Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли. Васильев Г.П. 2006

Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли
Васильев Г.П.
Издательский дом «Граница». Москва. 2006
176 страниц
ISBN 5-94691-202-Х
Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли. Васильев Г.П. 2006
Содержание: 

В монографии представлен краткий обзор современного состояния проблемы использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли в геотермальных теплонасосных системах теплохладоснабжения (ГТСТ) в мире и приведен анализ причин, сдерживающих их внедрение в России. Описана математическая модель теплового режима систем сбора низкопотенциального тепла грунта (систем теплосбора), учитывающая фазовые переходы поровой влаги в грунте при многолетней эксплуатации ГТСТ. Математическая модель базируется на разработанном автором оригинальном методе математического моделирования и описывает нестационарный пространственный тепловой режим фунтового массива систем теплосбора со стоками тепла (фунтовыми теплообменниками). С помощью разработанных моделей автором впервые получены новые научные данные об эквивалентной теплопроводности грунтов, учитывающей скрытую теплоту фазовых переходов поровой влаги, как для грунтов по классификации ASHRAE, так и для грунтов, имеющих распространение в России (по классификации СНиП 2.02.04-88). Описываемые новые технологии и методы использования низкопотенциального геотермального тепла, в том числе и в системах энергоснабжения, когенерирующих тепловую и электрическую энергию, базируются на научном заделе авторов и на новом подходе к комплексу - система электроснабжения + здание + ГТСТ как к единой теплоэнергетической системе, который позволил определить основные технологические параметры комплекса: рациональные технологические параметры аккумуляционной геотермальной теплонасосной системы теплоснабжения, а также рациональный уровень теплозащиты ограждающих конструкций зданий, оснащаемых ГТСТ. Результаты математического моделирования и теоретических исследований апробированы автором в натурных условиях на реальных экспериментальных зданиях, оборудованных ГТСТ и эксплуатируемых уже более 10 лет. В монографии представлен фактический экспериментальный материал о тепловом поведении систем здание + ГТСТ при многолетней эксплуатации и результаты мониторинга теплового режима наиболее значимых экспериментальных объектов.

Представленный в монографии материал, безусловно, будет полезен проектировщикам и специалистам, работающим в области энергосбережения, и фактически является первой в стране публикацией, обобщающей отечественный технологический опыт применения ГТСТ в климатических условиях России.

Введение

Глава 1. Мировой опыт использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли в геотермальных теплонасосных системах теплохладоснабжения (ГТСТ) зданий и сооружений
1.1. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли
1.2. Грунт поверхностных слоев Земли как источник низкопотенциальной тепловой энергии для теплохладоснабжения зданий и сооружений
1.3. Системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта поверхностных слоев Земли
1.4. Существующий опыт использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли в теплонасосных системах теплохладоснабжения зданий и сооружений

Глава 2. Тепловой режим теплонасосных системах теплохладоснабжения зданий и сооружений, использующих низкопотенциальную тепловую энергию поверхностных слоев Земли
2.1. Математическая модель пространственного нестационарного теплового режима систем сбора низкопотенциального тепла грунта поверхностных слоев Земли
2.1.1. Особенности теплового режима систем сбора низкопотенциального тепла грунта как объекта моделирования
2.1.2. Метод математического моделирования теплового режима систем сбора низкопотенциального тепла грунта
2.1.3. Пространственная и «псевдопространственная» теплогидравлические модели нестационарного теплового режима системы сбора низкопотенциального тепла грунта
2.1.4. Методика определения эквивалентной теплопроводности грунтового массива, учитывающей изменение агрегатного состояния влаги в поровом пространстве грунта
2.2. Моделирование эксплуатационных режимов ГТСТ и оценка факторов, влияющих на эффективность использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплохладоснабжения зданий и сооружений
2.2.1. Основные факторы, определяющие тепловой режим систем сбора низкопотенциального тепла грунта и оценка эффективности многолетней эксплуатации геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения зданий и сооружений
2.2.1.1. Теплофизические свойства грунтов
2.2.1.2. Эквивалентная теплопроводность
2.2.1.3. Теплотехнические параметры систем теплосбора
2.2.1.4. Конструктивные факторы, определяющие тепловой режим систем сбора низкопотенциального тепла грунта и оценка эффективности многолетней эксплуатации ГТСТ
2.2.1.5. Экономические аспекты влияния конструктивных параметров системы теплосбора на эффективность эксплуатации ГТСТ
2.2.2. Комбинированное использование грунта и других источников низкопотенциальной тепловой энергии в теплонасосных системах теплохладоснабжения зданий и сооружений
2.2.2.1. Комбинированное использование низкопотенциального тепла грунта и атмосферного воздуха
2.2.2.2. Комбинированное использование низкопотенциального тепла грунта, вентиляционных выбросов и канализационных стоков

Глава 3. Натурные экспериментальные исследования теплового режима теплонасосных систем теплохладоснабжения зданий, использующих низкопотенциальное тепло поверхностных слоев Земли
3.1. Цель и задачи натурных экспериментальных исследований
3.2. Натурные исследования теплового режима опытных ГТСТ экспериментальных зданий демонстрационного комплекса «ЭКОПАРК «ФИЛИ» в Москве
3.3. Натурные исследования теплового режима геотермальной теплонасосной системы теплоснабжения энергоэффективной сельской школы в деревне Филиппово Любимского района Ярославской области
3.4. Натурные исследования теплового режима теплонасосной системы горячего водоснабжения экспериментального энергоэффективного 17-этажного жилого дома в Москве, в микрорайоне Никулино-2
3.4.1. Тепловой режим базового жилого дома
3.4.2. Экспериментальный энергоэффективный жилой дом
3.5. Сравнение результатов экспериментальных и теоретических исследований

Глава 4. Компоновочные, технические и технологические решения рациональной интеграции геотермальных теплонасосных систем теплохладоснабжения зданий и сооружений в существующую систему централизованного теплоснабжения России
4.1. Использование низкопотенциального геотермального тепла для теплоснабжения зданий и сооружений в районах распространения вечномерзлых грунтов

Глава 5. Экономические аспекты использования низкопотенциального тепла грунта поверхностных слоев Земли для теплохладоснабжения зданий и сооружений
5.1. Технико-экономическая модель комплекса здание + ГТСТ + климат, как единой экоэнергетической системы
5.2. Рациональный уровень теплозащиты ограждающих конструкций зданий, оснащенных теплонасосными системами энергоснабжения когенерирующими электрическую и тепловую энергию
5.3. Рациональные параметры аккумуляционной теплонасосной системы горячего водоснабжения
5.4. Экологическая составляющая тарифов
5.5. Оценка возможной эффективности внедрения геотермальных систем теплохладоснабжения зданий и сооружений для национальной экономики России

Выводы
Библиографический список

Введение

Эффективность использования энергии является своего рода индикатором научно-технического и экономического потенциала общества, позволяющим оценивать уровень его развития. Сопоставление показателей энергетической эффективности экономики России и развитых стран показывает, что удельная энергоемкость нашего валового внутреннего продукта (ВВП) в несколько раз выше. Так, уровень энергопотребления в расчете на единицу сопоставимого ВВП России примерно в 4 раза выше, чем в США – стране с высокой энерговооруженностью материального производства, сферы услуг и быта.

Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергоэффективных технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ), и в первую очередь в области тепло- хладоснабжения зданий и сооружений, являющихся сегодня в России одним из наиболее емких потребителей топливно-энергетических ресурсов. Преимущества технологий тепло- хладоснабжения, использующих НВИЭ, в сравнении с их традиционными аналогами связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также предоставляемыми новыми возможностями в области повышения степени автономности систем жизнеобеспечения зданий. По всей видимости, в недалеком будущем именно эти качества будут иметь определяющее значение в формировании конкурентной ситуации на рынке теплохладогенерирующего оборудования как в нашей стране, так и за рубежом.

В последнее десятилетие все большее распространение в мире получают новые энергоэффективные технологии жизнеобеспечения зданий, базирующиеся на применении теплонасосных систем теплохладоснабжения (ТСТ). Все широкомасштабные программы по экономии энергии, реализуемые за рубежом, предусматривают их широкое использование.

В наиболее общей конфигурации ТСТ здания или сооружения включает в себя следующие основные элементы:

  • низкопотенциальную часть (источник низкопотенциальной тепловой энергии, или потребитель холода) – систему сбора низкопотенциального тепла (систему теплосбора) или систему хладоснабжения (кондиционирования);
  • высокопотенциальную часть (потребитель тепловой энергии) – системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения здания или сооружения;
  • теплонасосное оборудование.

С точки зрения термодинамики тепловой насос (ТН) представляет собой обращенную холодильную машину и, по аналогии, содержит испаритель, конденсатор и, как правило, компрессор. В основном используются два типа ТН: абсорбционный и наиболее распространенный – парокомпрессионный. Если в холодильной машине основной целью является производство холода путем отбора тепла из какого-либо объема испарителем, а конденсатор осуществляет сброс тепловой энергии в окружающую среду, то в тепловом насосе картина обратная. Конденсатор является теплообменным аппаратом, выделяющим «полезное» тепло для потребителя, а испаритель – теплообменным аппаратом, утилизирующим низкопотенциальную тепловую энергию: вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) и (или) нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ). Среди возможных источников низкопотенциальной тепловой энергии необходимо выделить следующие:

  • окружающий воздух;
  • грунт поверхностных слоев Земли;
  • водоемы и природные водные потоки;
  • вентиляционные выбросы зданий и сооружений;
  • канализационные стоки;
  • сбросное тепло технологических процессов.

Проведенный анализ эффективности различных источников низкопотенциальной тепловой энергии показал, что в почвенно-климатических условиях России наиболее перспективными являются ТСТ зданий и сооружений, использующие в качестве источника тепла низкого потенциала повсеместно доступный грунт поверхностных слоев Земли.

Грунт поверхностных слоев Земли фактически представляет собой тепловой аккумулятор неограниченной емкости, тепловой режим которого формируется под воздействием двух основных факторов: солнечной радиации и потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр.

За прошедшее десятилетие в мире значительно увеличилось количество ТСТ, использующих низкопотенциальное тепло поверхностных слоев Земли. В англоязычной технической литературе такие системы обозначаются как «GHP» – «geothermal heat pumps», геотермальные тепловые насосы. Наибольшее распространение эти системы получили в США, Канаде и в странах Центральной и Северной Европы: Австрии, Германии, Швеции и Швейцарии. Сегодня в мире общая установленная мощность подобных ТСТ приближается к 7 млн. кВт. Мировым лидером по величине использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли на душу населения является Швейцария.

В России, к сожалению, построены и эксплуатируются лишь единичные здания, оснащенные ТСТ, использующими низкопотенциальное тепло поверхностных слоев Земли, наиболее интересные из которых представлены в настоящей монографии.

Основной вклад в научное обеспечение развития этого направления был сделан зарубежными учеными, среди которых нужно выделить Ж. Лунда, Л. Рибаха, К. Шлоссера и Р. Гордона. Вместе с тем существенные успехи в создании теоретических основ и математических моделей теплового режима теплонасосных систем теплоснабжения зданий и сооружений связаны с именами российских ученых: Ю.А. Табунщикова, В.Н. Богословского, Е.Я. Соколова, Е.С. Мартыновского, А.Н. Дмитриева, А.В. Лыкова и других.

Такое положение дел с внедрением в практику отечественного строительства геотермальных теплонасосных систем тепло- хладоснабжения (ГТСТ) зданий и сооружений связано с рядом объективных обстоятельств, таких, как переход национальной экономики к рыночным отношениям, искаженные тарифная политика и структура цен на энергетические ресурсы, а также господствующая до недавнего времени в России доктрина повсеместной централизации теплоснабжения, доставшаяся в «наследство» от энергорасточительного СССР. Но основным препятствием, сдерживающим внедрение ГТСТ, является фактическое отсутствие математического, программного и нормативного обеспечения проектирования и строительства этих систем в почвенно-климатических условиях России.

Дело в том, что, в отличие от традиционных аналогов, для ТСТ, и в особенности для ГТСТ, характерны повышенные единовременные капитальные вложения при сравнительно низких эксплуатационных издержках. Вместе с тем их применение позволяет не только обеспечить экономию энергоресурсов, но и получить значительный экологический эффект от сокращения сжигания традиционного органического топлива. Таким образом, эффективность ГТСТ в значительно большей степени, чем традиционного теплогенерирующего оборудования, зависит от согласованности всех элементов комплекса: здание + система теплоснабжения + климат + окружающая среда.

поддержать Totalarch

Добавить комментарий

CAPTCHA
Подтвердите, что вы не спамер