ПРОЦЕСС КОГЕНЕРАЦИИ НА КОТЕЛЬНЫХ МАЛОЙ И СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ ДЛЯ ЗАПАДНО–СИБИРСКОГО РЕГИОНА

PROCESS COGENERATION BOILER LOW AND MEDIUM POWER WITH THE USE OF HEAT PUMPS FOR THE WEST SIBERIAN REGION

Olga Horoshih

postgraduate of the chair «Heat Power engineering» Omsk state transport University,

Russia, Omsk

Natalia Troshina

postgraduate of the chair «Heat Power engineering» Omsk state transport University,

Russia, Omsk

АННОТАЦИЯ

Рассмотрена возможность использования процесса когенерации на котельных малой и средней мощности совместно с тепловыми насосами. Приведены особенности строительства грунтового коллектора применительно для Омского региона.

ABSTRACT

Possibility of use of process cogeneration boiler low and medium power together with heat pumps. The peculiarities of construction of an underground collector in relation to the Omsk region.

Ключевые слова: тепловая энергия, когенерационная установка, тепловой насос, котельная, грунт, аккумулирующая среда.

Keywords: thermal energy, cogeneration unit, heat pump, boiler plant, ground, accumulating environment.

Путем систематизированного внедрения возобновляемых источников энергии, теплонаносных и комбинированных установок в системы теплоснабжения объектов промышленного и гражданского назначения возможно добиться значительной экономии топливно-энергетических ресурсов и рационального использования органи­ческого топлива.

В России при производстве энергии существуют территориальные системы комбинированной выработки энергии, которые называются когенерационными, в рамках которых осуществляется совместное производство тепловой и электрической энергии [2].

На когенерационных установках в качестве первичного источника энергии используются двигатель внутреннего сгорания и электро­генератор, для получения электрической и тепловой энергии. Основными достоинствами таких установок является снижение затрат на производство электрической и тепловой энергии за счет близкого расположения к потребителю, отсутствие дорогостоящих линий электропередач и подстанции, экологическая безопасностью и др. [3].

При использовании процесса когенерации возникает актуальный вопрос – что делать с тепловой энергией в летний период года, так как использование тепловой энергии актуально только в зимний (отопительный) сезон. Для решения этого вопроса необходимо альтернативное решение, позволяющее рационально использовать невостребованную тепловую энергию.

Одним из решений данного вопроса может стать межсезонное аккумулирование теплоты для дальнейшего использования в отопительный сезон. Таким образом, невостребованную в летний период тепловую энергию можно эффективно использовать в системах теплоснабжения через процесс аккумулирования, что позволит практически вдвое увеличить потенциал когенерационных установок при неизменной мощности и топливопотреблении. Дальнейшее использование накопленной тепловой энергии будет достаточно затруднительно, поскольку сохранившееся тепло будет иметь низкий потенциал.

Рассмотрим некоторые особенности аккумулирования тепловой энергии. Аккумулирующая установка (аккумулятор) должна отвечать ряду определенных требований. Длительное время аккумулирования тепловой энергии может сопровождаться тепловыми потерями самого аккумулятора. Возможность этих потерь необходимо минимизировать при помощи правильно подобранной теплоаккумулирующей среды и теплоизоляционной конструкции аккумулятора.

Для сезонных аккумуляторов в качестве аккумулирующей среды могут выступать вода и водные растворы солей, природный камень, галька или грунт. В зависимости от выбранной аккумулирующей среды различают следующие типы аккумуляторов: емкостные, грунтовые и аквиферные. Каждый тип аккумуляторов обладает рядом своих преимуществ и недостатков. Выбор оптимального типа можно сделать только после дательного анализа: построения физических и математических моделей, конкретных расчетов, а также сопоставления затрат на строительство таких систем, легкости управления процессом и повсеместного распространение теплоаккумулирующей среды. С экономической точки зрения при выборе аккумулятора предпоч­тения отдают природным типам. В настоящее время наибольшее распространение получили грунтовые массивы [1].

Ключевая идея рассматриваемой системы состоит в сбросе неиспользованной в летний период тепловой энергии и дальнейшее её накопление непосредственно в грунте. Использование накопленной энергии в отопительный период предполагается осуществлять с помощью геотермальных тепловых насосов. Ключевая часть данной системы - подземный аккумулятор. Схематическое представление одного из типов грунтового аккумулятора изображено на рисунке 1.

Грунтовый аккумулятор состоит из системы вертикальных теплообменников, представляющих собой замкнутые вертикальные U-образные скважины. На рисунке 2 представлен вертикальная геотермальная скважина.

Рисунок 1. Схематическое представление грунтового аккумулятора

Рисунок 2. Вертикальная укладка геотермального зонда

Система вертикальных теплообменников глубиной L размещаются равномерно по площади грунтового коллектора с равномерным шагом (расстояние между скважинами). Для Омского региона по экспери­ментальным данным желательно принимать L ≤ 90 м, расстояние между скважинами 1,6 м. Материал для геотермального зонда предпочтительно использовать полиэтиленовую трубу и U-образный наконечник марки ПНД SDR 11 – 40×3,7 технический тип «Т» диаметром 40 мм.

Работа грунтового аккумулятора организуется посредством равномерной теплопередачи всех теплообменников по всему объему. При наступлении разрядки грунтового аккумулятора периферийные теплообменники отключаются для обеспечения стабильного и равномерного извлечения теплоты из буферной подобласти.

Поскольку накопленная энергия является низкопотенциальной, то для разрядки аккумулятора рационально использовать именно тепловые насосы грунтового исполнения, которые как основной источник энергии используют низкопотенциальное тепло грунта. В данном случае аккумулированная энергия будет иметь более высокий потенциал, чем естественный грунт. Температура в акку­муляторе может достигать от 19 С⁰ до 45 С⁰, когда естественная температура грунта при работе теплового насоса на протяжении отопительного периода колеблется от +6 С⁰ в начале и до -3 С⁰ в конце отопительного периода. Данные условия являются основопола­гающими для достижения максимальной эффективности работы теплового насоса, так как коэффициент трансформации (СОР) теплового насоса значительно увеличиваться с ростом температуры в низкопотенциальном контуре и может достигать максимальных значений в диапазоне от 5,3 до 6,0 [4]. Экономическим преимуществом при первоначальных затратах на создание аккумулятора послужит единое использование геотермальных скважин как для сброса тепла, так и для его потребления тепловым насосом. Размещать грунтовый аккумулятор необходимо в непосредственной близи от теплового насоса во избежание лишних теплопотерь и вблизи потребителя тепла, такие как потребление на нужды котельной, увеличение выработки тепловой энергии, или теплообеспечение объектов гражданского и промышленного назначения с низкопотенциальным системами отопления – фанкойлы и водяной теплый пол.

Совместное использование когенерационных установок и тепловых насосов позволяет использовать вырабатываемую тепловую энергию с максимальным энергосбережением и энергоэффективностью.

Для создания грунтового аккумулятора за основную среду необ­ходимо применять естественный грунтовый массив. По геологическим и климатическим особенностям данной местности оценивается теплопроводность почвы, глубина промерзания, скорость теплообмена грунта и с учетом данных показателей рассчитывается технические параметры аккумулятора.

Значимость проекта будет возрастать по мере удорожания производства тепловой и электрической энергии.

Список литературы:

1. Гарькавый К.А. Методы сезонного аккумулирования теплоты // Международный научный журнал «Инновационная наука». – 2016. – № 2 – С. 29–30.
2. Матвеева А.С. Экономические проблемы эффективности когенерации // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 11.
3. Трошина Н.С. О моделировании задачи оптимизации показателей экономичности когенерационных газопоршневых установок с учетом эксплуатационных затрат и показателей вредных выбросов // Омский научный вестник. – 2017. – № 6(156). – С. 97–101.
4. Хороших О.В., Стариков А.П., Громов А.Н. Повышение энергоэф­фективности объектов энергетики и систем теплоснабжения // Повышение эффективности объектов теплоэнергетики и систем теплоснабжения: Межвузовский тематический сборник научных трудов / Омский государственный университет путей сообщения. Омск. – 2016. – С. 29–30.