Размещено на http://www.allbest.ru/

ОАО" НПЦ "Недра"

Оптимизация технолого-технических и регионально-геологических решений при разработке и внедрении в России инновационных технологий на возобновляемых энергоресурсах

К.т.н. М.И. Калинин, руководитель сектора

С.Г. Шахназаров, заместитель генерального директора

Ярославль

Принятый в России курс на модернизацию экономики страны в качестве одного из приоритетных направлений предусматривает масштабное внедрение энергоэффективных технологий. Базой для этого может послужить широкое освоение повсюду окружающих нас низкопотенциальных возобновляемых источников энергии (ВИЭ) с использованием для подъема теплового потенциала ВИЭ тепловых насосов.

Согласно опубликованной недавно информации о принятой странами - членами ЕС Директиве по использованию низкопотенциальных тепловых источников ( Директива DURES [1]), примененная в ней методика расчета количества энергии, поставляемой тепловыми насосами от окружающей среды, относит эту энергию к возобновляемой при достижении значений сезонного коэффициента преобразования тепла в электрическом тепловом насосе (КПТН), превышающих величину 2,875 ед. [1]. Если умножить эту цифру на средний в странах ЕС к.п.д. выработки электроэнергии (КПД_э), необходимой для привода тепловых насосов - 0,4 [1], получим минимальную эффективную величину коэффициента использования первичной энергии (КИПЭ - аналог к.п.д. котельных) в теплонасосных системах (ТНС), равную 1,15 ед. Ниже этой величины проекты на ВИЭ теперь считаются в Европе экономически невыгодными по отношению к проектам на традиционных энергоносителях.

Планируя первоначально достижение величины 1,15 в качестве целевой функции при проектировании отечественных ТНС, определяющей желаемый уровень снижения эксплуатационных расходов, путем простого пересчета получаем, что при традиционно обеспечиваемых КПД_э в России (как правило, в диапазоне 0,30 - 0,35), экономическая эффективность применения теплонасосной технологии на ВИЭ будет гарантирована при значении КПТН от 3,3 до 3,8 ед. и выше. На среднюю величину КПТН в указанном диапазоне (3,5 ед.) ориентировались в расчетах, вводя ограничение КИПЭ ? 1.

Использование такого вида ВИЭ, как геотермальная энергия, с применением глубоких и мелких скважин [2], в особенности последних, предназначенных для освоения теплового потенциала повсеместно распространенных приповерхностных (до глубины 100 - 200 м) геотермальных ресурсов по технологии грунтовых ТНС, получило развитие во всем мире с тиражом установок для объектов самого различного назначения, перевалившим уже к 2005 г. один миллион единиц [3]. Однако применительно к геолого - климатическим условиям средней полосы России ( температуры грунта ниже среднеевропейских, отопительные периоды в 1,5 - 2 раза продолжительнее), достижение указанной выше отметки КИПЭ, в особенности, при геотермальном отоплении, представляет значительные трудности. Это связано с тем , что при традиционных (80 - 95⁰С) и даже среднетемпературных (60 - 70⁰С) режимах нагрева воды для отопления, с учетом рекомендованных мировым опытом ограничений на снижение температуры теплоносителя в грунтовом контуре при его эксплуатации в течение 15 - 30 лет (до - 4 или -5⁰С [4]), такие режимы отопления приводят либо к низким КПТН из - за превышения экономически обоснованных температурных перепадов в испарителе и конденсаторе теплового насоса ( 35 - 55⁰С [5]), либо к снижению общего к.п.д. грунтовой ТНС из - за необходимости применения неэкономичных уровней догрева воды в пиковом догревателе ( на 20 - 40⁰С).

Достигнутый пока в отечественной практике эксплуатации грунтовых ТНС в центральных регионах (например, на первой ТНС для геотермального отопления сельской школы, в расчетном режиме нагрева воды до 60⁰С) среднесезонный КПТН за десять прошедших сезонов не превысил 2,5 ед. [6].

Предложения группы компаний " Инсолар " и Центра энергосбережения ГУП " НИИМосстрой " по применению в России, с перспективой массового тиражирования, в т.ч. при отоплении многоэтажных зданий, технологии на основе гибридных теплонасосных систем теплохладоснабжения (ТСТ), использующих комбинацию ВИЭ природного и техногенного происхождения (тепло приповерхностного грунта и тепловые выбросы вентиляции) [7], могут составить основу решения указанной проблемы. В отечественной практике эффективность гибридного варианта подтверждена пока применительно к горячему водоснабжению (ГВС) многоэтажного жилого здания, где было получено удовлетворительное значение среднесезонного КПТН, равное 3,3 ед. [6].

Об актуальности развития такой технологической концепции свидетельствует также проведенное "Инсолар" районирование территории России по значениям КПТН, которое показало, что при допускаемых уровнях использовании теплового потенциала приповерхностного грунта центральные регионы страны попадают в полосу КПТН от 3,2 до 3,4 ед. [8]. С помощью полученных схем , содержащих в т.ч. полезную информацию об удельных годовых затратах энергии на привод тепловых и циркуляционных насосов, а также - на пиковый догрев (с учетом отопления, вентиляции и ГВС), однако не представляется возможным наряду с эксплуатационными расходами оценить капиталоемкость строительства гибридных ТСТ, существенно зависящую от сметной стоимости скважинных теплообменников (СТО) для сбора тепла грунта и во многом определяющую уровень коммерческой привлекательности проектов ТСТ по критерию "срок окупаемости инвестиций". Итак, с позиции коммерцализации геотермальных проектов возникла вторая сложная задача - применительно к регионам России с длительными отопительными сезонами обеспечить удельные показатели строительства скважинных систем теплосбора, соизмеримые с экономически подтвержденными показателями в европейских странах, например, как будет показано ниже, максимально используя региональные гидротехнические и гидрогеологические особенности участков территории под закладку замкнутых вертикальных грунтовых контуров.

Поэтому представленную в указанных публикациях [6-8] базовую технологическую концепцию и другие рассмотренные в них результаты целесообразно дополнить с учетом некоторых из имеющихся к настоящему времени и многократно (на сотнях тысяч объектов разного назначения) проверенных мировой практикой методик моделирования и оптимизации подобных систем [9], в которых иногда развиваются заслуживающие внимания применительно к России альтернативные подходы. Эти методики, часть из которых в достаточной мере адаптирована и усовершенствована в течение последних 10 лет с учетом опыта, накопленного в т.ч. сотрудниками ОАО "НПЦ "Недра" (гор. Ярославль) и другими отечественными исследователями, могут способствовать успешному продвижению проектов с ВИЭ, влияя таким образом на развитие отечественного рынка энергоэффективных технологий.

В частности, эти усовершенствования позволяют подойти к комплексной оптимизации технико - экономических и геолого - экономических показателей гибридных ТСТ за счет сниженных на стадии проектирования уровней эксплуатационных расходов и инвестиций. для чего комплекс работ предваряют выбором приоритетных объектов нового строительства с обоснованием региональных возможностей установки замкнутых контуров с циркулирующим по ним теплоносителем (тосолом) на участках территории, испытывающих тепловую поддержку фильтрующихся грунтовых вод.

На предлагаемой расчетной схеме отопления объекта с теплопотребностью 5 кВт (рис.1), условно ориентированной на потребление компрессором ТН единичной электрической мощности (1 кВт), показаны основные факторы достижения требуемых значений КПТН ? 3,3 ед. и КИПЭ ? 1, на примере установки СТО с U - образными полиэтиленовыми трубками, заложенного в скважине, пересекающей водоносный горизонт (ВГ). Таким образом схема отражает вариант, когда СТО испытывает тепловое влияние, определяемое скоростью фильтрации грунтовых вод (v)и мощностью ВГ(М). Такой вклад является дополнительным по отношению к позитивному влиянию водонасыщенности слоев грунта (зависит от статического уровня жидкости в скважине) на теплофизические характеристики грунта и может, как показали зарубежные исследования, например [10], в 2 и более раз увеличить допускаемые уровни теплосъема или возможную продолжительность отбора тепла с 1 п. м СТО. Однако учет этого вклада значительно затрудняет решение многопараметрической задачи о тепловом поведении грунта при извлечении тепла, а применительно к многоскважинным системам теплосбора, характеризующимся тепловым взаимовлиянием скважин, задача становится еще сложнее.

Поэтому, как правило, известные решения подобных задач ограничены расчетами для единичного СТО (например, [10]), а имеющиеся схемы регионального районирования по допускаемым уровням теплосъема соответственно также выполнены по отношению к 1 п. м единичного СТО определенной конструкции. Аналогом решения задачи в такой постановке являются разработки Геологической службы Земли Северный Рейн - Вестфалия (Германия), которые показали, что в случае районирования территории региона с учетом гидрогеологической обстановки, допустимый теплосъем с 1 п. м, на примере единичного СТО с U - образными трубками, при заданной продолжительности извлечения тепла в данном регионе (2400 ч), может меняться по разным участкам в диапазоне от 60 до 150 кВт-ч в год [11]. Имеются также данные о том, что возможное уменьшение проектной длины СТО за счет фильтрации грунтовых вод нарастает с количеством СТО, уменьшая их тепловое взаимовлияние. Так, например, для условий Северо - Восточной Германии, при переходе от проектов с двумя СТО к проектам с девятью СТО уменьшение длины за счет указанного фактора может меняться с 7 до 17%. В результате проектная длина СТО, приходящаяся на 1 м² отапливаемой площади, к тому же зависящая от увеличения площади, этажности и изменения др. параметров объекта, применительно к бивалентной схеме отопления (с пиковым догревом - рис.1) в жилом секторе меняется примерно от 1,0 до 0,6 п. м [4]. Величины, находящиеся в пределах от среднего до нижнего значений в этом диапазоне нами выбраны в качестве ограничения при решении задачи снижения удельных показателей строительства скважинных систем теплосбора в центральных регионах России до экономически приемлемого уровня (при условии сохранения эффективных технолого - технических показателей - рис.1).

Накопленный мировой опыт показывает, чтобы успешно решать актуальную для России задачу снижения капиталовложений в скважинные системы теплосбора за счет эффективного использования теплового влияния фильтрации грунтовых вод, предпочтение должно отдаваться наиболее подходящим для этой цели конструкциям СТО, методики расчета которых должны включать температурное ограничение на кратковременное слабое промерзание грунта ( до -1⁰С, что соответствует допускаемому снижению температур теплоносителя на внутренних стенках полиэтиленовых трубок: до - 4 или -5⁰С [4]). Это ограничение отвечает также решению другой поставленной задачи, по сохранению значений КПТН при многосезонной эксплуатации на эффективном уровне .

Таким образом, предлагаемая статья ставит целью расширить наработанную группой компаний "Инсолар" теоретическую и практическую базу по развитию теплонасосных комплексов на ВИЭ в России, за счет предлагаемой методики комплексной оптимизации технолого - технических и регионально - геологических решений, с учетом опыта, накопленного сотрудниками ОАО "НПЦ"Недра" (г. Ярославль) и другими отечественными и зарубежными исследователями, что будет способствовать широкому внедрению в стране энергоэффективных технологий, в частности основанных на гибридных ТСТ.

Рис. 1 - Расчетная схема к задаче комплексной оптимизации технолого-технических и регионально-геологических параметров гибридной ТСТ: 1 - здание с повышенной (по современным нормам) теплозащитой и внутрипольной сетью отопления; 2 - тепловой насос ТН (ИТН и КТН - испаритель и конденсатор ТН, КЭП - компрессор с электроприводом, КПТН₁₅ - коэф. преобразования ТН через 15 отопительных сезонов, КИПЭ - коэф. использования первичной энергии, КПД_э - к. п. д. выработки электроэнергии для привода компрессора, ПД - пиковый догреватель); 3 - система теплосбора со скважинными теплообменниками (СТО) ; ВГ - водоносный горизонт.

Выбор конструкции СТО с U-образными полиэтиленовыми трубками в качестве базового варианта (Рис.1) проводился с учетом ее широкой распространенности в Европе [12], а также - по экономическим соображениям, связанным со следующими обстоятельствами. Как показало проведенное на различных физико - математических моделях сравнение нескольких типов и исполнений СТО [13], в случае 2-х или 3-х петлевого исполнения теплосъем с 1 п. м СТО выбранного типа будет лишь на 10 - 15 % меньше, чем для коаксиальной конструкции с большей поверхностью теплосъема. Однако сметная стоимость СТО, приведенная для таких исполнений к 1 п. м, за счет меньших металлоемкости СТО и диаметра скважины оказывается примерно в 1,4 - 1,5 раза ниже [13], что создает возможность полной или частичной компенсации дополнительных затрат на увеличение длины СТО при его проектировании с прицелом на прохождение через водоносные слои грунта. Учитывался также фактор надежности, связанный с антикоррозионным материалом трубок и тем обстоятельством, что с увеличением длины СТО согласно глубине залегания подошвы ВГ (l на рис. 1) с возрастанием l до 100 м и более в СТО коаксиального типа будет нарастать количество стыков, что повышает опасность утечки теплоносителя (тосола) в подземное пространство из - за возможных нарушений герметичности муфтовых соединений, поскольку последние ввиду фазовых переходов влаги в грунте (промерзание - оттаивание) периодически подвергаются температурным деформациям. Важным преимуществом выбранной конструкции СТО (Рис.1) является также возможность изготовления и предварительного испытания в заводских условиях в виде непрерывных (бесстыковых) петель, которые далее удобно поставлять намотанными на катушки к любому месту бурения скважины под СТО. На такие СТО в Европе дают гарантию эксплуатации - не менее 50 лет [11].

Для того, чтобы связать выбранную конструкцию с предлагаемыми ниже подходами к формированию расчетного комплекса для решения единой задачи по оптимизации геолого - экономических и технико - экономических показателей, снова обратимся к выбранной расчетной схеме (Рис.1), предлагая на основе ее методику решения задачи в 2 этапа.

На первом этапе оценивают, в какой степени параметры выбранной гибридной схемы (Рис.1) сравнимы с альтернативным вариантом, использующим только тепло грунта, и позволяют ли они решить поставленную задачу достижения заданных эффективных значений КПТН применительно к отоплению. Для этого используют метод построения и сравнения графиков отопительных нагрузок для обоих вариантов, рассмотренный ранее подробно на примере энергообеспечения коттеджа площадью 350 м² с расчетной мощностью отопления 29,5 кВт [14]. Согласно отношению общего количества произведенного тепла (грунт+электропривод ТН+пиковый доводчик) к количеству энергоресурсов, потребленных за сезон электроприводом, применительно к графику с использованием из ВИЭ только тепла грунта [14], получили КПТН = 2,8 ед., что приводит к рабочему коэффициенту всей установки (с учетом пикового электродогрева) - 2,3 ед.

Если теперь перейти к годовому графику для гибридной ТСТ (Рис.2а - заимствованный пример такого графика [14]), получаем следующее. Поскольку затраты на электроэнергию, потребляемую циркуляционными контурами АПВВ и теплоутилизатора (Рис.1) в разы меньше затрат на работу электропривода ТН, это дает возможность с допускаемой погрешностью условно присоединить количество возвращаемого тепла вентвыбросов, рассчитываемое из графика на рис.2а, к количеству тепловой энергии, вырабатываемой тепловым насосом (грунт + электропривод ТН). Тогда приближенный расчет приведет к коэффициентам 5,8 ед. и 4,0 ед. соответственно ( в сравнении с этим расчет по формуле на рис.1 при выбранном нагреве воды в ТН до 40⁰С дает КПТН = 3,5).

Рис. 2 - Пример результатов расчета [14] для технологии с использованием тепла грунта и вентвыбросов(Т_вых. для 2-х СТО длиной L_p=126 м на расстоянии 9 м за 15 расчетных сезонов удовлетворяют заданному ограничению Т_{вых.мин} не ниже -5⁰С, оптимизированная с учетом тепловой поддержки от фильтрации грунтовых вод, см. ниже, величина L=100 м): а - годовой график отопительных нагрузок; б - графики температурных режимов грунта и теплоносителя для 15-ти отопительных сезонов при средневзвешенных теплофизических характеристиках грунта без учета фильтрации вод (Т_{ст. скв.} - температура грунта у стенки скважины, Т_вх. и Т_вых. - температуры теплоносителя на входе и выходе СТО).

При пересчете периода извлечения тепла грунта (равен отопительному сезону для гор.Ярославля - 5304 ч в год, согласно графику на рис.2а) на максимальные тепловые нагрузки в грунте (рис.2а), с учетом возвращаемого тепла вентвыбросов теплосъем с 1 п. м СТО для приведенного периода - 4800 ч (в 2 раза большего, чем в Германии [11]) снизится со 167 (по варианту с использованием только тепла грунта) до 117 кВт-ч на 1 п. м за сезон, а по удельной тепловой мощности - с 35 до 24,5 Вт на 1 п. м, т.е. в 1,43 раза. Для проектировщика это означает, что в случае применения лишь тепла грунта, к двум СТО - длина каждого, как будет показано ниже, L_р = 126 м, с учетом поправки на скорость фильтрации грунтовых вод будет L = 100 м - выявленным на примере проведенной оптимизации - рис.2 [14], потребовалось бы добавить еще один такой СТО. Поскольку сметная стоимость его будет выше затрат на установку АПВВ с теплоутилизатором, снижающим тепловые нагрузки на систему из 2-х СТО, выбранная схема (Рис.1), добавляющая услугу поддержания микроклимата в помещениях летом, с одновременным тепловым восстановлением скважин (на рис.1 этот контур показан условно) , будет однозначно эффективнее. При этом за счет прямого охлаждения помещений от скважин и возможности круглогодичного их использования, образуется резерв повышения величины КИПЭ, получаемой по формуле на рис.1 (1,05 ед.). Экономическая эффективность такой схемы подтверждена мировой практикой применительно не только к многоэтажным зданиям, но и к индивидуальному жилью [11].

Преимущества использования этого технологического варианта представлены с помощью рис.3, который демонстрирует примерную разницу в значениях КИПЭ, выявленную с помощью метода построения диаграмм энергопотоков [5] для двух сравниваемых вариантов. В результате сравнения, с учетом процентного вклада тепла грунта П_г (рис.3а) , а также - объединенного вклада грунта и вентвыбросов П_г*(рис.3б), которые вычисляли по соотношению площадей на тех же годовых графиках отопления [14] ( в тепло вентвыбросов были включены бытовые тепловыделения), следует, что для гибридной ТСТ сезонное охлаждением от скважин приводит к повышению КИПЭ от 1,05 (КИПЭ _т ) до 1,3 (КИПЭ _тх ), т. е. относительно системы, не использующей функцию охлаждения от скважин, дополнительная экономия ТЭР составит около 25%.

Диаграмма 2, в отличие от диаграммы 1 (рис.3), наглядно демонстрирует соблюдение условия возобновляемости низкопотенциальных источников, которое для выбранной технологической концепции подтверждается полной компенсацией потерь первичной энергии (около 70%) при генерации электроэнергии, необходимой для привода тепловых насосов, когда полезная энергия для вариантов получения тепла или тепла + холода от скважин составит не менее 100%, что соответствует КИПЭ ?1

Рис. 3 - Сравнение диаграмм энергопотоков: а) Энергопотоки по схеме отопления с использованием тепла грунта; б) энергопотоки по вариантам отопления (индекс «т») и теплохладоснабжения («тх») с использованием тепла грунта и тепловых выбросов вентиляции (условно приведено к общему потоку Пг*)

Методы сравнения годовых графиков нагрузок и диаграмм энергопотоков, используемые на 1 этапе оптимизации, выгодно отличаются универсальностью, позволяющей открывать дальнейшие возможности повышения эффективности от расширения услуг. В этом качестве они использованы при разработке и оценке дополнительных инновационных решений по гибридным ТСТ [15]).

После проведенных расчетов, подтверждающих возможность преодоления в отечественных условиях, в т.ч. применительно к отоплению в центральных регионах, вытекающего из европейской директивы нижнего порога эффективности теплонасосных систем (КИПЭ = 1,15, выше которого используемые низкопотенциальные тепловые источники причисляют к разряду возобновляемых [1]), и выбора отправных соотношений для оборудования и технологического режима, удовлетворяющих заданным ограничениям (рис.1), переходят ко второму этапу оптимизации.

Этот этап, регионально - геологический, предлагается проводить в 2 стадии. Сначала, используя в качестве исходных данных полученный график годовых нагрузок и средневзвешенные характеристики (СВТФХ) грунта (метод их определения взят из работы [4]) и варьируя диаметр, характеристики наполнителя, глубину и расстояние для скважин, при заданном количестве СТО подбирают их длину L_р (без учета скорости фильтрации вод). Задавая на первом шаге оптимизации L_р1 = l + д₁, где д₁ назначают из расчета превышения l (рис.1), например, на 30%(возможный максимум для последующих корректировок на скорость фильтрации грунтовых вод), методом компьютерного моделирования, по выбранной для этого, многократно подтвержденной на практике, физико - математической модели [16], проверяют, как удовлетворяют начальные и последующие ( до оптимального L_р) приближения температурному ограничению (рис.2б) при заданном числе отопительных сезонов. Исходя из анализа данных о динамике снижения температуры теплоносителя на выходе СТО в подобных (рыхлых) грунтах: в течение 1-го сезона с 7 до-2,5⁰С, от 1-го по 5-ый сезон еще на 1,5⁰С, с 6-го по 25-ый еще на 1⁰С [4] - расчеты с допускаемой погрешностью ограничили 15-ю сезонами (рис.2б).

Методика и примеры расчета с использованием модели [16], одним из главных достоинств которой является возможность изменения при моделировании расстояний между СТО (согласно рекомендациям [12] составляющим не менее 5-10 м), а также предложенные усовершенствования, касающиеся поиска оптимальных расстояний в многоскважинных системах теплосбора, были рассмотрены ранее [14,17]. Поэтому здесь остановимся подробнее на 2-ой стадии регионально-геологического этапа оптимизации. Она заключается в корректировке предварительно рассчитанной длины L_р до значения L (Рис.1), учитывающего глубину залегания подошвы водоносного горизонта (или нескольких горизонтов) и тепловое влияние скорости фильтрации грунтовых вод. вентвыброс теплохладоснабжение технический

Для решения этой задачи предлагается графо - аналитический метод, основанный на результатах теоретических исследований, выполненных Алтайским региональным центром нетрадиционной энергетики и Алтайским Государственным университетом [18], и анализе региональной гидрогеологической обстановки по участкам территории внутри конкретного муниципального района ( МР) , оцениваемой путем изучения базы данных по геологическим разрезам мелких скважин, в т.ч. пробуренных в данном МР для питьевых нужд. Здесь мы предлагаем также и даем пример более удобного и оперативного в итоге анализа подобной информации на основе предварительно подготовленных в наглядном масштабе (не более 1: 100 000, при достаточной плотности скважин - не менее 1 скважины на 10 км²), схематических карт распределения участков территории по суммарной мощности водоносных слоев грунта и различным скоростям и направлениям фильтрации грунтовых вод.

На рис.4 показан предлагаемый расчетно - графический комплекс, включающий исходный (Рис. 4а [18]) и модифицированный (Рис.4б) графики зависимостей теплосъема Q от скоростей фильтрации v (логарифмическая шкала по оси абсцисс) и основные формулы для оптимизации L, в диапазоне от возможного минимального предела L_мин = l + д_мин (l - глубина залегания подошвы ВГ, д_мин - принимаемая добавка на глубину скважины под монтаж СТО, например, 1 м) до максимума, устанавливаемого путем изучения аналогов строительства экономичных систем [4]. Предельные значения, заданные в формуле справа, отражают отсюда границы экономически приемлемой длины СТО в п.м, приходящихся на 1 м² отапливаемой площади, и составляют очередное ограничение при дальнейшем решении оптимизационной задачи (L - целевая функция, n - количество СТО в системе теплосбора, S - отапливаемая площадь). Также в комплекс на рис.4 включен пример гидрогеологических схем, выполненных для Некрасовского МР Ярославской области (Рис. 4в и 4г) на основе информации по 128 скважинам, с привлечением " Ярославльгеомониторинг " (филиала ФГУП " Геоцентр - Москва").

Предлагаемый подход заключается в замене абсолютного значения извлекаемой тепловой мощности , из графика на рис.4а, обезразмеренной величиной , что позволяет модифицировать график, как показано на рисунке 4б, чтобы получить возможность универсальной оценки теплового влияния скорости фильтрации в водоносных слоях на помещенный в них вертикальный замкнутый контур циркуляции теплоносителя, с помощью вводимого в расчеты коэффициента теплового вклада фильтрации (рис. 4б).

Рис. 4 - Расчетно-графический комплекс для оптимизации длины СТО (L на рис. 1) с учетом региональных условий фильтрации грунтовых вод: а, б - исходный [18] (а) и модифицированный (б) графики зависимости теплосъема Q от логарифма скорости фильтрации v грунтовых вод; в, г - уменьшенные изображения схематических карт гидрогеологической обстановки по территории муниципального района(МР), построенных до глубины 100 м. на примере Некрасовского МР Ярославской области (в - карта распределения суммарных мощностей водоносных горизонтов, г - карта распределения скоростей фильтрации грунтовых вод)

Тогда, аппроксимируя график в координатах на рисунке 4б некоторой функцией, например, полиномом Лагранжа, можно при известной величине v вычислять величины и , чтобы перейти к расчету L (Рис.1) по предлагаемой для этого формуле ( на поле Рис.4). С помощью ее предварительно рассчитанная величина L_р уточняется в соответствии с поправкой на фильтрацию грунтовых вод, определяемой вторым слагаемым в знаменателе формулы, через коэффициенты и k_М. Последний из них характеризует отношение суммарной мощности М задействованных в оптимизации водоносных горизонтов ( на Рис.1 величина М показана по варианту с одним ВГ) к длине L_р.

Проведенный анализ схем на рисунках 4а и 4б, выявивший наименее перспективные в отношении привлечения инвестиций северо - восточные участки территории МР в данном примере, и вытекающие из него расчеты показали, что снижение затрат на строительство систем СТО, в соответствии с рассчитанными поправками на длину СТО в установленном диапазоне скоростей фильтрации (от 1,1x 10^-7 до 1,2 x 10^-6 м/с), для данного МР может достигать 20 - 30%. Дальнейшие исследования в отношении других МР в Ярославской области(исходя из накопленной базы данных, по всем 17-ти МР насчитывающей более 3-х тысяч скважин) показали, что, с учетом информации по характеристикам слоев грунта и фильтрации грунтовых вод, уточненные с помощью предлагаемой методики показатели допускаемого удельного теплосъема могут отклоняться в меньшую или большую сторону от рассчитанных ранее средних значений по различным МР [19] примерно в 1,5 раза. Это еще раз показывает, что подсчитанные при общей региональной оценке энергоресурсов осредненные величины [8,19] на этапе привязки к конкретным проектам и участкам закладки систем теплосбора требуют уточнения согласно рассмотренным подходам, иначе могут привести либо к снижению КПТН и ненадежной работе СТО при заниженной расчетной длине, либо к неоправданному завышению инвестиций вплоть до коммерческой несостоятельности проектов по критерию "срок окупаемости".

При проведении оптимизации следует иметь в виду, что в случае невозможности вписаться в указанный минимальный порог L_мин. возникает необходимость возвращения к 1-ой стадии решения регионально - геологической задачи, тогда по СВТФХ грунта, увеличивая, например, количество СТО на 1, рассчитывают новое значение L_р. В итоге может подтвердиться вариант с увеличенным числом более коротких СТО, подходящий по экономическим соображениям ввиду уменьшения суммарной глубины бурения [11].

Таким образом еще раз следует, что решение оптимизационной задачи с целевым требованием снижения на стадии проектирования ТСТ капиталоемкости их строительства, применительно к условиям длительного отопительного сезона в средней полосе России должно акцентироваться на выборе участков территории под застройку систем СТО в соответствии с возможностью обеспечить позитивный фактор фильтрации грунтовых вод. Это будет оказывать важнейшее значение на принятие решений в пользу реализации геотермальных проектов вместо традиционных вариантов энергообеспечения.

Предлагаемая методика сначала была использована при разработке рабочего проекта скважинной системы теплосбора по теплонасосному варианту энергообеспечения коттеджного поселка в Некрасовском МР, что позволило уменьшить предварительно рассчитанную длину СТО со 126 м до 100 м (согласно приведенному примеру оптимизации для одного из коттеджей - на рис.2б) и за счет этого существенно сократить сметную стоимость системы из 30-ти СТО для 15 коттеджей.

В результате на примере коттеджей с отапливаемой площадью 250 - 350 м² , применительно к бивалентной схеме отопления (Рис.1), длина СТО, приходящаяся на 1 м² площади, с учетом скорости фильтрации грунтовых вод, составила от 0,72 до 0,60 п.м. Технико -экономическими расчетами, проведенными в указанном диапазоне величин, подтверждено, что и по отношению к объектам малоэтажного строительства в жилом секторе (1 - 4 этажа), включая самый недорогой пока в России энергоноситель - природный газ, гибридные ТСТ переходят в разряд конкурентоспособных [20]. Отсюда следует вывод о том, что даже при продолжительных отопительных сезонах рассматриваемая технологическая концепция [7] обеспечит удовлетворительную капиталоемкость строительства скважинных систем теплосбора, вытекающую из накопленного опыта установки систем СТО для жилого сектора в аналогичных геологических условиях, т.е. в рыхлых грунтах [4].

Методика может быть использована не только применительно к новому строительству, но и к реконструкции существующих объектов. Однако в этом случае речь идет не о поиске наиболее привлекательных по инвестициям участков для застройки, а о проверочных оценках относительно мест расположения действующих объектов с целью выбора приоритетных по экономической целесообразности объектов для реконструкции.

В этом качестве методику использовали при формировании инвестиционной программы замены неэффективных бюджетных котельных в различных МР Ярославской области на ТНС (работа выполнена ОАО "НПЦ "Недра" в 2009 году по договору с НКО Фонд "Энергоэффективность", гор. Ярославль).

Экономическая эффективность программы применительно к бюджетным объектам (к объектам здравоохранения, образования, культуры и т.п..) оценивалась в т. ч. с учетом наработанных мировым опытом подходов к аналогичным объектам [21], т.е. по критериям "приведенные прямые годовые затраты на 1 м² отапливаемой площади" (энергоносители и техобслуживание) и " срок окупаемости инвестиций".

На основе выполненного анализа фактических прямых затрат (2007г. и 2008 г.), с учетом различных гидрогеологических условий по месту расположения, из предложенных для исследования на данном этапе 300 действующих бюджетных котельных, использующих различные энергоносители, была сделана выборка в количестве 156 единиц (50 электрокотельных и 106 топливных). Из соображений реализации без затрат на установку дефицитной электрической мощности (для привода ТНС) инвестиционная программа построена на последовательной замене 3-х групп котельных (Табл.). Подсчитано, что первоочередная замена на ТНС по предложенному высокоэффективному варианту, с требуемым уровнем коэффициента преобразования при геотермальном отоплении - около 3,5 ед., группы из 30 электрокотельных позволит высвободить электрические мощности, достаточные для замещения во вторую очередь группы из 106 неэффективных топливных котельных.

Расчеты показали, что в результате оптимизации по предложенной методике годовое потребление ТЭР применительно к гибридной ТСТ, взаимодействующей с энергоснабжаемым объектом в геолого - климатических условий Ярославской области, составит, в среднем, 0,038 т у.т. на 1 м² отапливаемой площади (отопление, вентиляция и ГВС). Это соответствует кардинальному снижению удельного потребления ТЭР относительно электрокотельной, топливных котельных на угле, дровах и мазуте (в среднем, на 81%; 62%; 69% и 54% соответственно) и приведенным к первому году эксплуатации каждого из вводимых комплексов ТНС прямым годовым затратам около 8 -10 долл. США на 1м² площади (Табл.). Примерно половина этой экономии будет получена за счет реконструкции существующих отапливаемых объектов под низкотемпературный режим отопления (например, 45/30⁰ С, рис.1), которую выгоднее производить вместе с капитальным ремонтом объектов, вторая половина - за счет замены прежних схем энергообеспечения на технологию с гибридными ТСТ.

Целый ряд преимуществ программы приводит к тому, что предложенные инновационные решения становятся конкурентоспособными по отношению не только к электрокотельным, но и топливным котельным, поскольку в итоге, несмотря на затраты по реконструкции (теплозащита, теплые полы), при оптимизированной, с учетом гидрогеологических условий в различных МР, средней величине инвестиций в проекты , примерно 200 долл. США на 1 м² отапливаемой площади, расчетные сроки окупаемости по 3-м очередям заменяемых котельных (Табл., ставка дисконтирования 15%, льготные кредиты) составили 4,5; 6,5 и 4,2 года от начала эксплуатации ТНС соответственно.

Подсчитанная на примере первой очереди из 30 котельных бюджетная эффективность (расчеты переданы в Минэнерго), достигаемая за счет экономии средств бюджета, направляемых на возмещение прямых затрат по котельным, составит накопленным итогом, например, в течение 10 лет -182,8 млн. руб. (при инвестициях 160 млн. руб.), что определяет целесообразность финансовой поддержки этой и др.частей программы на федеральном уровне, в соответствии с принятым курсом на модернизацию экономики России по направлению развития энергоэффективных технологий. Среди достоинств реализации программы выделяется также объем снижаемых выбросов СО₂ - 32,6 тыс. т в год, при общей годовой экономии ТЭР - около 10,9 тыс. т у.т.

Итак, в результате проведенного анализа методов моделирования и расчета, мировой и отечественной практики, а также - рекомендаций, включающих последние европейские директивные документы, сформированы современные требования и показатели повышения термодинамической и геолого - экономической эффективности проектирования и внедрения ТНС на низкопотенциальных ВИЭ, учитывающие в т.ч. региональные возможности снижения инвестиций в строительство скважинных систем теплосбора. На основании этого сформулирована постановка задачи, выявлены ограничения и разработана методика комплексной многопараметрической оптимизации ТНС, развернутая, в частности, по целевому назначению коммерчески эффективного внедрения гибридных систем, с комбинированным использованием низкопотенциального тепла приповерхностного грунта и вентвыбросов, в геолого - климатических условиях регионов России, в т.ч. регионов с длительными отопительными периодами.

Первый этап оптимизации, технолого - технический, осуществляется. путем подбора базовых параметров технологии и оборудования на основе предложенной расчетной схемы, включающей в качестве обязательного элемента пересекающий грунтовые воды СТО, с использованием методов . построения и сравнения годовых графиков тепловых нагрузок и диаграмм энергопотоков. На втором этапе в 2 стадии проводится комплексная оценка технико - экономических и геолого - экономических показателей, с учетом результатов первого этапа оптимизации и региональных гидрогеологических условий по участкам предполагаемой застройки систем СТО. Первая стадия реализует оптимизацию параметров СТО (длины, количества, взаиморасположения и др.) с использованием в качестве исходных данных предварительно рассчитанного годового графика нагрузок и СВТФХ грунта. Вторая стадия - оптимизация длины СТО с учетом поправки на тепловой вклад скорости фильтрации грунтовых вод и ограничений на удельные показатели строительства СТО по отношению к площади объекта

При проектировании первых отечественных установок, как правило, с СТО коаксиального типа [6], фактор фильтрации не рассматривался как определяющий, в основном, из-за необходимости получения разрешения водоохранных служб. Преимущества подробно рассмотренной выше и соответствующим образом рассчитываемой конструкции СТО способствуют его получению.

Мировая практика в таких случаях предусматривает возможность ускоренной выдачи разрешений для конкретных участков территории с благоприятной гидротехнической и гидрогеологической обстановкой. Такую возможность, реализуемую, например, на основе предложенного построения специальных гидрогеологических схем, которые можно заодно использовать для уточнения региональных показателей энергоресурсов [19], целесообразно, как одну из важнейших рекомендаций, отразить в соответствующих руководствах. Там же необходимо отметить, что участки с отсутствующим или слаборазвитым течением грунтовых вод более экономически выгодны для создания проектов с сезонным аккумулированием тепла в грунте, например, путем сброса в СТО в летний период тепловых излишков от когенерационных установок, внедрение которых заложено в ряд региональных программ, в т.ч.- по Ярославской обл.

Примеры эффективного применения рассмотренной методики к совместному решению задач технологического и экономического характера подтверждают целесообразность использования ее основных положений в нормативно - технической документации к подобным системам, разработка которой начата в России [7]. Это будет способствовать широкому продвижению инновационных , энергоресурсосберегающих и экологически благоприятных, конкурентоспособных систем на создаваемый в России рынок энергоэффективных технологий.

Литература

1. Сеппанен О. Европейская Директива по использованию возобновляемых источников энергии // Энергосбережение.- 2009.- №3.- с.66-68.

2. Калинин М.И., Хахаев Б.Н., Баранов А.В. Геотермальное теплоснабжение центральных регионов России с использованием мелких и глубоких скважин // Электрика. - 2004. -№4. -С. 8-13.

3. Ground Source Heat Pumps - Geothermal Enеrgy for Anyone, Anywhere: Current Worldwide Activity. / Curtis R., Lund J., Sanner B., Rybach L., Hellstrom G. // Proceedings World Geothermal Congress 2005; 24-29 April 2005 Antalya, Turkey. - Antalya, Turkey, 2005.

4. Poppei J., Fischer D. Theoretische und Praktische Untersuchungen zur Auslegung von Erdwrmesonden im Lockergestein unter Besonderer Bercksichtigung der Geologisch - Hydrogeologischen Gegebenheiten Nord - Ost - Deutschlands // FIZ, Karlsruhe.- 1997.- № 2.- s. 57-64.

5. Хайнрих Г., Найорк Х., Нестлер В. Теплонасосные установки для отопления и горячего водоснабжения. Пер. с нем. под ред. Б.К.Явнеля. - М.: Стройиздат, 1985. - 351 с.

6. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли. - М.: Издательский дом "Граница", 2006. - 176 с.

7. Васильев Г.П. Гибридные теплонасосные системы теплохладоснабжения // Энергосбережение.- 2009.- №5.- с.20-29.

8. Васильев Г.П. Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России. // АВОК. - 2007. - № 5. - С. 58-68.

9. Hellstrom G., Sanner B. PC-programs and modeling for borehole heat exchanger design // International Summer School on Direct Application of Geothermal Energy.- Bad Urach, 2001.- P. 35-44.

10. Niibori Y. Design of the BHP System Considering the Heat Transport of Groundwater Flow / Y. Niibori, Y. Iwata, S. Ichinose, G. Fukaya // Proceedings World Geothermal Congress 2005; 24-29 April 2005 Antalya, Turkey. - Antalya, Turkey, 2005. - 6 p.

11. Sanner B. Overview of the applikcation of Ground Source Heat Pumps in Germany // Geothermische Energie. - 2005. - № 46 - S. 4-9.

12. Rybach L, Sanner В. Ground-Source Heat Pump Systems the European Experience // Geo-Heat Center Quarterly Bulletin. - 2000. - Vol. 21, №1. - P.16-26.

13. Разработать технологию (методику) эффективного использования геотермальной энергии верхних слоев земной коры в системах теплоснабжения со скважинными теплообменниками и тепловыми насосами применительно к центральным регионам России: Отчет о НИР(заключительный) № гос. регистрации 0199.0007353 ВНГИЦентр / ФГУП НПЦ "Недра"; Руководитель Калинин М.И. - Ярославль, 2000. - 114 с.

14. Калинин М И., Кудрявцев Е П., Баранов А В. Методы расчета и рекомендации по эффективному использованию приповерхностных геотермальных ресурсов в центральных регионах России // Новости теплоснабжения. -2007. - № 10.- С. 26 - 33.

15. Пат. 2292000 РФ. Устройство для энергообеспечения помещений с использованием низкопотенциальных энергоносителей / Калинин М.И., Кудрявцев Е.П.; опубл. 2007; БИ №2.

16. Eskilson P. Thermal Analysis of Heat Extraction Boreholes// Dissertation Lund - MPH - 87/13. - University of Lund, Lund, 1987. - 264 p.

17. Калинин М.И., Кудрявцев Е.П. Энергообеспечение регионов России с использованием ресурсов приповерхностной геотермии и грунтовых тепловых насосов // Возобновляемая энергетика: проблемы и перспективы: Материалы Междунар. конф. - Махачкала, Инс-т проблем геотермии ДНЦ РАН, 2005. - Том 1. - С. 144-153.

18. Исследование режимов совместной работы теплового насоса с вертикальным грунтовым теплообменником. / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов, Л.Н. Федин, Д.Л. Горбунов // Теплоэнергетика. - 1997. - №4. - С. 21-23.

19. Осуществить количественную оценку геотермальных ресурсов недр и разработать рекомендации по их использованию в целях тепло- и энергообеспечения: Отчет о НИР (заключительный) № гос. регистрации 0120.0506869 ВНГИЦентр / ФГУП НПЦ "Недра"; Руководители Калинин М.И., Богуславский Э. И. - Ярославль, 2006. - В 2-х кн., 374 с.

20. Калинин М.И., Хахаев Б.Н. Особенности внедрения геотермальных технологий в России на примере Ярославской области // Новости теплоснабжения . - 2008. - № 2. - С. 36 - 41.

21. Bloomquist R. G. The Economics of Geothermal Heat Pump Systems for Commercial and Institutional Buildings // Inter. Summer School of Geothermal Energy.- Bad Urach, 2001.- Р.177-191.

Размещено на Allbest.ru