Вы здесь

Повышение эффективности использования новых источников энергии в строительстве

Версия для печати

Введение

Главным обобщенным показателем развития экономики любой страны является динамика роста валового внутреннего продукта (ВВП) и удельных затрат энергетических ресурсов на единицу валового внутреннего продукта (энергоемкость ВВП). Известно, что в Республике Беларусь энергоемкость ВВП, характеризующая макроэкономический объем потребляемых энергоресурсов в тоннах нефтяного эквивалента на тысячу долларов США по паритету покупательной способности, составляет 0,43, в то время как в развитых европейских государствах она равна 0,2 т у.т.

Проблема носит общегосударственный характер, поскольку касается конкурентоспособности продукции экономики, объемов потребления электроэнергии, тепловой энергии, природного газа, нефти и продуктов ее переработки в общественном производстве и бюджетной сфере. Неэффективное использование энергоресурсов имеет место во всех секторах экономики, в частности и в строительной отрасли.

На функционирование современных теплоэнергетических объектов существенное влияние оказывают принятые мировой общественностью принципиально новые критерии. Необходимость нового подхода обусловлена выбросами в атмосферу “парниковых” газов промышленных предприятий и тепловых электрических станций и, как следствие, изменениями климата ряда стран. Принятые меры (Монреальский и Киотский протоколы) имеют не только экологические и экономические последствия, но и могут стимулировать развитие и применение той или иной энергетической технологии.

В 2005 г. мировая энергетика уже имела серьезные проблемы с использованием основных видов органического топлива [1]. Налицо существенное уменьшение запасов нефти, в то время как происходит значительное увеличение потребления энергии и роста населения земного шара. В 2005 г. потребление нефти в мире составляло 85 млн баррелей в день. На долю Китая приходится 23%, стран Азии – 18 и США – 11% мирового потребления нефти [2]. В связи с этим ЕС прилагает серьезные усилия по увеличению потребления возобновляемых источников энергии с 6% в 2000 до 12% в 2010 г. (в 2020 г. ожидается 20%), что приведет к уменьшению на 8% выбросов СО2 в атмосферу. Актуальность проблемы связана с тем, что 50% энергоресурсов Западной Европы в 2000 г. импортировалось в виде нефти и природного газа и к 2030 г. энергетическая зависимость Западной Европы от экспорта топлива и энергии из других стран возрастет до 70%. Если в начале XXI века альтернативные источники энергии пока играют незначительную роль в мировом энергетическом балансе, то, по прогнозам специалистов, их роль в конце столетия будет доминирующей.

В связи с проблемой теплового загрязнения атмосферы и настоятельной необходимостью эффективного использования органического топлива (природный газ) целесообразен уход от высокотемпературных циклов сжигания и переход на его прямое низкотемпературное преобразование, а также преобразование альтернативных источников энергии (солнце, вторичные энергоресурсы и т.д.) в электроэнергию, теплоту и холод (тригенерация – CHP).

Как известно, на тепловых электрических станциях на совершение полезной работы используется лишь 25–30% энергии сгоревшего топлива вследствие больших потерь, возникающих при работе электростанции и передаче энергии.

Очевидно, что децентрализованное использование топливных ресурсов непосредственно на местах их потребления является актуальной и целесообразной задачей [2, 3]. В Республике Беларусь успешно осуществляется строительство развитой сети доставки природного газа до непосредственного потребителя, в том числе и подвод к индивидуальным застройкам. Внедрение систем тригенерации позволит решить несколько важных проблем – обеспечение энергетической безопасности, экономию топливных ресурсов и уменьшение теплового загрязнения окружающей среды (уменьшение выбросов углекислого газа и окислов азота в атмосферу). Системы тригенерации создаются на базе мотор-генераторов либо машин Стирлинга с утилизацией теплоты отходящих газов. Тригенерация энергии с использованием сорбционного теплового насоса возможна также при замене мотор-генератора топливными элементами или фотоэлектрическими панелями. Так, в Англии компания Бритиш Газ (British Gas) планирует в ближайшие 5 лет взамен обычных котлов-подогревателей снабдить системами микротригенерации более 200 тыс. домов. К 2010 г. устройства микротригенерации заменят до 10% всех мини-бойлеров, установленных в стране, а с 2010 по 2020 г. – 25% бойлерных систем отопления в индивидуальных жилищах. Замена котла на устройство для тригенерации в одном доме приведет к уменьшению выбросов углекислого газа на полторы тонны в год и даст экономию на сумму 150 фунтов стерлингов.

Топливные элементы, электрохимические источники энергии, являются примером новой технологии производства экологически чистой энергии и хорошо сочетаются с тепловыми насосами в системах тригенерации. Они преобразуют химическую энергию реакции водорода с кислородом в электрическую, а при использовании в обратном цикле в качестве электролизера производят водород и кислород. В отличие от обычных устройств, таких как паровые турбины, газовые турбины и двигатели внутреннего сгорания, максимальная эффективность топливных элементов не ограничена циклом Карно (рис. 1).

К другим экологически безопасным энергетическим технологиям относятся фотоэлектрические системы, солнечная, ветряная и гидроэнергетика. В общем случае стоимость производства низкотемпературных энергетических систем значительно ниже по сравнению с высокотемпературными. Поскольку это главный барьер для принятия новой технологии, снижение затрат на производство является одним из ключевых вопросов, нуждающихся в решении. Если требуется малое время работы (при установке в частных домовладениях и во многих портативных устройствах), главным фактором становится конечная стоимость системы, эффективность менее важна. Для применений с продолжительным временем работы (например, энергоснабжение больниц или телекоммуникационных устройств) на первое место выходит получаемая эффективность и надежность. Топливные элементы, имея несравнимые с другими энергетическими системами (из-за значительно меньшей цены частей, к примеру, и монолитной конструкции в случае SOFT-твердооксидных топливных элементов) эффективность и потенциально большую надежность, конкурентоспособны во многих применениях даже при текущей цене.

С другой стороны, так как опыт работы и осведомленность о топливных элементах пока малы по сравнению с другими энергосистемами, риск все еще считается большим. В этом отношении низкотемпературные системы имеют преимущество перед высокотемпературными. Перспективным является одновременное использование множества различных технологий. Топливные элементы хорошо работают в батареях, совместно с турбинами и теплообменниками.

Тенденция к увеличению уровня комфорта при эксплуатации зданий влечет за собой возрастающие требования к системам отопления, кондиционирования и воздухообмена внутри помещений. Использование электропотребляющего оборудования, такого, как электрические кондиционеры воздуха и парокомпрессионные тепловые насосы, требует наличия дешевой электроэнергии. Вспомогательный блок питания электроэнергией, основанный на топливных элементах, – один из возможных методов снабжения электрической энергией автономных помещений. Но даже топливные элементы требуют увеличения эффективности из-за уровня рассеяния тепла в них около 50%. Это можно реализовать с помощью машин на твердых и жидких сорбентах [2]. Сорбционные машины (тепловые насосы, холодильники, теплотрансформаторы и т.д.) способны успешно комбинировать такие источники энергии, как исходящие газы от сжигания ископаемого топлива, воду и пар, альтернативные (солнце, вода, земля, воздух) и автономные источники энергии, что позволяет уменьшить потери энергии на 15–20% (рис. 2).

Системы тригенерации, основанные на сорбционных тепловых насосах

Когенерация известна как совместное производство тепла и энергии для местного потребления. Если часть производимого тепла или энергии используется для получения холода, система называется тригенерационной. На рис. 3 показана обобщенная диаграмма системы тригенерации, основанная на использовании топливного элемента как источника энергии в комбинации с низкопотенциальным источником тепла и неэлектрическим тепловым насосом на твердых сорбентах. Другая возможность – направление избытка производимой топливным элементом электрической энергии, которую невыгодно экспортировать, для энергопитания компрессионного теплового насоса.

Согласно первому закону термодинамики, общая эффективность тригенерационной системы может быть выражена в виде

, (1)

где We – энергия, генерируемая топливным элементом;

QТ – производство тепла (QТ = QТЭ + QАИ);

QТЭ – теплота, выделяемая топливным элементом;

QАИ – энергия альтернативных источников;

QХ – производство холода;

F – общее потребление топлива.

Эффективность топливного элемента

, (2)

где .

Если мы рассмотрим тепловую машину (газовую турбину или электрогенератор) вместо топливного элемента, эффективность составит

, (3)

где Q1 – теплота, поступающая от источника энергии;

Q2 – теплота, отводимая в окружающую среду.

Тепловые насосы
на твердых сорбентах

Сорбционные машины – собирательное название холодильных машин и тепловых насосов, в которых движимый механически компрессор заменен на движимый теплом термохимический или термофизический сорбционный контур. Сорбционные тепловые насосы и сорбционные холодильные машины отличаются от компрессионных тепловых насосов следующими характеристиками:

  • работают за счет подводимого тепла (газа, горячей воды, бросового тепла);
  • почти не имеют движущихся частей и поэтому обладают малым уровнем шума, дают минимальное изнашивание и практически не требуют обслуживания;
  • обычно работают с природными хладагентами (в основном аммиак (NH3), водород (H2), углекислый газ (CO2) и вода (H2O);
  • их мощность лежит в диапазоне от десятков ватт (холодильник в мини-баре номера гостиницы) до мегаватт (промышленные применения).
  • могут быть разработаны для широкого диапазона рабочих температур.

Актуальные сорбционные технологии (циклы на жидких и твердых сорбентах) имеют различные преимущества и недостатки, связанные с их компактностью, сложностью, стоимостью, диапазоном рабочих температур [2–5]. Сделан вывод, что машины на твердых сорбентах, основанные на обратимых циклах сорбции твердое тело–газ, могут представлять интерес для применения в строительной индустрии, когда доступен высокотемпературный источник бросового тепла и/или наличие жестких внешних условий требует теплового контроля объекта. Работа теплового насоса, свободная от вибраций, и большое число альтернатив выбора твердое тело–газ делают возможным охлаждение и нагрев воздуха в температурном диапазоне 243–573 К.

Тепловые насосы на твердых сорбентах и холодильники рассматриваются как эффективные устройства экономии энергии, одновременно обеспечивающие выход тепла и холода. Сегодня сорбционные технологии непрерывно улучшаются, увеличение рынка сорбентов связано с энергетической политикой разных стран. Преимущества твердых сорбентов в первую очередь связаны с экологически приемлемыми хладагентами, такими как вода, аммиак, CO2, водород (без фреонов), и, во-вторых, они работают за счет тепла и могут применяться для утилизации низкопотенциального бросового тепла, солнечной энергии, энергии сгорания ископаемого топлива или биомассы.

Тепловые насосы могут выступать в качестве очень эффективного теплового компрессора. Оптимизация сорбционных технологий связана с использованием 2–3-каскадных тепловых насосов. Рассмотрим тепловой насос, который способен обеспечить температурный перепад между нагреваемой (воздух, вода) и охлаждаемой средой (воздух) более 100 оС. Этот тепловой насос (рис. 4) имеет шесть адсорберов (три из них работают в противофазе трем остальным). Тепловой насос является ресорбционным. В нем в качестве рабочей среды используется газообразный аммиак (либо углекислый газ).

Такие сорбционные тепловые насосы по сравнению с обычными более эффективны из-за использования в них процессов физической адсорбции и химических реакций в том же сорбенте и в то же время. Например, утилизацию сбросного тепла высокотемпературных топливных элементов удобно осуществлять с помощью адсорбционных тепловых насосов, соединенных последовательно с низкотемпературными абсорбционными тепловыми насосами (LiBr–вода). Отходящие газы тепловых машин (высокотемпературные топливные элементы), имеющие температуру 600–800 оC, через теплообменник соединяют с адсорбционными тепловыми насосами, заправленными высокотемпературными сорбентами (NiCl2), и осуществляют десорбцию рабочего вещества насоса. Температура отходящего газа тепловой машины понижается до 300–400 оС. Газ подают на среднетемпературный адсорбер (MgCl2) – и вновь происходит процесс десорбции рабочего вещества. В конечном счете охлажденный газ попадает в низкотемпературный абсорбер, содержащий пару LiBr–вода, где происходит десорбция водяных паров из рассола. На рис. 4, 5 приведены схема 3-каскадного теплового насоса и диаграмма Клаузиуса–Клапейрона.

Для простоты адсорберы на рис. 4
обозначены как NiCl2, MnCl2 и BaCl2
адсорберы. Вышеупомянутые экспериментальные данные свидетельствуют о возможности применения топливных элементов совместно с сорбционным тепловым насосом для производства электричества, тепла и холода. Эффективно использование тепловых насосов на твердых и жидких сорбентах (LiBr–вода) одновременно (рис. 6).

В Институте тепло- и массообмена НАН Беларуси выполнены новые разработки холодильных машин и тепловых насосов для применения в строительстве. Для домов индивидуального пользования большой интерес представляют адсорбционные тепловые насосы малой мощности. Опытные образцы таких устройств мощностью около 5–10 кВт и более в настоящее время проходят испытания в Китае, Германии, Голландии, Италии, Великобритании, Австрии, Японии, Испании и других странах. В последние годы сразу несколько европейских фирм (SolarNext, Vaillant, SorTech AG и др.) предлагают адсорбционные тепловые насосы мощностью 5–20 кВт, в которых применяются для регенерации адсорбента тепловые выбросы (газ, пар и т.д.) с температурой 60–100 оС, солнечные водо- и воздухонагреватели или теплота сжигания природного газа (пламя). Активно разрабатываются утилизаторы теплоты автомобильных двигателей с целью ее использования для кондиционирования салона.

На рис. 7 представлена схема сорбционного теплового насоса 4 кВт, разработанного в ИТМО НАН Беларуси и предназначенного для нагрева воздуха и охлаждения воды. В качестве сорбентов выбрано активированное углеволокно с микрокристаллами соли на поверхности волокна и в мезо/макропорах. В погружном испарителе можно использовать холодную воду рек и озер, а также грунтовую воду с температурой 3–5 °С для системы кондиционирования в качестве источника низкопотенциального тепла. Адсорберы имеют развитую оребренную поверхность, что позволяет осуществлять обогрев помещений с более высоким коэффициентом теплоотдачи в режиме вынужденной конвекции.

Тепловые насосы для отопления и обеспечения комфортной температуры в помещении широко применяются в ряде стран мира. Существует обширное поле деятельности по замене котлов низкотемпературных отопительных систем на основе теплоизлучающих полов или стеновых панелей вентиляционно-конвекторными либо тепловентиляционными установками в сочетании с тепловыми насосами.

В настоящее время спрос на тепловые насосы в Республике Беларусь удовлетворяется в основном за счет импорта. Национальные программы производства тепловых насосов должны всячески приветствоваться и стимулироваться. Например, в Швейцарии 40% новых 1–2-квартирных домов снабжено тепловыми насосами, аналогичная ситуация в Австрии. Для домов индивидуального пользования большой интерес представляют адсорбционные тепловые насосы малой мощности (цеолиты/вода; силикагели + соли/вода; активированные угли/спирт, активированные угли с микрокристаллами соли/аммиак и т.д.). Применение сорбционных тепловых насосов для целей отопления и кондиционирования зданий и сооружений в Республике Беларусь позволит существенно повысить эффективность использования природного газа и обеспечить его экономию.

Одним из важных компонентов сорбционных тепловых насосов является низкотемпературный источник энергии, который в существенной степени влияет на их конструкцию с точки зрения экономики и охраны окружающей среды. Следовательно, конструкция теплового насоса во многом зависит от выбранного типа низкотемпературного источника энергии: атмосферный воздух, отходящий воздух помещений (вентиляционные выбросы), воды рек и озер, грунт и грунтовые воды, скалистые породы.

Адсорбционные технологии для отопления и кондиционирования зданий в настоящее время только начинают появляться на рынке энергосберегающих технологий и в основном ориентированы на использование теплоты влажного грунта и грунтовых вод (рис. 8). В современных жилых комплексах и промышленных сооружениях в качестве низкопотенциальных источников энергии целесообразно использовать энергию грунта и грунтовых вод, а также систем оборотного водоснабжения, поскольку они имеются в наличии в непосредственной близости (под сооружением) и мало зависят от климатических условий. Тепловые насосы для подобных строительных объектов нуждаются в вертикальных теплообменных устройствах, помещенных в грунт на большую глубину (десятки и сотни метров). Энергетически выгодно в качестве подобных теплообменников использовать двухфазные термосифоны и тепловые трубы. Опыт работ по расчету и применению таких термосифонов имеется в Институте тепло-и массообмена НАН Беларуси.

Научная и технологическая основа конструкции теплового насоса базируется на инновационных решениях: выборе эффективной пары сорбент/сорбат, интенсификации процесса тепло- и массообмена внутри сорбента и сорбента со стенкой адсорбера, повышении удельной емкости сорбента и т.д.

Очевидно, что научно-техническая политика при разработке и реализации энергоэффективного строительства в Республике Беларусь должна опираться на прогрессивные достижения фундаментальных и прикладных наук, что является условием создания новых технологий при производстве, транспортировке и потреблении энергии строительного комплекса страны. Одним из прорывных направлений развития белорусской строительной отрасли промышленности может стать разработка и серийное производство тепловых насосов, в частности экологически чистых неэлектрических тепловых машин, в которых применяются сорбенты. В связи с этим необходимо осуществить программу модернизации парка котельных и бойлерных установок, добавив к ним тепловые насосы, что позволит на 20–30% уменьшить потребление первичного топлива (газ, мазут, дрова, торф и т.д.) при сохранении той же производительности энергетического оборудования. Данная модернизация обойдется значительно дешевле, чем дополнительное строительство котельных установок и печей, поскольку нет необходимости в осуществлении капитального строительства.

При всем многообразии конструктивных решений утилизаторов тепла вторичных энергоресурсов в каждом из них имеются следующие элементы: среда – источник тепловой энергии; среда – потребитель тепловой энергии; теплоприемник-теплообменник, воспринимающий тепло от источника; теплопередатчик-теплообменник, передающий тепловую энергию потребителю, рабочее вещество, транспортирующее тепловую энергию от источника к потребителю. В качестве низкотемпературного источника энергии подобных тепловых насосов используется окружающая среда (водные бассейны, грунт, грунтовые воды, отработанные вода и пар промышленных производств и т.д.), а также вторичные и альтернативные источники энергии. К таким устройствам относятся как парокомпрессионные тепловые насосы, так и тепловые насосы на твердых и жидких сорбентах, системы тригенерации энергии (производство электричества, теплоты и холода), системы кондиционирования (в том числе для энергоэффективного строительства).

Заключение

Использование сорбционных тепловых насосов и холодильников выгодно для энергосбережения в строительной индустрии, энергетике, промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве. Основными источниками теплоты для этих машин являются теплота сжигания природного газа, сбросное тепло предприятий и систем теплоснабжения, а также грунт, геотермальные и грунтовые воды. В качестве источника низкотемпературного тепла в испарителе теплового насоса используют тепло окружающего и вытяжного воздуха, грунта, природных водоемов, грунтовых вод, канализационных стоков и пр. Системы когенерации и тригенерации энергии особенно эффективны и экономически выгодны, когда сорбционные тепловые насосы и охладители применяются в сочетании с электрогенерирующими источниками (топливные элементы, фотоэлектрические панели, дизель-
генераторы и т.д.)

Литература

1. Z. Lian et al. International Journal of Refrigeration. 28. 2005. P. 810–819.

2. Васильев, Л.Л. Перспективы применения тепловых насосов в Республике Беларусь // ИФЖ. – 2005. – Т. 78. – № 1. – С. 23–34.

3. Антух, А.А., Филатова, О.С., Васильев, Л.Л. Тепловой насос для систем тригенерации энергии (электричество, теплота, холод) // Энергоэффективность. – 2006. – № 1.

4. Жданок, С.А., Васильев, Л.Л. Возобновляемые источники энергии. Повышение их значимости в ХХI веке и возможности практического применения // Строительная наука и техника. – 2009. – № 1 (22). – С. 6–10.

5. Аристов, Ю.И., Васильев, Л.Л., Накоряков, В.Е. Современное состояние и перспективы развития химических и сорбционных тепловых машин в Российской Федерации и Республике Беларусь // ИФЖ.– 2008. – Т. 81. – № 1. – С. 19–48.


comments powered by HyperComments
Читайте также
23.07.2003 / просмотров: 6 093
Геннадий Штейнман XVIII съезд Белорусского союза архитекторов завершил свою работу. Еще долго мы будем обсуждать его решения, осмысляя свои и чужие...
02.09.2003 / просмотров: 8 807
Центр Хабитат является органом, осуществляющим информационно-аналитическое обеспечение работ Минстройархитектуры по устойчивому развитию населенных...
02.09.2003 / просмотров: 17 542
Беларусь всегда была на передовых позициях в вопросах ценообразования в строительстве в бывшем СССР. Однако еще в конце 1980-х годов, когда страна...