Обоснование параметров системы автономного теплоснабжения сельского дома с использованием возобновляемых источников энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ, кандидат технических наук Чемеков, Вячеслав Викторович

экодом сайт
карбоновые обогреватели для дома энергосберегающие
обогреватели для дома энергосберегающие инфракрасные купить
экодом омск официальный сайт

Обоснование параметров системы автономного теплоснабжения сельского дома с использованием возобновляемых источников энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.08, кандидат технических наук Чемеков, Вячеслав Викторович

Специальность ВАК РФ 05.14.08
Количество страниц 152

Скачать автореферат
Читать автореферат

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чемеков, Вячеслав Викторович

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Перспективы использования возобновляемых источников энергии в системах автономного теплоснабжения.

1.2 Анализ методов оценки потенциала возобновляемых энергоресурсов.

экодом сочи сайт

1.3 Анализ методов оценки энергоэффективности малоэтажного строительства

1.4 Формулировка методики обоснования параметров системы автономного теплоснабжения.

1.5 Цель и задачи исследования.

2 МОНИТОРИНГ МЕТЕОПАРАМЕТРОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ ИСТОЧНИКИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ.

2.1 Разработка измерительной системы мониторинга метеопараметров.

2.2 Результаты мониторинга метеопараметров.

2 .3 Сравнительная характеристика результатов мониторинга метеопараметров с данными стационарных метеостанций.

2 .4 Оценка потенциала источников возобновляемой энергии.

2.4.1 Оценка низкопотенциальных источников тепла.

2.4.2 Оценка ветрового энергетического потенциала.

2.4.3 Оценка потенциала солнечной энергии.

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ СЕЛЬСКОГО ДОМА.

3.1 Разработка концепции автономного теплоснабжения сельского дома.

3.2 Разработка методики расчета теплопотребления жилого дома на основе данных мониторинга метеопараметров.

3 .2 .1 Параметры микроклимата и температурный режим.

3.2.2 Расчет теплопотребления на отопление.

3.2.3 Расчет нагрузки горячего водоснабжения.

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ

4.1 Разработка системы автономного теплоснабжения на основе комбинированного использования возобновляемых источников энергии.

4.2 Модели теплогенерирующего оборудования.

4.2.1 Анализ рабочих характеристик теплового насоса «воздух-вода».

4.2.2 Анализ теплового баланса солнечного коллектора, водонагревателя и теплообменника.

4.3 Модели электрогенерирующего оборудования.

4.3.1 Анализ параметров работы ветроэлектрической установки.

4.3.2 Анализ параметров работы фотоэлектрических модулей.

4.3.3 Анализ параметров работы электрохимических аккумуляторов.

4.4. Оптимизация параметров системы автономного теплоснабжения.

4.4.1 Разработка модели системы автономного теплоснабжения.

4.4.2 Определение оптимальных параметров теплового насоса.

4.4.3 Определение оптимальных параметров солнечных коллекторов.

4.4.4 Определение оптимальных параметров ветроэлектрической установки и фотоэлектрических модулей.

4.5 Оценка экономической эффективности системы автономного теплоснабжения.

4.5.1 Методика определения показателей экономической эффективности.

4.5 .2 Технико-экономическая оптимизация параметров.

5 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ АВТОНОМНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОГО ДОМА.

5.1 Разработка автоматизированной информационно-измерительной системы мониторинга параметров функционирования систем автономного теплоснабжения.

5.2 Измерение параметров экспериментальной системы теплоснабжения на базе теплового насоса «воздух-вода».

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров системы автономного теплоснабжения сельского дома с использованием возобновляемых источников энергии»

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. м индивидуального малоэтажного жилья, в 2007 г. — 2 млн 597 тыс. м . Вместе с тем в городах и районах края уже отобраны около двухсот участков общей площадью 3300 га, которые будут до 2015 г. комплексно застраиваться жильем, в том числе 630 га малоэтажным [1]. 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 электрических сетей, что также повышает перспективность использования возобновляемых источников энергии, особенно для объектов, удаленных от существующих централизованных энергосистем.

Южный федеральный округ 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 за счет ввода новой парогазовой установки), собственные генерирующие мощности Краснодарского края покрывают только около 50% электропотребления. Основные электрогенерирующие мощности ЮФО расположены в соседних с Краснодарским краем субъектах: Ставропольская ГРЭС мощностью 2,4 ГВт, Волгодонская АЭС мощностью 2 ГВт. В то же время около половины муниципальных образований края на данный момент не имеют резервов электропотребления. Газоснабжение Черноморского побережья Краснодарского края по-прежнему остается острой проблемой. Только в 2010 г. было принято решение о строительстве газопровода Джубга — Лазаревское — Сочи по дну Черного моря в связи со строительством олимпийских объектов в районе города Сочи и его развития как горноклиматического курорта. Протяженность газопровода составит 177 км, из которых 159,5 км пройдут по дну Черного моря вдоль прибрежной полосы на расстоянии 4,5 км от берега, при этом ежегодная производительность газопровода составит около 3,8 млрд куб. м. газа в год.

В настоящее время из всех видов возобновляемых источников наиболее широко используется солнечная энергия, технологии преобразования которой в тепловую энергию наиболее развиты и широко распространены. Для использования в системах автономного теплоснабжения также одним из перспективных источников является низкопотенциальная тепловая энергия, фактически та же солнечная энергия, накопленная в грунте, воде и воздухе окружающей среды. Например, оцененный потенциал низкопотенциальной геотермальной энергии для Ярославской области на глубине 100.200 м, составляет 1,5. 1,75 млн т.у.т., и по некоторым оценкам этого достаточно, чтобы покрыть 30.40% годового теплопотребления региона [2]. В более теплых климатических условиях Краснодарского края со средней температурой воздуха в отопительный период около +5 °С предпочтительнее использовать низкопотенциальную теплоту воздуха. В этом случае трансформирование тепловой энергии с низкого температурного уровня на более высокий осуществляется с помощью тепловых насосов (ТН) типа «воздух-вода», позволяющих получить температуру теплоносителя, пригодную для нужд как отопления, так и горячего водоснабжения (ГВС).

Для питания компрессора теплового насоса необходима электроэнергия, а значит, для работы системы автономного теплоснабжения на базе теплонасосной установки (ТНУ) требуются дополнительные источники электроснабжения. Рассматривая только возобновляемые виды энергии в качестве электрогенерирующего оборудования, можно использовать фотоэлектрические модули (ФЭМ), ветроэлектрические установки (ВЭУ) и в редких случаях микроГЭС, а также комбинированные системы на их основе [3].

Фотоэлектрические модули не всегда могут полностью обеспечить электропитание компрессора теплового насоса, особенно в зимние дни с низкой интенсивностью солнечной радиации и в то же время с высокой потребностью дома в отоплении. Кроме того, фотоэлектрические преобразователи имеют сравнительно низкий КПД, в связи с чем для получения требуемой мощности необходимо использовать большое количество ФЭМ. Поэтому более предпочтительным выглядит преобразование солнечного излучения в тепловую энергию с помощью солнечных коллекторов (СК) и использования ее для нужд горячего водоснабжения. В случае совместного использования ТН и СК появляется возможность повысить общую эффективность их использования путем догрева низкопотенциального теплоносителя, поступающего в испаритель ТН, за счет тепла, полученного от солнечного излучения в СК. Кроме того, сокращается потребление электрической энергии, затрачиваемой на привод компрессора ТН. В таком случае хорошим источником электрической энергии для системы теплоснабжения с ТН и СК будет являться ВЭУ, которая при благоприятных ветровых условиях способна покрыть всю электрическую нагрузку теплового насоса. При определенных соотношениях мощностей теплового насоса, ветроэлектрической установки, фотоэлектрических модулей, площади солнечных коллекторов, емкости тепловых и электрических аккумулирующих устройств, принятых для покрытия расчетной тепловой нагрузки жилого дома, достигается минимум затрат на систему в целом. Поэтому возникает задача обоснования параметров таких комбинированных систем путем оптимизации технико-экономических характеристик и определения наилучших параметров оборудования, режимов его функционирования и показателей эффективности.

Все это определяет актуальность исследования и позволяет сформулировать цели и задачи.

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.

— 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, применением 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 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 и строительства систем автономного теплоснабжения индивидуальных жилых домов на основе оборудования возобновляемой энергетики. Использование рекомендаций позволяет в каждом конкретном случае для выбранных климатических условий определить стратегию и 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 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» (17-21 сентября 2007, Крым, Украина).

8-я специализированная выставка «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» (2-5 октября 2007, Москва).

IV Международная конференция «Возобновляемая и малая энергетика — 2007» (24-25 октября 2007, Москва).

XIII Международная научно-техническая конференция «Теплоэнергетика XXI века» (10-12 апреля 2008, пансионат «Юность», Щелково).

6-я Международная научно-техническая конференция «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (13-14 мая 2008, Москва).

IV Всероссийский конкурс «Инновационные и технологические предпринимательские проекты среди молодежи» (14-16 октября 2008, Москва).

Шестая Всероссийская научная молодежная школа «Возобновляемые источники энергии» (25-27 ноября 2008, Москва).

7-я Международная научно-техническая конференция «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (18-19 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 «ЕСТ-2011» (May 5-6 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 и приложения. Диссертация изложена на 143 страницах.

модульный экодом
экодом для кукол

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чемеков, Вячеслав Викторович

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии», 05.14.08 шифр ВАК

Оптимизация параметров теплоиспользования в системах централизованного теплоснабжения городов 2002 год, доктор технических наук Семенов, Борис Александрович