Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 222.

Вариант автономного теплохладоснабжения

После повышения цен на сырую нефть подорожало и жидкое топливо, используемое для крышных котельных автономных систем теплоснабжения. Затем возросли цены на природный газ. В результате ухудшилось теплоснабжение жилых и производственных комплексов. Решить данную энергетическую проблему можно с помощью угольной отрасли как источника стабильного и относительно дешевого теплоснабжения, которое в России значительно по объемам и составляет 35 – 40% общего количества энергозатрат (затраты в жилищно-коммунальной сфере достигают 50% от общего количества вырабатываемого тепла).

Однако за последние годы мировое сообщество значительно ужесточило требования к эмиссии вредных веществ при сжигании органического топлива. А, по оценкам американских ученых, использование в энергетическом секторе технологий и оборудования, способных на 80 – 95% обеспечить предотвращение эмиссии в атмосферу диоксида углерода и других загрязняющих веществ, повышает издержки производимой на органическом топливе энергии как минимум в 2 – 3 раза. Получается замкнутый круг.



Соль и вода – источник энергии

Выйти из создавшегося положения, по мнению автора, можно путем организации систем самоэнергообеспечения различных объектов за счет использования возобновляемых источников энергии: солнечного излучения, существующего в природе градиента температур и т. д. Самоэнергообеспечение зданий с применением возобновляемых источников решает две основные задачи: уменьшает зависимость энергопотребителей стационарных объектов от топлива и предоставляет возможность машиностроительному комплексу России осваивать высокие технологии малой энергетики.

Поскольку для энергогенерирующего оборудования стационарных объектов приоритетными показателями являются не массогабаритные характеристики, а надежность и независимость от цены и поставок органического топлива, то для них предлагается оригинальная система теплохладоснабжения, работающая за счет использования разности температур между двумя искусственно созданными аккумуляторами теплоты и холода, которыми служат солнечный соляной пруд и обыкновенный теплоизолированный котлован со льдом и водой.



Принцип работы системы

Эффективность аккумулирования солнечной энергии, а значит, и использования солнечных соляных прудов, – основывается на том, что температура 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 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 подчиняются 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.

С учетом особенностей российского климата центром системы комплексного использования возобновляемых источников может быть здание с расположенной на его южной стороне ограждающей конструкции, отражающей солнечную энергию в пруд. В то же время здание затеняет теплоизолированный котлован со льдом, находящийся с северной стороны. Система самоэнергообеспечения комплектуется в зависимости от потребности базовыми модулями: гелиохолодильником, тепловым насосом, водопроводом и воздуховодом, гелиоэлектростанцией.

Обеспечение летом малых объектов холодом и теплом осуществляется следующим образом. Комплекс среднетемпературного хладоснабжения работает от солнечной энергии, запасенной солнечным соляным прудом. Гидродинамический солнечный соляной пруд – это не только аккумулятор, но и мощнейший концентратор солнечной энергии. Плотность потока тепловой энергии в пруду (при известной инерционности и технологии использования энтальпии) в 100 тыс. раз выше солнечной постоянной (1300 Вт/м2). Высокая концентрация низкопотенциальной тепловой энергии в пруду обеспечивается за счет уникального свойства воды – исключительно высокой плотности аккумулирования тепловой энергии – 0,2 МДж/кг. Для сравнения: электрическая плотность энергии свинцового аккумулятора составляет 0,1 МДж/кг, а плотность механической энергии гидравлической системы использования потенциальной энергии воды – 0,001 МДж/кг. Теплота из пруда по гравитационной тепловой трубе подается хладомету (компрессору), где в термодинамическом цикле преобразуется в энергию потока хладагента. Неиспользованная в цикле теплота по трубе отводится в котлован, заполненный льдом, вызывая его таяние. Отражающая поверхность и щит обеспечивают увеличение поступления солнечной энергии в пруд, а теплоизоляционное покрытие исключает таяние льда от наружного воздуха.

Хладомет предназначен для охлаждения замкнутых объемов посредством циркуляции хладагента по рабочему контуру компрессионной холодильной установки: конденсатор-вентиль-испаритель. В испарителе за счет теплоты помещений и находящихся там предметов, продуктов, людей происходит парообразование низкокипящего рабочего тела – хладагента. Образующийся пар хладагента сжимается с повышением температуры (зависящей от степени сжатия) и затем поступает в конденсатор, в котором он конденсируется, отдавая теплоту в котлован со льдом. Получающийся при этом конденсат подается в вентиль, в котором его давление понижается, после чего хладагент поступает в испаритель, и цикл повторяется. В процессе работы температура в помещении понижается, теплота выводится наружу.

За счет размещения конденсатора во льду (талой воде) температура его составляет не больше 10°С, что значительно ниже, чем у традиционных электроприводных холодильников, т. е. расход энергии на сжатие хлад­агента в хладомете несравненно меньше. Кроме того, первая ступень хладомета – водомет – обладает сверхвысоким КПД.



Теплоснабжение зимой

При аккумулировании солнечной энергии придонным рассолом пруда прогревается и грунт. При этом образуется существенный запас теплоты (петрогео-термальный ресурс) – гарантия бесперебойного энергообеспечения в пасмурные дни. Это достигается за счет того, что изолирующий слой воды солнечного пруда обладает сверхвысоким термическим сопротивлением, препятствующим остыванию водоема. Термическое сопротивление изолирующего слоя воды составляет 1,7 м2-КВт-1, в то время как сопротивление хорошего типичного плоского пластинчатого солнечного приемника – 0,4 м2-КВт-1. Термическое сопротивление изолирующего слоя воды в 1000 раз выше аналогичного показателя слоя пресной воды при наличии свободной конвекции (0,0018 м2-К-Вт-1). Если по дну пруда проложить водопровод, то с апреля по октябрь не будет проблем с отоплением и горячей водой, а если это будет воздуховод, то потребители будут обеспечены горячим воздухом для сушки кирпича-сырца, лесопиломатериалов, лекарственных трав, продуктов питания и т. д. А если через котлован проложить воздуховод и по нему подавать охлажденный воздух в помещения, то можно решить проблему кондиционирования в знойный период. При прохождении воздуха в воздуховоде для охлаждения помещений вода конденсируется, что особенно важно для засушливых регионов. Кроме того, котлован с талой водой и пруд – это дополнительно еще и противопожарные водоемы.
Теплоснабжение зимой происходит следующим образом. Хладомет, обеспечивающий обогрев помещений посредством циркуляции хладагента по рабочему контуру теплового насоса (испаритель-вентиль-конденсатор), работает от энергии сгорания органического топлива, обогревающего укороченную тепловую трубу, или от горячей воды центрального отопления. Неиспользованная в термодинамическом цикле хладомета теплота также идет на обогрев. В испарителе за счет талой воды, а также теплоты грунта и рассола пруда происходит парообразование хладагента. Образующийся в испарителе пар сжимается в хладомете с повышением температуры, затем горячий пар поступает в конденсатор, в котором он отдает теплоту фазового перехода на обогрев помещений. Конденсат направляют в вентиль, в котором его давление понижается, после чего он поступает в испаритель, и цикл повторяется. В процессе работы насоса температура воды в котловане понижается, образуется лед (котлован «готовится» к приему теплоты летом), а также снижается температура грунта и рассола пруда, обеспечивая обогрев помещений аккумулированной солнечной энергией и сбросным теплом гелиохолодильника. Для замедления остывания зимой пруд изолируется от наружного воздуха специальным покрытием. Для длительных сибирских зим и объектов с малыми объемами котлованов пополнять пруд теплотой можно за счет отвода «отработанного» воздуха из здания по воздуховоду. Организация проветривания по такой схеме при своевременном удалении конденсата воды из воздуховода значительно уменьшает капитальные затраты на сооружение котлована.

Обогрев помещений зимой осуществляется тепловым насосом благодаря поступлению через окна прямого солнечного излучения, а также благодаря отраженному солнечному излучению, когда отражающая поверхность свободна от снега. Теплоизоляционное покрытие за счет прямого и отраженного излучения от стен здания и теплоты, поступающей из пруда, не будет заснежено до крепких морозов, а в конце зимы снег сойдет с него намного раньше, чем в других открытых местах.

Актуальна такая зимняя концентрация солнечной энергии на Кубани, Северном Кавказе и особенно на Дальнем Востоке, так как там зимой процент поступления солнечной радиации наибольший (до 88%). Кроме того, щит, опущенный вниз, вместе с воздушной прослойкой между ним и стеной уменьшает теплопотери здания.



Как эффективно использовать солнечную энергию?

Эффективность такого комплексного использования солнечной энергии в средней полосе России (даже без учета отраженного солнечного излучения) выше, чем у других известных гелиотехнологий. Это происходит за счет того, что летом хладомет работает от энергии солнечного пруда при охлаждении его радиатора льдом, обеспечивая наивысшую для данной географической широты разность рабочих температур и увеличение КПД преобразования на 25 – 30%. Одновременно достигается эффективное аккумулирование котлованом солнечной энергии (до 80% от аккумулированной прудом при КПД хладомета 20%) и сбросного тепла гелиохолодильника.

В известных технологиях не использованная в термодинамических циклах теплота с дополнительными затратами энергии (до 20% мощности системы) и оборудования (градирен) принудительно рассеивается в окружающую среду. Новая же технология позволяет, вырабатывая холод котлована, запасать тепло, и, вырабатывая запасенное тепло, аккумулировать холод. Таким образом, не нужны промежуточное оборудование и дополнительные аккумуляторы.

В северных районах России ежегодный объем заготовки природного льда для нужд холодильной промышленности достигает 15 – 20 млн тонн. Лед получают способом тонкослойного намораживания. За сутки образуется слой толщиной до 3 см. К недостаткам этого способа относятся высокая трудоемкость и малая эффективность процесса отбора холода. Работа хладомета теплового насоса в описанной схеме обеспечивается за счет сжигания газа или другого топлива. Полного отказа от органического топлива можно добиться при освоении технологии аккумулирования солнечной энергии, пригодной по своим параметрам для привода в работу хладомета или за счет ветроэнергетики.

Периодическая работа котлована летом в качестве источника холода, а зимой – теплоты имеет неоспоримые преимущества по всей России. При замораживании котлована зимой тепловыми насосами расширяется зона эффективного использования солнечной энергии и в южных регионах (Кубань, Приморье), где при средней температуре января +1…-10°С невозможно без несоизмеримых затрат сделать необходимые запасы льда для летней работы, так и в северных, где при температуре в январе -25…-35° энергия замерзающей воды теплоизолированного котлована – это, пожалуй, единственный вид энергии извне, пригодный по своим параметрам (температуре, теплоте фазового перехода) и объемам для обогрева тепловым насосом.

К факторам, влияющим на формирование режима теплосбора (теплоотдачи) грунта, находящегося под котлованом, относятся: наличие грунтовых вод, их скоростной и тепловой режимы, структура и расположение слоев грунта, тепловой фон Земли, атмосферные осадки, фазовые превращения влаги в поровых пространствах. Также значительны запасы теплоты в грунте и пруде.

Однако основной «поставщик» энергии на отопление – это замерзающая вода. Так, при разовом промерзании котлована глубиной 2 м количество выделяемой энергии составляет 668 ТДж/км2. Если эту энергию фазового перехода равномерно использовать в течение 150 суток на отопление, то установленная мощность «водяной топки» будет равна 51,5 МВт/км2. Это сопоставимо с плотностью энергии залежей угля в районах его добычи – 30 МВт/км2. 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 по предлагаемой технологии будет «доходить» 7/10 – 9/10 теплоты фазового перехода. Средняя плотность искусственной энергии, обусловленная хозяйственной деятельностью, равна всего 0,02 МВт/км2, т. е. она в 10 раз меньше плотности солнечной энергии (200 МВт/км2). И только в отдельных местах земного шара этот показатель выше: в Японии – 2 МВт/км2, в Рурском районе Германии – 20 МВт/км2.

Преимущество предлагаемого варианта теплохладоснабжения 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, 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.

Использование солнечных прудов малых площадей с концентрацией энергии от стен и окон здания для российских просторов является оптимальным. В настоящее время пруды промышленной энергетики (площадью от 10 тыс. м2 до 0,75 км2) низких широт имеют КПД примерно 25%, т.е. из каждых 100 Дж энергии прямого и рассеянного солнечного излучения, поступающего на единицу площади пруда, 75 Дж рассеивается в окружающую среду. При эффективном коэффициенте поглощения солнечной энергии придонным слоем 0,7 и коэффициенте пропускания солнечной энергии изолирующим слоем воды, находящимся над придонным слоем, 0,7 рассолом придонного слоя будет аккумулироваться примерно 50 Дж энергии, из которых 25 Дж теряется из-за теплопроводности через изолирующий слой воды и грунт – и только 25 Дж используются для преобразования.

Если же за счет прямого, рассеянного и отраженного солнечного излучения в высоких широтах на единицу площади пруда будут поступать уже 200 Дж солнечной энергии (коэффициент концентрации 2,0), из которых в первом приближении 100 Дж не «доходят» до придонного слоя за счет поглощения им солнечной энергии и 25 Дж теряются из-за теплопотерь через изолирующий слой воды и грунт, то использоваться для преобразования будет уже 75 Дж, что в 3 раза больше, чем в предыдущем варианте, так как КПД пруда увеличивается до 37,5% – т. е. становится в 1,5 раза выше, чем при поступлении только прямого и рассеянного излучения. Это с избытком компенсирует более низкую инсоляцию весной и осенью в средней полосе России.

Следовательно, 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.

Указанные особенности позволяют «снимать» с каждого квадратного метра солнечного соляного пруда за летний период 170 кВт-ч среднетемпературного холода или около 500 кВт-ч теплоты в виде горячей воды или воздуха, или около 60 кВт- ч электроэнергии (при этом для выработки 1 кВт-ч генераторами на базе ДВС требуется 0,4 – 0,45 л бензина). Количество теплоты, выделяющееся при замерзании 1 тонны воды, эквивалентно количеству теплоты, выделяющемуся при сжигании 18 кг нефтепродуктов.

Изложенное показывает, что в сферу ответственности малого и нетрадиционного энергетического строительства России могут быть включены и малые жилые и производственные комплексы.

Систему, помимо всего прочего, можно использовать: летом – для охлаждения скоропортящихся продуктов отеплившихся в пути, организуя на автодорогах стоянки машин в боксах-холодильниках; зимой – для обогрева целых автопоездов с переохлажденными продуктами.

Комплексное использование солнечной энергии может стать также стимулом к созданию локальной архитектуры самоэнергообеспечения различных регионов, вокруг которых начнут формироваться экономически рентабельные, экологически чистые районы и поселения с современными учреждениями лечения и отдыха, с развитым придорожным сервисом и остановочными пунктами, с традиционным сельскохозяйственным производством и местной промышленностью.

Инженер Геннадий ОСАДЧИЙ

В 223 выпуске: Небесная энергия Новикова