Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Чемеков Вячеслав Викторович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ АВТОНОМНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОГО ДОМА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.14.08 - энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2012

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ)

Научный руководитель:                доктор технических наук, профессор

Харченко Валерий Владимирович

Официальные оппоненты:                Виссарионов Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор,

МЭИ (ТУ), кафедраанетрадиционных и возобновляемых источников энергии, профессор кафедры

Сокольский Александр Константинович

кандидат технических наук, доцент,

Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), кафедра гидравлики, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова, Лаборатория возобновляемых источников энергии.

Защита состоится л    2012 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 006.037.01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) по адресу: 109456, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2.

C диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВИЭСХ.

Автореферат разослан л___ _______________ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета                                                        А.И. Некрасов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Использование экологически чистых возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для южных регионов становится особенно актуальным, так как одним из важнейших направлений является развитие курортного комплекса в условиях природоохранных зон. В Краснодарском крае исторически сложилось так, что большая часть строящегося жилья (порядка 70%) это малоэтажная индивидуальная застройка. Так, например, в 2006 г. в крае построили и ввели в эксплуатацию 1 млн 800 тыс. м2 индивидуального малоэтажного жилья, в 2007 г. Ч 2 млн 597 тыс. м2. В городах и районах края выделено около двухсот участков общей площадью 3300 га, которые будут до 2015 г. комплексно застраиваться жильем, в том числе 630 га малоэтажным.

В настоящее время Краснодарский край является энергодефицитным регионом. Несмотря на то, что мощность Сочинской ТЭЦ увеличена до 160 МВт (в 2008 г. введена в эксплуатацию вторая очередь строительства), а Краснодарской ТЭЦ до 744 МВт (в 2011 г. увеличена на 410 МВт), собственные генерирующие мощности покрывают не более 50% электропотребления, а около половины муниципальных образований края на данный момент не имеют резервов мощности для подключения новых потребителей.

В то же время электроснабжение курортной зоны Краснодарского края слабо развито в связи с труднодоступностью района в условиях гористой местности, дефицитом генерирующих мощностей, низкой надежностью и пропускной способностью электрических сетей, что также повышает перспективность использования возобновляемых источников энергии особенно для объектов удаленных от существующих централизованных энергосистем.

Цель исследования - обоснование параметров системы автономного теплоснабжения сельского дома, построенной на оборудовании возобновляемой энергетики, с одновременным учетом потенциала ВИЭ и тепловых потерь объекта, обусловленных погодно-климатическими условиями в месте дислокации объекта и теплозащитными параметрами здания.

Задачи исследования:

- разработка измерительной системы непрерывного мониторинга метеопараметров непосредственно в выбранной местности с функцией обработки полученных данных для определения достоверных величин потенциала возобновляемых энергоресурсов;

- разработка концепции автономного теплоснабжения сельского дома и методики расчета теплопотребления на основе данных мониторинга метеопараметров;

- формирование конфигурации системы автономного теплоснабжения на основе данных о потенциале ВИЭ;

- разработка системы автономного теплоснабжения и построение ее модели, учитывающей взаимосвязь величины теплопотребления и потенциала ВИЭ;

- оптимизация параметров системы по показателям эффективности с использованием динамического моделирования и исходных данных, характеризующих среднечасовые величины теплопотребления и потенциала ВИЭ.

Научная новизна:

- выполнено обоснование параметров системы автономного теплоснабжения с учетом достоверных данных о потенциале возобновляемых источников, полученных в выбранной местности, и уровня теплозащиты здания;

- разработана автоматизированная информационно-измерительная система мониторинга метеопараметров и обработки данных для получения среднечасовых величин, характеризующих потенциал возобновляемых источников, а также мониторинга параметров функционирования систем автономного теплоснабжения;

- впервые выполнено исследование теплового баланса жилого дома по данным мониторинга метеопараметров;

- показано влияние метеоклиматических параметров на уровень теплопотерь жилого дома и возможность их восполнения за счет возобновляемых источников;

- разработана система автономного теплоснабжения и ее модель на основе взаимосвязи величин теплопотребления и энергии, получаемой от возобновляемых источников;

- на примере объекта, функционирующего в условиях Черноморского побережья Краснодарского края, обоснованы параметры системы автономного теплоснабжения сельского дома и подтверждена адекватность предложенной модели.

Научная новизна исследования подтверждена двумя патентами на изобретение и патентом на полезную модель.

Достоверность результатов исследования подтверждается использованием обоснованных и проверенных научных методов, использованием адекватного математического аппарата и динамического моделирования с применением ПЭВМ, сертифицированного измерительного оборудования, а также совпадением результатов моделирования с известными численными оценками и результатами измерений, выполненных на опытных образцах.

Основные положения, выносимые на защиту:

-  обоснование параметров системы автономного теплоснабжения сельского дома, построенной на оборудовании возобновляемой энергетики, выполняется с одновременным учетом потенциала возобновляемых источников энергии и уровня теплозащиты жилого дома;

- потенциал возобновляемых источников и теплопотребление здания определяется на основе данных, получаемых в результате непрерывного мониторинга метеопараметров, проводимого непосредственно в выбранной местности;

- оптимизация параметров системы автономного теплоснабжения осуществляется путем динамического моделирования, на основе уравнений баланса теплопотребления и энергии, получаемой от возобновляемых источников;

- исходными данными для моделирования служат среднечасовые величины температуры наружного воздуха, скорости ветра и солнечной радиации.

Практическая значимость исследования состоит в разработке научно обоснованных практических рекомендаций, предназначенных для проектирования систем автономного теплоснабжения сельских жилых домов на основе оборудования возобновляемой энергетики. Использование рекомендаций позволяет в каждом конкретном случае для выбранных климатических условий сформировать конфигурацию системы с оптимальными параметрами оборудования, режимами функционирования и технико-экономическими характеристиками.

Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс кафедры Атомные станции и возобновляемые источники энергии Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, использованы в лабораторном практикуме и учитываются при разработке методических рекомендаций.

Апробация работы выполнена в виде докладов и презентаций на международных конференциях, специализированных выставках, научных школах и конкурсах:

11th International Conference on Solar Energy at High Latitudes NorthSun 2007 (30th May - 1st June, 2007, Riga, Latvia).

VIII Международная Научно-практическая конференция Возобновляемая энергетика XXI века (17Ц21 сентября, 2007, Крым, Украина).

8-я специализированная выставка Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК (2Ц5 октября, 2007, Москва).

IV Международная конференция Возобновляемая и малая энергетика - 2007 (24Ц25 октября, 2007, Москва).

XIII Международная научно-техническая конференция Теплоэнергетика XXI века (10Ц12 апреля, 2008, пансионат Юность, Щелково).

6-я Международная научно-техническая конференция Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве (13Ц14 мая, 2008, Москва).

IV Всероссийский конкурс Инновационные и технологические предпринимательские проекты среди молодежи (14Ц16 октября, 2008, Москва).

Шестая Всероссийская научная молодежная школа Возобновляемые источники энергии (25Ц27 ноября, 2008, МГУ, Москва).

7-я Международная научно-техническая конференция Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве (18Ц19 мая, 2010, Москва).

Молодежная программа Инвестирование в будущее в рамках международной ежегодной конференции и выставки Russia Power 2011 (30 марта, 2011, Москва).

The 6th international conference on electrical and control technologies ECT-2011 (May 5Ц6, 2011, Kaunas, Lithuania).

Всероссийский конкурс научных работ в области возобновляемых источников энергии Стипендия BELLONA - 2011 (21 декабря, 2011, Санкт-Петербург).

По теме диссертации автором опубликовано 16 статей, в том числе четыре статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, два патента на изобретение и патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 88 наименований и приложения. Диссертация изложена на 143 страницах и включает 71 рисунок и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и определены задачи исследования, дана оценка научной новизны и практической значимости полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе на основе обзора литературных источников рассмотрена возможность и перспективы эффективного использования оборудования ВИЭ в системах автономного теплоснабжения.

Большой вклад в развитие возобновляемой энергетики и оценки перспектив ее использования внесли такие российские ученые, как Д.С. Стребков, В.И. Виссарионов, В.В. Елистратов, П.П. Безруких. Вопросы оценок ресурсов солнечной энергии и ее использования также рассмотрены в работах В.А. Бутузова, Б.В. Тарнижевского, О.С. Попеля. Существенный вклад в изучение ветроэнергетических ресурсов России внесли А.Н. Старков, В.А. Минин, В.В. Зубарев, Г.И. Сидоренко и др. Большая работа по накоплению и обработке метеоклиматической информации выполнена сотрудниками Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова.

Выполненный анализ существующих методов оценки потенциала возобновляемых энергоресурсов показал, что в большинстве случаев используется метеорологическая информация сети стационарных метеостанций, которые зачастую значительно удалены от того места, где необходимо определить потенциал возобновляемых энергоресурсов. Как показывает анализ скоростей ветра на соседних метеостанциях, возможная погрешность определения скорости ветра в месте предполагаемого строительства может достигать 15Ц20%. Кроме того, не все метеостанции обладают достаточным набором оборудования и приборов, например, лишь незначительное количество метеостанций имеют в своем составе датчики измерения солнечной радиации. Еще одним недостатком является то, что метеопараметры, предоставляемые стационарными метеостанциями, измеряются с большим интервалом, лишь несколько раз в сутки, тогда как для достаточно точного расчета, например, фотоэлектрических станций, как правило, используются данные по радиации за каждый час. Известные методы получения и обработки метеоданных, характеризующих ВИЭ, нуждаются в дальнейшем совершенствовании и развитии. Это связано с тем, что произошли серьезные изменения в средствах и методах получения исходной метеорологической информации, а также появилась возможность непрерывного долгосрочного наблюдения за метеопараметрами.

Выполнен анализ уровня теплозащиты и энергоэффективности существующих сельских жилых домов, а также методов определения их теплопотребления. При проектировании и строительстве жилых домов с централизованной системой теплоснабжения, как правило, руководствуются требованиями строительных норм и правил по тепловой защите зданий, что обеспечивает комфортные для проживания параметры микроклимата и в то же время минимальный расход тепловой энергии на отопление, горячее водоснабжение и вентиляцию. Однако существующие строительные нормы не приспособлены для проектирования жилых домов с системами автономного теплоснабжения, построенных на оборудовании возобновляемой энергетики. Поэтому разработана концепция автономного теплоснабжения для определения основных принципов проектирования и строительства домов с системами автономного теплоснабжения на оборудовании возобновляемой энергетики.

Сформулирован подход к обоснованию параметров системы автономного теплоснабжения, основанный на получении достоверных данных о потенциале ВИЭ в месте дислокации объекта, определении оптимального уровня теплозащиты, формировании конфигурации системы автономного теплоснабжения в зависимости от уровня теплопотребления и потенциала ВИЭ в выбранной местности, оптимизации параметров с использованием метода динамического моделирования и определения оптимального варианта системы по показателям эффективности.

Во второй главе разработана измерительная система мониторинга метеопараметров и определены достоверные величины, характеризующие потенциал ВИЭ в условиях Черноморского побережья Краснодарского края. Выполнена обработка результатов мониторинга скорости ветра и солнечной радиации, дана оценка потенциала и перспектив использования ВИЭ в рассматриваемой местности. Определены условия использования наружного воздуха в качестве низкопотенциального источника энергии.

Приблизительно оценить потенциал возобновляемых энергоресурсов региона можно на основании уже имеющихся данных, полученных на сети стационарных метеорологических станций. Полученная таким образом информация накапливается в течение нескольких лет и публикуется в гидрометеорологических справочниках и атласах. Однако эти данные не подходят для динамического моделирования процессов, происходящих в исследуемой системе, так как измеряются с большим интервалом времени, лишь несколько раз в сутки, тогда как для достаточно точного расчета необходимы данные за каждый час.

В связи с этим была выполнена работа по определению метеопараметров с помощью разработанной системы мониторинга на перспективной для строительства площадке в г. Туапсе Краснодарского края с целью получения точной информации об имеющемся в рассматриваемой местности потенциале возобновляемых энергоресурсов и для дальнейшего использования полученных сведений при проектировании системы автономного энергоснабжения для строящегося частного жилого дома. В основе разработанной измерительной системы используется метеорологический комплекс Davis Vantage Pro II Plus, который оборудован датчиками атмосферного давления, температуры и влажности воздуха, скорости и направления ветра, солнечной радиации и дополнен устройством регистрации данных, интерфейсом для подключения к компьютеру и специализированным программным обеспечением. В результате мониторинга получены среднечасовые величины температуры наружного воздуха, солнечной радиации и скорости ветра в течение года и соответствующие им годовые графики (рис. 1). Характеристики годового хода полученных метеопараметров, сопоставлены с данными многолетних наблюдений на различных метеорологических станциях региона и существующими оценками потенциала ВИЭ.

Рис. 1. Графики, характеризующие скоростной режим ветра, температурные колебания и уровень солнечной радиации в течение года

Ветроэнергетические условия на экспериментальной площадке г. Туапсе по результатам мониторинга оцениваются как умеренно-благоприятные. Удельная мощность ветрового потока находится в пределах от 250 до 500 Вт/м2. Энергоактивный диапазон составляет 0,7Ц0,8 всего периода, с величиной среднемесячной скорости ветра 5Ц7 м/с и коэффициентом использования установленной мощности от 0,12 до 0,22.

Интенсивность суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность изменяется от 40 кВтч/м2 в декабре до 190 кВтч/м2 в июне и дает годовой приход солнечной энергии - 1358,68 кВтч/м2, с числом часов солнечного сияния - 4672 ч.

Также получены данные, определяющие повторяемость прихода солнечной радиации и скорости ветра. В целом полученная информация дает возможность достаточно точно характеризовать условия поступления возобновляемой энергии и рассчитывать ожидаемую среднечасовую выработку энергии, если известны рабочие характеристики энергоустановок.

В третьей главе разработаны основные положения концепции автономного теплоснабжения сельского дома. Предложена методика расчета теплопотребления на отопление и горячее водоснабжение по исходным данным, полученным в ходе мониторинга метеопараметров. Определены величины годового теплопотребления пяти вариантов жилого дома с различными классами энергоэффективности, которые используются в дальнейшем при выборе оптимального варианта системы автономного теплоснабжения на оборудовании возобновляемой энергетики и ее моделирования.

Температура воздуха является исходным параметром для расчета теплопотребления жилого дома, величина которого определяется в основном нагрузкой системы отопления. Основные факторы, влияющие на величину нагрузки отопления, это теплопотери через стены, кровлю, пол, окна, теплопотери на вентиляцию и инфильтрацию, теплота, поступающая в помещение с солнечной радиацией, внутренние теплопоступления от оборудования и людей, аккумулирование тепла во внутреннем объеме (рис. 2). Требования к тепловой защите жилого дома установлены строительными нормами и правилами, по которым приняты нормируемые коэффициенты теплопередачи ограждающих конструкций и существующие классы энергоэффективности.

Рис. 2. Физическая модель теплового режим сельского дома

Расчет среднечасовых величин тепловой энергии на отопление выполнен по предложенному уравнению теплового баланса

,  (1)

где        Aesum - общая площадь внутренних поверхностей наружных ограждающих конструкций, м2; Text, Tint - температура внутреннего и наружного воздуха, С; Kт - общий коэффициент теплопередачи здания (учитывающий трансмиссионные, инфильтрационные теплопотери и вентиляцию), Вт/(м2С); Аl - площадь жилых помещений, м2; dqint - величина бытовых тепловыделений на 1 м2 площади жилых помещений бытовых тепловыделений на 1 м2 площади жилых помещений; τF, - коэффициент, учитывающий затенение светового проема окон непрозрачными элементами заполнения; kF, - коэффициент относительного проникания солнечной радиации для окон; АF1, АF2, АF3, AF4 - площадь светопроемов фасадов здания, соответственно ориентированных по четырем направлениям, м2; I1, I2, I3, I4 - величина солнечной радиации на вертикальные поверхности расположенные по четырем фасадам здания, Вт/м2; dqhr - величина рекуперируемой тепловой энергии.

Для наглядности результаты расчета теплопотребления исследуемого дома площадью 200 м2 представлены в виде графиков годового энергопотребления для двух вариантов с различными классами энергоэффективности по классификации СНиП В и Е (рис. 3). Отрицательные значения в летний период говорят о необходимости кондиционирования воздуха для поддержания требуемой температуры.

Рис. 3. Графики теплопотребления на отопление

Нагрузка ГВС рассчитана в программе DHWCalc с временным шагом 1 час. В зимний период в доме проживает 3 человека, и средний расход горячей воды составляет 0,18 м3/день, с максимальной пиковой нагрузкой 0,25 л/сек. В летний период жилой дом используется как мини-гостиница с количеством постоянно проживающих от 8 до 12 человек, средний расход в этот период составляет 0,54 м3/день. Поздней весной и ранней осенью количество проживающих изменяется в пределах от 5 до 8 человек со средним расходом - 0,36 м3/день. Нагрузка системы ГВС показана на рисунке 4.

Рис. 4. Нагрузка ГВС

Также при расчете учтена работа вентиляционной системы с рекуперацией тепла (рис. 5).

Рис. 5. График рекуперируемой тепловой энергии

Полученная величина суммарного годового теплопотребления в дальнейшем будет основанием для выбора основного оборудования системы автономного теплоснабжения и его технических характеристик (рис. 6, табл. 1).

Рис. 6. Графики полного энергопотребления домов

с классом энергоэффективности В и Е

Таблица 1. Результаты расчета теплопотребления на отопление и ГВС

Класс энергоэффективности дома	А	B	C	D	E
Годовое потребление тепла на отопление, кВтч/год	1 966	13 621	15 408	21 737	35 004
Потребление тепла в системе ГВС, кВтч/год	4 261	4 261	4 261	4 261	4 261
Годовое теплопотребление, кВтч/год	6 227	17 882	19 669	25 998	39 265

В четвертой главе проанализированы модели основного оборудования для системы автономного теплоснабжения. Разработана система автономного теплоснабжения и ее модель, на основе которой выполнено обоснование параметров системы путем динамического моделирования в течение года и оптимизации по показателям эффективности. Определены оптимальные технические характеристики генерирующего и аккумулирующего оборудования и параметры функционирования системы в целом. Дана сравнительная оценка экономической эффективности различных вариантов систем автономного теплоснабжения.

По результатам анализа полученных величин потенциала ВИЭ в рассматриваемом регионе и смоделированной величины внутреннего теплопотребления жилого дома разработана технологическая схема системы автономного теплоснабжения (рис. 7) и получено два патента на изобретение.

Рис. 7. Схема системы автономного теплоснабжения с независимым от электрической сети питанием

Разработанная схема позволяет максимально задействовать имеющиеся ресурсы ВИЭ и в то же время увеличить эффективность системы теплоснабжения в целом, благодаря использованию современного оборудования возобновляемой энергетики. Моделирование работы системы осуществлялось с помощью разработанного пакета прикладных компьютерных программ в среде MS Office Excel. При моделировании на основе изменения входных параметров, к которым относятся показатели потенциала используемых в системе возобновляемых источников энергии, были получены выходные параметры - степень энергоэффективности использования оборудования и системы в целом при заданных технических характеристиках и требуемом теплопотреблении.

Структурная схема разработанной системы автономного теплоснабжения представлена на рисунке 8. В системе основным генератором тепловой энергии является тепловой насос воздух-вода. Наружный воздух с температурой Тext проходит через теплообменник испарителя ТН и отдает тепло Q'a.ext хладагенту. Затрачивая электроэнергию Wwp, ТН повышает температуру хладагента и отдает теплоту Qwp теплоносителю, циркулирующему во вторичном контуре ТН. Тепловая энергия передается в бак-аккумулятор отопительной воды, объемом ms и температурой Тs. Далее тепловая энергия Qh по мере необходимости расходуется на отопление в системе теплого пола и частично в системе вентиляции с рекуперацией для поддержания заданной температуры воздуха в помещении Tint. Тепловые потери во внутреннее окружающее пространство от бака-аккумулятора характеризуются коэффициентом (UA)s. Тепловая энергия вырабатываемая ТН Qwp, периодически используется для приготовления горячей воды в емкостном водонагревателе ГВС емкостью msw с температурой в баке Тsw. Тепловые потери во внутреннее окружающее пространство от водонагревателя характеризуются коэффициентом (UA)sw. Еще одним генератором тепловой энергии является солнечный коллектор. Вырабатываемая в СК тепловая энергия Qu, передается в емкостный водонагреватель ГВС или дополнительный теплообменник теплового насоса. Эффективность дополнительного теплообменника характеризуется показателем теплотехнической эффективности . Дублирующими пиковыми теплогенераторами в системе служат теплоэлектронагревательные элементы (ТЭН), встроенные в оба бака-аккумулятора, соответственно для нагрева теплоносителя в системе ГВС и отопления. Электроэнергия, потребляемая ТН Wwp, складывается из величин вырабатываемой энергии ВЭУ Wwind, ФЭМ Wpv и аккумулируемой энергии в электрохимическом аккумуляторе Ws. Потребление, выработка и аккумулирование энергии контролируется модулем с функцией бесперебойного питания, который является главным элементом в системе электропитания теплового насоса.

Рис. 8. Структурная схема модели системы автономного теплоснабжения

Модель системы автономного теплоснабжения для рассматриваемого объекта, записанная в виде уравнений выглядит следующим образом:

  (2)

В первом уравнении левая часть: первое слагаемое - теплопотребление на отопление и вентиляцию, второе - теплопотребление на ГВС. Правая часть: первое слагаемое - теплопроизводительность ТН, второе - теплопроизводительность СК, третье - теплота вытяжного воздуха, возвращаемая системой приточно-вытяжной вентиляции с рекуператором, четвертое - аккумулирование тепла в баке-аккумуляторе отопления, пятое - аккумулирование в емкостном водонагревателе ГВС. Во втором уравнении левая часть: первое слагаемое - электропотребление теплового насоса, второе - электропотребление дублирующего теплоэлектронагревателя. Правая часть: первое слагаемое - электроэнергия вырабатываемая ВЭУ, второе - электроэнергия вырабатываемая ФЭМ, третье - аккумулирование электроэнергии. Третье уравнение - зависимость теплопроизводительности ТН и энергопотребления от величины коэффициента преобразования. Четвертое - линейная взаимосвязь тепловой qeh и электрической weh энергии теплоэлектронагревателя.

В результате решения данного уравнения получены данные по выработке, потреблению и аккумулированию тепловой и электрической энергии, а также текущие параметры за каждый час работы оборудования, на основании которых сделаны выводы о динамическом поведении системы в долгосрочном периоде ее эксплуатации.

Для динамического моделирования разработанной системы автономного теплоснабжения использовались технические характеристики трех ТН Vitocal 300 с различной теплопроизводительностью AW106 (5,4 кВт), AW108 (7,2 кВт) и AW110 (9,3 кВт). Результат моделирования теплопроизводительности теплового насоса Vitocal 300 AW110 мощностью 9,3 кВт представлены в виде гистограммы в сравнении с гистограммой расчетной нагрузки системы теплоснабжения с интервалом 1 час в течение года (рис. 9). Величина выходной температуры теплоносителя ТН установлена на уровне +45 С для обеспечения заданной температуры в системе ГВС. В этом режиме работы годовая теплопроизводительность ТН (Qwp = 17703 кВтч) составила 99% от общей тепловой нагрузки (Qh = 17882 кВтч). Количество потребленной ТН электрической энергии составило 5783 кВтч, при этом коэффициент преобразования ТН () за все время работы изменяется в пределах от 2,15 до 4,59. Доля электропотребления дублирующего источника тепла, теплоэлектронагревателя (ТЭН), в общем электропотреблении (P = 5962 кВтч) составляет 3,0%, при его установленной мощности 3,5 кВт. Сравнительная оценка результатов моделирования, выполненного для трех моделей ТН разной установленной мощности, говорит о том, что для обеспечения наилучшей энергоэффективности теплопроизводительность ТН должна выбираться из расчета покрытия не менее 90% теплопотребления дома, при этом доля теплонасосной установки в среднегодовой длительности работы отопления должна составлять примерно 92Е98%.

Рис. 9. Годовые графики максимальной теплопроизводительности теплового насоса AW110 (Qwp.max) и расчетной тепловой нагрузки (Qh+dhw)

На рисунке 10 представлены зависимости, которые показывают, как от мощности ТН изменяется доля теплопроизводительности ТН и ТЭН в покрытии общей тепловой нагрузки, а также электропотребление ТЭН и стоимость ТН. Критерием оптимизации выбрана функция максимизации тепловой энергии, получаемой от ТН, и минимизации электрической, составляющей ТЭН.

Рис. 10. Соотношение параметров системы в зависимости от мощности ТН

Величина теплопроизводительности теплового насоса по-разному влияет на размер первоначальных инвестиций и поступающих каждый год издержек на эксплуатацию отопительных установок. Чем выше производительность ТН, тем выше инвестиции и тем ниже ежегодные издержки. В связи с меньшими размерами инвестиций в ТН меньшей мощности вариант с дублирующим ТЭН может оказаться экономически более выгодным, чем вариант с ТН, полностью покрывающим всю тепловую нагрузку без участия дублера. В последнем случае стоимость ТН будет существенно выше стоимости ТН меньшей мощности и ТЭН вместе взятых. Тем не менее окончательный выбор того или иного варианта должен быть подтвержден экономической оценкой по величине наименьших совокупных инвестиционных, эксплуатационных и энергетических затрат.

При моделировании системы автономного теплоснабжения использовались трубчатые прямоточные солнечные коллекторы Vitosol 200-T фирмы Viessmann. Солнечные коллекторы располагаются на скате кровли под углом 30 к горизонту и ориентированы на 30 в юго-западном направлении. Величина годового суммарного поступления солнечной энергии на плоскость коллектора равна 1358,68 кВтч /м2, а выработка тепловой энергии вакуумированным трубчатым коллектором составляет 1153 кВтч/м2. При этом смоделированная величина оптимальной площади солнечных коллекторов для заданных условий составляет 6 м2, а объем бака-водонагревателя 500 л, с использованием около 50% энергии от максимальной, которую способны выработать СК. Температура воды в баке-водонагревателе ГВС поддерживается на отметке не ниже +45 С большую часть времени только за счет энергии, вырабатываемой СК. В периоды низкой инсоляции, когда температура понижается ниже установленного порога, в работу включается ТН и в наиболее холодные дни ТЭН. Результаты моделирования величины вырабатываемой тепловой энергии за каждый час исследуемого периода представлены в виде гистограмм на рисунке 11. Использование оптимальной площади СК и бака-водонагревателя обеспечивает снижение общей потребляемой электроэнергии в системе на 15%. При дополнительном догреве низкопотенциального теплоносителя на входе в ТН тепловой энергией, вырабатываемой СК, эффективность использования СК достигает 60%.

Рис. 11. Годовые графики выработки энергии тепловым насосом AW110 (Qwp), солнечным коллектором (Qu) и электронагревателем (Qeh)

На рисунке 12 представлены зависимости, которые показывают, как с увеличением площади СК изменяется доля его теплопроизводительности в покрытии тепловой нагрузки ГВС, а также эффективность СК и общее электропотребление в системе с ТН AW110 и ТЭН. Также на графике представлена линейная зависимость стоимости СК от их площади. Критерием оптимизации выбрана функция максимизации тепловой энергии, получаемой от СК, и минимизации электрической составляющей для питания теплового насоса и теплоэлектронагревателя системы автономного теплоснабжения.

Рис. 12. Соотношение параметров системы в зависимости от площади СК

Увеличение площади используемых солнечных коллекторов более 6 м2 нецелесообразно, поскольку относительная величина их теплопроизводительности в нагрузке ГВС увеличивается не более чем на 4% на каждые 2 м2 площади. Та же зависимость характерна для показателя экономии электроэнергии, величина которого составляет 12% при площади 6 м2. Также снижается и эффективность использования СК до уровня ниже 50%. При этом стоимость СК растет практически линейно, что вызывает значительное удорожание всей системы теплоснабжения без получения какого-либо эффекта.

Электрогенерирующими установками в системе являются энергоустановки, использующие солнечную и ветровую энергию, чтобы обеспечить электрическую нагрузку теплового насоса и вспомогательного электрооборудования системы теплоснабжения. Для моделирования работы системы использовались реальные технические характеристики электрогенерирующего оборудования. Ветрогенератор представлен рядом трехфазных ветроэлектрических установок EuroWind с различной номинальной мощностью от 5 до 50 кВт. Фотоэлектрические модули представлен моделями MSW производства Солнечный ветер (г. Краснодар). Блок UPS содержит трехфазный инвертор и контроллер. Аккумуляторные батареи (АКБ) кислотные необслуживаемые типа Prosolar-R RA12-200DG (12В, 200Ач) являются буферной емкостью между генератором и нагрузкой (инвертором). Предварительно мощности ВЭС, ФЭМ и АКБ выбраны по номинальной электрической мощности теплового насоса Vitocal 300 AW110 (3,4 кВт) и дублирующего электронагревателя (3,5 кВт), общее электропотреблением которых составляет 6687 кВтч. Соответственно оптимизация выполнена по величинам среднечасовых величин потребления, выработки (рис.13) и аккумулирования электроэнергии (рис. 14).

Рис. 13. Графики электропотребления ТН и выработки электроэнергии ВЭУ

Рис. 14. График уровня заряда АКБ

С точки зрения максимального использования мощности ВЭУ и ФЭМ необходимо определить оптимальную емкость аккумуляторных батарей. Увеличение емкости АКБ в принципе способствует увеличению доли полезно используемой энергии ветра и солнца, но в то же время приводит к увеличению затрат. При определенных соотношениях мощности ветроагрегата, емкости аккумулирующего устройства и известной расчетной нагрузке теплового насоса достигается минимум затрат на систему энергоснабжения в целом. Таким образом, выполнив оптимизацию параметров системы по минимуму приведенных затрат и максимуму эффективности используемого электрооборудования получены наиболее целесообразные соотношения номинальных мощностей ВЭУ, ФЭМ и АКБ (рис. 15, 16).

Рис. 15. Сравнительная оценка по стоимости различных комплектов ВЭУ и АКБ

Рис. 16. Сравнительная оценка по стоимости различных комплектов ФЭМ и АКБ

Как видно, минимум затрат соответствует установленной мощности электрогенераторов, в несколько раз превышающей мощность потребителей, что вызвано неравномерностью прихода солнечной и ветровой энергии. Минимальная стоимость комплекта ВЭУ и АКБ достигается при номинальной мощности ветрогенератора 20 кВт и емкости батарей 2600 Ач. Минимальная стоимость комплекта ФЭМ и АКБ соответствует суммарной мощности модулей 33,5 кВт и емкостью батарей 42 кАч.

Анализ графиков потребления и выработки дает представление о том, что периоды максимумов и минимумов имеют сильную неравномерность и несовпадение во времени. Этим объясняется завышенная установленная мощность оборудования. Большая величина требуемой установленной мощности ФЭМ обусловлена низкой интенсивностью солнечной радиации в зимний период и суточной неравномерностью ее прихода. Это также является причиной очень высокой емкости АКБ. Еще одним фактором, увеличивающим емкость батарей, является высокая стоимость фотоэлектрических преобразователей при их низком КПД. Все это приводит к тому, что стоимость системы с ФЭМ существенно выше стоимости системы с ВЭУ. Еще одним негативным последствием увеличения установленной мощности электрогенерирующих установок по сравнению с мощностью потребителя электроэнергии является не только увеличение капиталовложений, но и значительное количество энергии, которую способен выработать генератор при имеющемся потенциале ВИЭ. Ветрогенератор мощностью 20 кВт, кроме обеспечения электропитания теплового насоса и теплоэлектронагревателя, способен выработать дополнительно 30а400 кВтч электроэнергии в год, т.е. более 85% электроэнергии может быть отдано в электрическую сеть. А фотоэлектрические модули мощностью 33,5 кВт способны выработать избыточные 42а720 кВтч, или 89% от общей выработки.

Экономическая целесообразность принятых технических решений окончательно определяет возможность реализации и эксплуатации разработанной системы автономного теплоснабжения. Срок окупаемости системы автономного теплоснабжения и экономический эффект от ее использования, выраженный в виде дохода от продажи вырабатываемой энергии, зависит от цены на электрическую и тепловую энергию, вырабатываемую традиционными источниками. Поэтому показатели экономической эффективности использования оборудования возобновляемой энергетики в любом случае зависят от цены на традиционные энергоносители и оцениваются путем сравнения с экономическими показателями использования традиционных источников. Оценка экономической эффективности была выполнена на основе анализа изменения капитальных, эксплуатационных и энергетических затрат, приведенных к периоду первого года эксплуатации. Все цены на энергоносители приняты по средней цене, утвержденной Федеральной службой по тарифам, включая НДС. Для Краснодарского края цены приняты по данным Региональной энергетической комиссии - департамента цен и тарифов Краснодарского края.

На рисунке 17 представлен график изменения затрат, включающих капитальные расходы на дополнительную теплоизоляцию, капитальные и эксплуатационные расходы на систему автономного теплоснабжения и расходы на энергоносители в зависимости от класса энергоэффективности дома.

Рис. 17. Зависимости общих затрат от класса энергоэффективности

Наиболее оптимальным уровнем теплозащиты сельского дома с разработанной системой автономного теплоснабжения на базе теплового насоса и оборудования ВИЭ является уровень, соответствующий энергоэффективности класса В. В этом случае стоимость дополнительной теплоизоляции, стоимость системы автономного теплоснабжения и ежегодные расходы на энергоносители обеспечивают минимальные годовые затраты.

На рисунке 18 показана структура затрат по величине расходов на капиталовложения, эксплуатацию и покупку энергии за год для систем теплоснабжения с различной комбинацией основного оборудования, в сравнении с системой прямого электроотопления. Уровень энергоэффективности дома соответствует классу В. Параметры оборудования приняты по результатам моделирования. Первые три системы характерны тем, что получают электроэнергию от централизованной сети электроснабжения (положительная величина расходов). Последние две системы с ВЭУ и АКБ обеспечивают электроснабжение теплового насоса и отдают избыточную электроэнергию в сеть (отрицательная величина расходов).

Рис. 18. Структура затрат за год для различных комбинаций системы

При условиях низкой процентной ставки и двукратного увеличения стоимости электроэнергии от текущего уровня система теплоснабжения на базе ТН для сельского дома с энергоэффективностью класса В становится более выгодной, чем прямое электрическое отопление при работе от электрической сети. Дополнительное использование солнечных коллекторов приводит к удорожанию системы всего на 10%, а с учетом сокращения электропотребления и роста тарифов на традиционные энергоносители этот вариант может быть достаточно привлекательным для инвестиций. При наличии нормативной базы на отпуск избыточной электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, в электрическую сеть вариант полностью автономной системы теплоснабжения по общим затратам становиться на 15% выгоднее теплонасосных систем с централизованным электроснабжением от сети.

Сроки окупаемости дополнительных капитальных вложений при переходе от системы с прямым электрическим отоплением на любой из альтернативных вариантов на базе теплового насоса и ВИЭ представлены в таблице 2.

Таблица 2. Срок окупаемости капитальных вложений для систем теплоснабжения на базе ТН

Вариант системы теплоснабжения	ТН*	ТН*+СК	ТН+ВЭУ** +АКБ	ТН+СК+ВЭУ** +АКБ
Капитальные вложения, руб.	323 401	509 977	1 515 701	1 702 277
Экономический эффект, руб.	37 484	41 542	189 724	193 781
Срок окупаемости, ет	9	14	9	10

* - питание от электрической сети;

** - с отпуском электроэнергии в электрическую сеть.

В пятой главе разработана автоматизированная информационно-измерительная система (АИИС) для мониторинга работы оборудования возобновляемой энергетики и систем на его основе. Выполнена идентификация параметров системы автономного теплоснабжения на примере жилого дома, расположенного в условиях Черноморского побережья Краснодарского края. Определена согласованность результатов экспериментальных исследований с теоретическими данными. Разработаны практические рекомендации по использованию результатов исследований при проектировании и строительстве систем автономного теплоснабжения на оборудовании возобновляемой энергетики.

Экспериментальные исследования проводились с целью проверки адекватности метода динамического моделирования с использованием разработанного измерительного комплекса (рис. 19).

Рис. 19. Комплект оборудования АИИС

Измерения проводились на базе автономного жилого дома с экспериментальной системой теплоснабжения, с использованием оборудования возобновляемой энергетики, расположенного в г. Туапсе Краснодарского края (рис. 20).

Рис. 20. Схема экспериментальной установки

Температурные датчики TE - термометры сопротивления типа Pt100 накладного типа. Датчик расхода FS - счетчик с импульсным выходом. Датчики подключались соответственно к аналоговым и цифровым модулям ввода АИИС. Температура измерялась на внешних поверхностях прямого и обратного трубопровода контура отопления и ГВС, датчики устанавливались с использованием термопасты и крепились хомутами. Датчик расхода устанавливался в прямой трубопровод контура отопления и водоснабжения. Температурные датчики откалиброваны в диапазоне температур от 0 C до 100 C. Используемые датчики температуры имеют погрешность в пределах 0,1 C. Датчик расхода теплоносителя откалиброван по разностям измерений. Расход электроэнергии измерялся 3-фазным модулем измерения мощности по величине тока и напряжения. Потребление электроэнергии измерялось отдельно для теплового насоса и электронагревателя.

В результате проведенных измерений была доказана работоспособность экспериментальной системы теплоснабжения автономного жилого дома на базе теплового насоса типа воздух-вода. Близкое совпадение смоделированных параметров системы автономного теплоснабжения с параметрами, полученными в ходе эксперимента, наглядно свидетельствуют об адекватности разработанной модели для динамического моделирования реальных процессов, происходящих в исследуемой системе. Суммарное теплопотребление за выбранный период составляет 874 кВтч, из которых 846 кВтч обеспечивается тепловым насосом и 27 кВтч теплоэлектронагревателем. При этом электропотребление ТН составляет 271 кВтч и соответственно общее электропотребление 298 кВтч (рис. 21). Коэффициент преобразования ТН за период равен 3,12 (рис. 23).

Рис. 21. Результаты моделирования потребляемой электрической энергии ТН и ТЭН

Основными величинами, полученными в результате измерений, являются электропотребление теплового насоса и дублирующего теплоэлектронагревателя, которые приведены в виде графиков на рисунке 22. По данным измерений, электропотребление ТН составляет 266 кВтч, а ТЭН 46 кВтч. Незначительное расхождение результатов обусловлено тем, что теплопотребление в системе ГВС имеет большую вероятностную составляющую, что и вызывает разброс параметров электропотребления теплоэлектронагревателем. Коэффициент преобразования в среднем за период составляет 3,27 (рис. 23).

Рис. 22. Результаты измерения параметров электропотребления

Рис. 23. Зависимость электропотребления ТН от температуры наружного воздуха по результатам моделирования и измерений

Основные результаты исследования можно сформулировать следующим образом.

1. Предложен новый подход к построению системы автономного теплоснабжения, основанный на получении достоверных данных о потенциале ВИЭ в месте дислокации объекта, определении оптимального уровня теплозащиты дома, формировании конфигурации системы автономного теплоснабжения в зависимости от уровня теплопотребления и потенциала ВИЭ в выбранной местности.
2. Доказана перспективность исследования теплового баланса жилого дома по данным мониторинга метеопараметров, а также влияние метеоклиматических параметров на уровень теплопотерь жилого дома и возможность их восполнения за счет возобновляемых источников.
3. Разработана и внедрена автоматизированная информационно-измерительная система мониторинга метеопараметров и обработки данных для получения среднечасовых величин, характеризующих потенциал возобновляемых источников, а также мониторинга параметров функционирования систем автономного теплоснабжения;
4. Разработана концепция автономного теплоснабжения сельского дома, в которой определены основные требования, предъявляемые к уровню теплозащиты жилого дома, и особенности построения систем автономного теплоснабжения. Предложена методика расчета теплопотребления на отопление и горячего водоснабжения сельского дома на основе среднечасовых исходных данных, полученных в ходе мониторинга метеопараметров.
5. Для оптимизации параметров по показателям эффективности выполнен сравнительный технико-экономический анализ различных вариантов системы автономного теплоснабжения сельского дома. Срок окупаемости системы автономного теплоснабжения с оптимальными параметрами уровня теплозащиты дома и мощности используемого оборудования составляет не более 10 лет.
6. Разработаны практические рекомендации для проектирования и строительства систем автономного теплоснабжения на оборудовании возобновляемой энергетики для индивидуальных жилых домов, которые использованы при проектировании и разработке системы автономного теплоснабжения жилого дома, расположенного в г. Туапсе Краснодарского края.

Основные публикации по теме диссертационной работы

Публикации, рекомендованные перечнем ВАК

1. Чемеков В.В. Основные положения концепции автономного жилого дома // Альтернативная энергетика и экология. 2011. № 7. С. 122Ц128.
2. Чемеков В.В. Анализ ветрового режима и моделирование работы ветроэлектрической установкой в условиях Черноморского побережья Краснодарского края // Альтернативная энергетика и экология. 2011. № 12. С. 49Ц55.
3. Чемеков В.В. Системы солнечно-геотермального теплоснабжения сельского потребителя // Сельский механизатор. 2009. № 3. С. 24Ц25; № 4. С. 27.
4. Чемеков В.В. Сравнительный анализ различных систем автономного теплоснабжения по показателям экономической эффективности в условиях Краснодарского края // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2012. № 3. С.

Публикации в других изданиях

5. Харченко В.В., Чемеков В.В., Тихонов П.В., Адомавичюс В.Б. Теплоснабжение дома от теплонасосной системы, использующей возобновляемые источники энергии // Lietuvos taikomj moksl akademijos mokslo darbai. Tarptautinis inovacinis taikomj mokslo darb urnalas (Научные труды Академии прикладных наук Литвы. Международный инновационный журнал прикладных научных трудов), ISSN 1822-0754. Klaipda: Klaipdos universiteto leidykla. 2011. Nr. 3. P. 45Ц52.
6. V. Chemekov, V. Kharchenko, V. Adomavicius. Modelling of autonomous heating, ventilating and air conditioning system based on the heat pump and wind turbine // Proceedings of the 6th international conference on electrical and control technologies ECT-2011. Kaunas, Lithuania. P. 307Ц310.
7. V. Kharchenko, V. Chemekov, D. Strebkov, V. Adomavicius. Multipurpose measuring complex for continuous monitoring of RES based power systems // Proceedings of the 6th international conference on electrical and control technologies ECT-2011. Kaunas, Lithuania. P. 311Ц316.
8. Strebkov D.S., Khakhaev B.N., Kharchenko V.V., Kudrjavtsev E.P., Kalinin M.I., Chemekov V.V. Advanced technologies for heating and hot water supply in condition of low level of solar insolation // 11th International Conference on Solar Energy at High Latitudes NorthSun 2007 (30th May - 1st June, 2007, Riga, Latvia). Abstract Book. P. 63Ц64.
9. Харченко В.В., Чемеков В.В. Автономные комбинированные системы теплоснабжения с использованием геотермальной энергии // Сборник научных трудов и инженерных разработок. Ориентированные фундаментальные исследования РФФИ - федеральные целевые программы, наукоемкое производство. 2007. С. 108Ц111.
10. Харченко В.В., Чемеков В.В. Солнечная энергия для ГВС: от теории к практике // АКВА-ТЕРМ. 2008. № 2 (42). С. 22Ц66.
11. Харченко В.В., Чемеков В.В., Кудрявцев Е.П. Солнечно-теплонасосная система теплоснабжения сельского дома // Труды 6-й Международной научно-технической конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. (13Ц14 мая 2008, Москва). Ч. 4. С. 245Ц250.
12. Чемеков В.В. Обоснование параметров и технических решений автономной системы энергоснабжения сельского дома // Вестник РГУИТП. 2009. № 1. С. 33Ц36.
13. Адомавичюс В.Б., Харченко В.В., Чемеков В.В. Соотношение мощностей в гибридной солнечно-ветровой водонагревательной системе // Труды 6-й Международной научно-технической конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве (13Ц14 мая 2008, Москва). Ч. 4. С. 332Ц337.
14. Чемеков В.В. Измерение метеорологических данных для проектирования систем энергоснабжения на основе ВИЭ // Материалы шестой Всероссийской научной молодежной школы Возобновляемые источники энергии (25Ц27 ноября 2008, Москва). Ч. 2. С. 121Ц126.
15. Харченко В.В., Чемеков В.В. Расчет солнечной установки горячего водоснабжения // АКВА-ТЕРМ. 2009. № 3 (49). С. 58Ц60.
16. Чемеков В.В. Оценка эффективности применения тепловых насосов типа воздух-вода для теплоснабжения индивидуальных жилых домов в климатических условиях Краснодарского края // Труды 7-й Международной научно-технической конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве (18-19 мая, 2010, Москва). Ч. 4. С. 293Ц298.
17. RU2350847C1. Система автономного теплоснабжения потребителей с использованием низкопотенциального источника тепла и электроснабжения от возобновляемых источников энергии (Стребков Д.С., Харченко В.В., Чемеков В.В.). Опубликовано: 27.03.2009. Бюл. № 9.
18. RU2382281С1. Система автономного теплоснабжения и холодоснабжения зданий и сооружений (Стребков Д.С., Харченко В.В., Чемеков В.В.). Опубликовано: 20.02.2010. Бюл. № 5.
19. № 103624 (полезная модель). Измерительный комплекс для мониторинга работы оборудования возобновляемой энергетики (Стребков Д.С., Харченко В.В., Чемеков В.В.). Опубликовано: 20.04.2011. Бюл. № 11.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям