменения разности температур воды Т1 - Т2 :

а - без применения ВЭУ и теплового аккумулятора; б - без применения теплового аккумулятора; в - с участием комплекса «ВЭУ + ТА». Области белого и серого цвета - вклад ВЭУ и котельной соответственно в покрытие отопительной нагрузки

Исходные данные приняты следующие: внутренние и наружные стены выполнены из шунгизитобетонных блоков (теплоёмкость Сртена = с™6 =

і

325 Вт-ч/м3-град). Внутренняя температура воздуха в начальный момент времени принималась равной Тв =20° С.

Расчёты были проведены для трёх вариантов: в первом - наружная температура воздуха равнялась 0°С, во втором - -10С и в третьем - -20°С.

Рис.5. Динамика изменения температуры воды в тепловом аккумуляторе: промежутки возрастания, убывания и горизонтальные - зарядка, разрядка и режим ожидания аккумулятора соответственно

Результаты расчётов представлены в графическом виде на рис.6. Из него видно, что в зависимости от скорости ветра возможна разная динамика изменения внутренней температуры воздуха. Кривые 1, 2, 3, 4 и 5 построены в предположении, что среднесуточная скорость ветра сохранялась неизменной и составляла соответственно 0, 5, 10, 15 и 20 м/с. Видно, что при малых скоростях ветра (рис.6, кривые 1 и 2) мощности ВЭУ не хватает для поддержания в здании нужной комфортной температуры внутреннего воздуха. Так, при скорости 5 м/с и температуре наружного воздуха Тн = 0°С внутренняя температура воздуха через 18 ч опустилась бы до 18 ° С - нижней границы температуры внутреннего воздуха в жилых зданиях, определяемой санитарными нормами, при Тн = -10С это произошло бы через 9 ч и при Тн = -20°С - через 6 ч. При отсутствии ВЭУ (Л0ВЭУ = 0) снижение внутренней температуры воздуха будет иметь ещё более чётко выраженный убывающий характер (рис.6, кривые 1).

При более высоких скоростях ветра ВЭУ способна полностью обеспечить потребность в тепле и поддержать комфортный температурный режим жилого здания на уровне 18-20°С. Этот режим может быть даже превышен при температурах наружного воздуха, близких к 0°С (рис.6а, б, кривые 3, 4, 5).

Кривые 4 и 5 (рис.6) соответствуют одной и той же мощности ВЭУ 300 кВт, но в одном случае скорость ветра 15 м/с, а в другом 20 м/с. За счёт увеличения теплопотерь здания от более сильного ветра температура внутреннего воздуха Тв (кривая 5) в первом случае оказывается ниже, чем в другом случае (кривая 4).

Рис.6. Изменение внутренней температуры воздуха в помещении при отключении котельной и теплоснабжении только от ВЭУ: а - при Тн = 0°С, б - при Тн = -10°С, в - при Тн = -20°С. Кривые 1-5 соответствуют среднесуточной скорости ветра 0, 5, 10, 15, 20 м/с и мощности ВЭУ 0, 50, 240, 300 и 300 кВт

Выводы

1. В районах со среднегодовой скоростью ветра 7 м/с применение ВЭУ в системах теплоснабжения способствует вытеснению на котельной 60-70% дорогостоящего органического топлива.

2. За счёт применения аккумуляторов тепла появляется возможность обеспечить дополнительную экономию топлива в размере 5-10 %.

3. В условиях побережья Кольского п-ова применение комплекса «ВЭУ + ТА» для целей теплоснабжения может рассматриваться как топливосберегающая технология.

Литература

1. СНиП 23-01-99*. Строительная климатология. М.: ФГУП ЦІ III. 2006. 70 с.

2. СНиП 41-01-2003. Отопление. вентиляция и кондиционирование. М.: ГУП ЦПП Госстроя России. 2004. 64 с.

3. Использование энергии ветра в районах Севера / В.В.Зубарев. В. А.Минин. И.Р.Степанов. Л.: Наука. 1989. 208 с.

Сведения об авторах

Бежан Алексей Владимирович,

младший научный сотрудник лаборатории энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН Россия. 184209. Мурманская область. г. Апатиты. мкр. Академгородок. д. 21А Эл. почта: veskela@rambler.ru

Минин Валерий Андреевич,

заведующий лабораторией энергосбережения и возобновляемых источников энергии Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН. к.т.н.

Россия. 184209. Мурманская область. г. Апатиты. мкр. Академгородок. д. 21А Эл. почта: minin@ien.kolasc.net.ru

УДК 620.9.004.18 О.Е.Коновалова

ОПЫТ РЕАЛИЗАЦИИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ В МНОГОКВАРТИРНОМ ЖИЛОМ ДОМЕ Г. АПАТИТЫ

Аннотация

Приведен перечень энергосберегающих мероприятий, произведенных в жилом доме г. Апатиты по ул. Ферсмана, 4. Дан анализ энергопотребления и экономии энергии в этом доме. Приведены удельные показатели и индикаторы энергопотребления дома в сравнении с нормативными, утвержденными для Мурманской области. Выявлены дальнейшие пути энергосбережения.

Ключевые слова:

энергосберегающие мероприятия, энергопотребление, энергосбережение.

O.E.Konovalova

EXPERIENCE OF IMPLEMENTING ENERGY CONSERVATION MEASURES IN MULTIFAMILY RESIDENTIAL BUILDING IN APATITY

Abstract

Is a list of energy-saving measures made in a building the city of Apatity on the Fersman street. An analysis of energy consumption and energy saving in this house. Shows the specific indicators and indicators of energy consumption at home compared with regulations approved for the Murmansk region.

Keywords:

energy-saving measures, energy consumption, energy saving.