Нетрадиционные варианты хладотеплоснабжения зданий

Р�С. 1. СХЕМА ХЛАДОСНАБЖЕН�Я 1 — СОЛНЕЧНОЕ �ЗЛУЧЕН�Е; 2 — ОТРАЖАЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬ; 3 — �СПАР�ТЕЛЬ; 4 - ВЕНТ�ЛЬ; 5 — КОНДЕНСАТОР; 6 — ТЕПЛО�ЗОЛЯЦ�ОННОЕ ПОКРЫТ�Е; 7 — ВОЗДУХОВОД; 8 — КОТЛОВАН СО ЛЬДОМ; 9,11 — ТЕПЛОВЫЕ ГРАВ�ТАЦ�ОННЫЕ ТРУБЫ; 10 — ХЛАДОМЕТ; 12 — ГРУНТ; 13 — СОЛНЕЧНЫЙ СОЛЯНОЙ ПРУД; 14 — ВОДОПРОВОД Вероятно, наступило осознание того факта, что системы жизнеобеспечения жилья при эксплуатации стационарных энергогенерирующих установок до сих пор базируются в основном на технологиях первой половины прошлого века, на технологиях интенсивного производства средств производства, а их использование кратчайшим путем ведет Россию к истощению энергоресурсов. Никакая административная (структурная) реформа в энергетике, базирующейся на использовании преимущественно органического топлива, не даст кардинального улучшения гарантированного энергообеспечения россиян, т.к. существующие технологии обеспечивают только надлежащее производство огромного количества теплоты и электроэнергии, но не в состоянии надежно и без шокирующих потерь доставить их каждому потребителю, находящемуся на расстоянии всего десятков километров. �спользование, например, для отопления зимой только органического топлива (угля, мазута, газа) сегодня просто недопустимо, т. к. его запасы ограничены, а цена добычи, доставки на место сжигания и утилизации отходов из года в год только возрастает. Необходимо, на наш взгляд, применять новые энергогенерирующие технологии, в которых энергия органического топлива используется как первичное средство, рычаг для извлечения еще большего количества энергии из окружающей нас природной среды, например, воды, земли, а так же «бросовой» низкопотенциальной теплоты промышленных, бытовых стоков и воздуха. �сходя из результатов ведущихся с 1994 г. работ, считаем, что реформы в сфере обеспечения населения теплом должны начинаться с применения новых технологий. Это неизбежно приведет и к декларируемой структурной реформе, и к реальной конкуренции. �стинное энергосбережение становится возможным только при применении нетрадиционных вариантов энергосбережения, в основу которых положено: • изменение принципов, последовательности и ограничение количества технологических переделов, которым подвергается преобразуемая энергия на пути к потребителю; • использование тепловых приводов; • использование перепада температур (как существующего в природе, так и созданного искусственно); • резкое ограничение рассеивания в окружающую среду низкопотенциальной теплоты. Технологические переделы, гарантирующие высокую эффективность преобразования органического топлива, — приоритетное направление в сфере энергосбережения. Наиболее наглядным примером в этой области является технология генерирования солнечной энергии летом в искусственный холод и теплоту, а зимой — в теплоту. При этом используются: летом — разности температур (потенциалов) между двумя искусственно созданными аккумуляторами теплоты и холода, которые можно представить в виде солнечного соляного пруда, расположенного с южной стороны отдельно стоящего здания, и обыкновенного теплоизолированного котлована со льдом, расположенного с северной стороны того же здания; зимой — тепловая энергия остывающего солнечного соляного пруда и талой воды котлована. Эффективность аккумулирования солнечной энергии, а значит, и использование солнечных соляных прудов основывается на том, что температура солнечного пруда, представляющего собой неглубокий (1,5—3 м) водный бассейн с крутым рассолом в нижнем придонном слое, под действием солнечной радиации достигает 100 °С и даже выше. Физической основой возможности получения таких высоких температур вблизи дна пруда является подавление гравитационной конвекции — всплытия нагретой вблизи дна пруда жидкости вверх под действием архимедовой силы, если плотность жидкости падает с ростом температуры. Чистая и слабосоленая (в том числе морская) вода подчиняется этому закону: по мере нагрева из-за термического расширения плотность уменьшается, нагретая вода всплывает вверх, отдавая тепло воздуху, а ее место замещает холодная. Устанавливается непрерывный процесс конвекции. В солнечном пруду такой процесс не происходит, потому что у крутосоленого рассола по мере нагрева плотность повышается из-за роста растворимости соли в воде, и этот эффект пересиливает действие расширения жидкости. Принцип работы системы солнечного хладотеплоснабжения состоит в следующем. Теплота солнечного излучения 1 (рис. 1), аккумулируемая соляным прудом 13, по гравитационной тепловой трубе 11 подается к компрессору (хладомету) 10, где в термодинамическом цикле преобразуется в поток хладагента. Неиспользованная в цикле теплота по тепловой трубе 9 отводится в котлован 8, заполненный льдом, вызывая его таяние. Отражающие поверхности 2 обеспечивают увеличение поступления солнечной энергии в пруд, а теплоизоляционное покрытие 6 предотвращает таяние льда от наружного воздуха. Хладомет предназначен для охлаждения замкнутых объемов посредством циркуляции хладагента по рабочему контуру компрессионной холодильной установки: конденсатор 5 — вентиль 4 — испаритель 3, в котором происходит парообразование низкокипящего рабочего тела — хладагента. Образующийся пар хладагента сжимается в хладомете с повышением температуры (зависит от степени сжатия) и затем поступает в конденсатор, отдавая теплоту в котлован со льдом. Получающийся при этом конденсат подается в вентиль, где его давление понижается, и хладагент поступает в испаритель. Цикл повторяется. В процессе работы температура в помещении понижается, теплота выводится наружу. Грунт 12 так же аккумулирует теплоту. Вода или воздух, поступающие по водопроводу (воздуховоду) 14, нагреваются до 50—80 °С, удовлетворяя потребности в данных видах энергии в течение всего лета, до глубокой осени. Кондиционирование помещений можно осуществлять охлажденным до 5—8 °С воздухом, поступающим из воздуховода 7, расположенного во льду котлована. Теплоснабжение зимой происходит следующим образом (рис. 2). Хладомет 10 обеспечивает обогрев помещений посредством циркуляции хладагента по рабочему контуру теплового насоса: конденсатор 3 — вентиль 4 — испаритель 5. Он работает от энергии сгорания органического топлива, обогревающего укороченную тепловую трубу 11 (конструкция топок-форсунок на рис. 2 не показана), или горячей воды центрального отопления. Неиспользованная в термодинамическом цикле хладомета теплота идет на обогрев. В испарителе за счет талой воды 9 происходит парообразование хладагента, пар далее подогревается от теплоты грунта 12 и рассола пруда 13. Образующийся пар сжимается в хладомете с повышением температуры, затем горячий пар поступает в конденсатор, в котором он отдает теплоту фазового перехода на обогрев помещений. Конденсат хладагента поступает в вентиль, где его давление понижается, а затем — в испаритель. Цикл повторяется. В процессе работы насоса температура воды в котловане понижается, образуется лед (котлован «готовится» к приему тепла летом), а также снижается температура грунта 12 и рассола пруда 13, обеспечивая обогрев помещений аккумулированной солнечной энергий и сбросным теплом гелиохолодильника. Для замедления остывания зимой котлована и пруда они изолированы покрытиями 6 и 2. В условиях длительных зим и для объектов с малым объемом котлована пополнять его теплотой можно за счет отвода «отработавшего» воздуха из здания по воздуховоду 8, «подогревать» поступающий в помещения свежий воздух можно в воздуховоде 7, соединенном с системой вентиляции. Организация проветривания по такой схеме при своевременном удалении конденсата из воздуховода 8 значительно уменьшает как капитальные затраты на сооружение котлована, так и расход топлива, необходимый для приведения в работу хладомета. Обогрев помещений зимой осуществляется тепловым насосом за счет прямого солнечного излучения, поступающего через окна, а также за счет отраженного покрытием 2 солнечного излучения. По данной технологии основной «поставщик» энергии на отопление — это замерзающая вода. Так, при разовом промерзании котлована глубиной 2 м количество выделяемой энергии составляет 668 ТДж кв. км. Если эту энергию фазового перехода равномерно использовать в течение 150 суток на отопление, то установленная мощность «водяной топки» будет равна 51,5 МВт кв. км. Это сопоставимо с плотностью энергии залежей угля в районах его добычи — 30 МВт кв. км. При этом надо учитывать, что к конечному потребителю в виде теплоты «доходит» 1/7—1/10 часть энергии залежей угля, а при использовании энергии воды, возобновляемого источника, по предлагаемой технологии будет «доходить» 7/10—9/10 теплоты фазового перехода. Средняя плотность искусственной энергии, обусловленная хозяйственной деятельностью, равна всего 0,02 МВт кв. км, т. е. в 10 000 раз меньше плотности солнечной энергии (200 МВт кв. км). � только в отдельных местах земного шара этот показатель выше: в Японии — 2 МВт кв. км, в Рурском районе ФРГ — 20 МВт кв. км. Преимущество предлагаемого варианта теплохладоснабжения для высоких географических широт основывается на том, что за счет южной отражающей поверхности здания, направляющей в акваторию солнечного пруда десятки тысяч кВт-ч солнечной энергии, можно обеспечить эффективное самоэнергообеспечение. Отражение солнечной энергии от вертикальной поверхности, ориентированной на юг, летом максимально в высоких широтах, а с продвижением на юг оно уменьшается, и на широтах северный тропик-экватор достигает нуля и даже отрицательного значения. Солнце в это время находится над северным полушарием, отражать лучи будет освещаемая северная сторона. В высоких широтах только за счет оптимальной формы южной ограждающей конструкции здания можно добиться максимального энергообеспечения как в летний период, так и зимой при минимальных площадях пруда и котлована. Запас солнечной энергии на переходный период осень-зима будет обеспечен в безоблачные периоды «бабьего лета» и «бархатного» сезона. Проведенные в КБАЭ «ВоДОмет» расчеты показывают, что удельные капитальные затраты (на 1 кВт установленной мощности) при сооружении системы, работающей летом в режиме гелиохолодильника, а зимой — теплового насоса, в среднем в 2—3 раза выше, чем удельные капитальные затраты, рассчитываемые по принятым методикам для традиционных электроприводных холодильных установок и малых котельных. Однако в методиках почему-то не учитываются соизмеримые удельные капитальные затраты, которые несут другие смежные отрасли и сферы народного хозяйства — дорожные и железнодорожные службы, угольные разрезы и другие поставщики топлива, «обслуживающие» эти ТЭЦ и котельные. Кроме того, мировое сообщество значительно ужесточило требование к эмиссии вредных веществ при сжигании органического топлива, а по оценкам американских ученых, использование в энергетическом секторе технологий и оборудования, способных на 80—90% обеспечить предотвращение эмиссии в атмосферу диоксида углерода и других загрязняющих веществ, повышает издержки производимой на органическом топливе энергии как минимум в 2—3 раза. Рассмотренный вариант системы может эксплуатироваться по всей территории России, вплоть до 60 о северной широты. Высокая надежность генерирования холода и теплоты обеспечивается за счет того, что все элементы работают с высоким моторесурсом, при относительно низких температурах, исключающих применение дорогих и дефицитных сталей и сплавов. Кроме того, системы герметичны, как и их прообразы — традиционные холодильные установки, но в отличие от последних они не нуждаются в высоколиквидной электрической энергии. Предлагаемые альтернативные источники энергоснабжения для любых зданий могут гарантировать бесперебойное энергообеспечение в небольших объемах. Результаты семилетней работы КБАЭ показали, что гарантированный минимум удобной для потребителя энергии — потока воды, теплоносителя, теплоты, искусственного холода, механической и электрической энергии — надо вырабатывать, используя возобновляемые источники энергии за один, максимум 2-3 технологических передела без многократного преобразования на месте потребления, тем более что в качестве преобразователей тепловой энергии в установках и системах используются водометы, хладометы со сверхвысоким КПД термодинамического цикла. На данном этапе, когда механизация процессов связана с преобразованием тепловой энергии, эффективность энергогенерирующих установок и систем прямо зависит от КПД. Чем выше КПД и чем меньше технологических переделов при производстве необходимого вида энергии, тем меньше топлива для выработки одного и того же вида и объема энергии потребуется, в том числе при изготовлении самих установок и систем, тем меньше стоимость конечного вырабатываемого продукта или услуги и наоборот. Если же в качестве первичного источника энергии используются источники возобновляемые, то чем выше КПД преобразования, тем меньше размеры элементов, воспринимающих эту энергию, и следовательно, при изготовлении производители будут нести меньшие затраты. Новое направление в малой энергетике позволяет найти решения по преобразованию тепловой энергии, обеспечивающие высокую эффективность производства дифференцированных видов энергии от возобновляемых источников и на низкосортном органическом топливе. Государственная поддержка развития возобновляемой (альтернативной) энергетики данного типа может быть связана не с увеличением расходов бюджетных средств, а в создании благоприятных условий производителям и потребителям энергии. Льготными условиями могут быть, например, освобождение от налога на землю, используемую для генерации энергии от возобновляемых источников, и находящуюся под зданиями, потребляющими эту экологически чистую энергию, в том числе вне зоны ее производства.