Об экономии топлива за счет использования бестопливных источников энергии и вторичных энергоресурсов
На современном этапе развития техники в качестве бестопливных источников энергии, которые могут использоваться для теплоснабжения зданий, целесообразно рассматривать: солнце, геотермальные воды и находящийся на большой глубине под землей твердый массив, имеющий достаточно высокую температуру.
При использовании этих источников тепла, а также вторичных энергоресурсов (БЭР) не только уменьшается расход топлива, но и не загрязняется окружающая среда, исключается тяжелый труд шахтеров и кочегаров, не требуется транспорт для перевозки топлива и золы. Особенно перспективно использование бестопливных источников тепла и БЭР в районах, удаленных от мест добычи топлива.
Наиболее привлекательным является использование тепла неиссякаемой солнечной энергии. За одни год на нашу планету поступает в 10 раз больше этой энергии по сравнению с энергией, заключенной во всех видах ископаемого топлива [28]. Во многих странах уже имеется опыт использования для теплоснабжения зданий солнечной энергии. Особенно широкое распространение солнечные подогреватели воды для бытового горячего водоснабжения малой мощности получили в Индии, Японии, США, южных районах СССР и других странах. Такие установки (см. п. 1.9, стр. 79—81) с дублированным электроподогревом, дающие экономию тепла до 70—80%, достаточно хорошо проверены в эксплуатации и их целесообразно широко применять в малоэтажной жилой застройке как в южных районах страны, так и в северных— для летнего пользования. При этом, конечно, следует учитывать число часов солнечного сияния в районе применения солнечных теплопрнемннков. Данные о количестве поступающего тепла для некоторых городов СССР с учетом интенсивности солнечной радиации в зависимости от широты, на которой расположен город, и средней продолжительности солнечного сияния приведены в
Как видно из табл. V.5, количество тепла, поступающего от солнечной радиации, колеблется от 91 до 218 Вт/м2. Теплопоступления для каждого города существенно меняются по месяцам, достигая в мае — июле максимума, превышающего теплопоступления в декабре — январе; например, для Свердловска в 10—13 раз, а для Владивостока — в 2—2,5 раза.
Если принять КПД установки, поглощающей солнечную энергию и передающей ее для теплоснабжения здания, равным 30%, то с 1 м2 площади теплопоглощающих элементов в течение года можно полезно использовать, например, в Душанбе до 17 500 кВт. Сравнивая эту величину с годовыми теплопотеряМи одноквартирного дома полезной площадью 50 м2 (7500 кВт), можно видеть, что использование для отопления даже небольшой части этой энергии представляет значительный интерес, тем более, что в летнне месяцы получаемая от солнца энергия может использоваться для охлаждения здания.
При применении солнечных подогревателей воды малой мощности размещение хорошо облучаемых солнцем теплоприемников на крыше зданий или на поверхности земли обычно не вызывает существенных трудностей.
Вместе с тем при повышении мощности установки требуются большие площади для размещения теплопри еминков и появляются некоторые трудности при их Эксплуатации. Поэтому сооружение таийх установок пока целесообразно вестн в порядке экспериментального строительства.
Установки по использованию солнечной энергии для отопления получили наибольшее распространение в США, где уже имеется более 5000 домов с теплоснабжением на базе использования солнечной энергии. Это позволяет экономить от 30 до 70% топлива и электроэнергии [41]. К 1985 г. планируется строительство 2,5 млн. установок солнечного теплоснабжения. Для развития строительства этих установок предоставляются особые материальные льготы.
Устройство квартирного отопления с теплоприемником солнечной энергии вместо генератора тепла находит наибольшее распространение в малоэтажных домах (см. п. 1.9). Исследования показывают, что при их применении в зависимости от климатических условий и мощности теплоаккумулятора возможно уменьшение расхода топлива на отопление до 120 кг уел. топлива в год на 1 м2 площади теплопрнемника.
Вместе с тем стоимость сооружения здания с установкой по использованию солнечной энергии для отопления нз-за необходимости устройства дублирующей системы отопления и применения более теплых ограждающих конструкций получается на 40 — 60% больше стоимости здания с обычным отоплением.
Поэтому даже в стране, где проблема использования бестопливных источников энергии получила наибольшую разработку, широкое распространение отопления с использованием солнечной энергии не планируется. Так, по имеющимся сведениям, наряду с намечавшейся программой использования энергии солнца для отопления и охлаждения в 2000 г. в количестве 2-1018—4-1018 Дж [41] имеются данные о том, что удельный вес ядерной и всех видов энергии, получаемых от бестопливных источников, в топливно-энергетическом балансе США в 1990 г. составит всего лишь 1 % [25].
По всей вероятности, в топливно-энергетическом балансе и нашей страны использование солнечной энергии для теплоснабжения зданий в ближайшем обозримом будущем не будет иметь существенного значения. Это, конечно, не должно сдерживать развитие научно-исследовательских работ по дайной проблеме, особенно применительно к южным районам, где установки, использующие солнечную энергию, могут выполнять функции круглогодичной климатизацни зданий, т. е. зимой работать на их отопление, а летом — на охлаждение.
Использование для теплоснабжения зданий тепла геотермальных вод (см. п. 1.9), как видно, дешевле, чем использование в этих целях солнечной энергии, особенно, если геотермальная вода имеет достаточно высокую температуру и состав, допускающий ее непосредственную подачу в системы горячего водоснабження и отопления. Достаточно дешево в этих случаях обходится горячее водоснабжение, так как при этом не возникает проблемы слива использованной геотермальной воды. На территории СССР уже выявлено более 60 крупных геотермальных источников — в Сибири, на Чукотке, в районе Кавказского хребта, Мангышлаке и в других районах [26, 28]. В 1976 г. объем использования геотермальных вод в СССР превысил 25 млрд. м3.
Развитие использования тепла геотермальных вод особенно выгодно в районах, удаленных от мест добычи топлива, где геотермальная вода является почти единственным местным источником тепловой энергии. (Определенное значение в этом развитии должно сыграть применение квартирных систем теплоснабжения, так как источники геотермальных вод часто расположены вдалеке от крупных населенных мест и окружены малоэтажной застройкой. Вместе с тем трубопроводное транспортирование геотермальных вод для теплоснабжения на далекие расстояния (более 5 км) оказывается, как правило, невыгодным [28]. В некоторых случаях, в частности при применении догрева геотермальных вод, возможно их использование и на более далеком расстоянии от источника.
При этом следует учитывать и развитие методов использования тепла геотермальных вод. Шведские ученые, например, в сотрудничестве с геотермическими управлениями Рейкьявика «Хетавейта» ведут исследования возможности перевозки на крупных танкерах (водоизмещением 200 — 300 тыс.т) геотермальной воды (с температурой 80° С) из Исландии в Швецию для использования ее в целях обогрева жилья.
Огромные, практически неисчерпаемые запасы тепла содержит в себе находящийся на больших глубинах гк|д землей твердый массив. В настоящее время разрабатываются проекты его использования. С этой целью бурятся (на расстоянии 2 — 3 км) две скважины на глубину, При которой температура твердого массива достигает достаточно высоких значений; на достигнутой глубине в скважинах для трещннообразования в твердом массиве производятся взрывы. Для получения тепла из-под земли и его использования в одну из скважин нагнетают теплоноситель, который проходит через образованные взрывом щели, нагревается и отводится для использования через другую скважину. Нагретый теплоноситель, видимо, можно будет использовать для теплоснабжения зданий. Однако сейчас пока даже трудно предсказать, когда практически это можно будет сделать.
Также трудно говорить о сроках возможного использования для теплоснабжения водородной энергетики ч энергии, которую можно получить от термоядерного синтеза.
Более близким для осуществления мероприятием, направленным на использование тепла без дополнительных расходов топлива, является использование вторичных энергоресурсов (БЭР). Использование БЭР в теплоснабжении (для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения) имеет большие перспективы в связи с тем, что этн нужды могут удовлетворяться низкопотенциальным теплом. Применительно к жилым зданиям БЭР могут использоваться с помощью централизованного теплоснабжения и с помощью установок, располагаемых в самих зданиях.
При централизованном теплоснабжении в качестве БЭР могут использоваться: вода и воздух, охлаждающие технологическое оборудование; дымовые и выхлопные газы от котлов, печей, двигателей и другого оборудования; теплые сточные воды от коммунальных и промышленных объектов; выбрасываемый вентиляционный воздух.
Использование БЭР может быть значительно расширено При применении тепловых насосов, хотя это и связано с дополнительным расходом электроэнергии. Наиболее распространенными являются компрессионные тепловые иасосы (рис. V.16), работающие на оборудовании холодильных машин с обратным движением хладагента (фреон, аммнак), который имеет свойство испаряться при низкой температуре, а при повышении давления превращаться в жидкость с высокой темпера турой. Движение хладагента происходит с помощью компрессора, создающего разрежение в испарителе и повышенное давление в конденсаторе, представляющих собой теплообмениые аппараты. При этом испаритель подсоединен к источнику тепла (ВЭР), а конденсатор — к потребителю тепла, например, системе отопления. В испарителе хладагент При низкой температуре забирает необходимое для своего испарения тепло от источника, имеющего недостаточно высокую температуру. Далее сжимаемые компрессором пары хладагента превращаются в жидкость с высокой температурой, которая отдает свое тепло потребителю в конденсаторе. Из конденсатора охлажденный хладагент в виде жидкости проходит через регулировочный вентиль, снижающий давление, в испаритель, где снова испаряется за счет тепла, получаемого от ВЭР, и т. д.
Таким образом, тепловой насос позволяет забрать тепло от источника с низким потенциалом и передать его потребителю с более высоким потенциалом. Это и создает возможность более глубокого использования (охлаждения) ВЭР, а также возможности использования в качестве ВЭР других источников. В частности, при централизованном теплоснабжении становится рентабельным использование тепла, содержащегося в очищенных сточных водах, сбрасываемых очистными канализационными станциями зимой с температурой 10 — 15° С.
Непосредственно в самом жилом доме в качестве ВЭР может использоваться удаляемый из здания вентиляционный воздух для подогрева приточного воздуха, направляемого в жилые комнаты, для их вентиляции, а возможно (при перегреве воздуха выше температуры помещений) и для отопления. Принципиальная схема такой системы с использованием теплового насоса и применением квартирной разводки приточного воздуха представлена на рис. V.17.
При извлечении 100 — 200 м3/ч воздуха из квартиры, находящейся, например, в Москве, установка по использованию тепла из этого воздуха, работающая с коэффициентом эффективности 70% (с учетом действия теплового насоса), может дать ежегодную экономию тепла з расчете на каждую квартиру 3,5 — 7 тыс. кВт.
Имеется предложение, об использовании с помощью теплового насоса тепла, уходящего через наружные стены отапливаемого здания. С этой целью змеевик испарителя, отбирающий тепло от источника с низким потенциалом, предлагается размещать в толще наружных стен .
Оценивая целесообразность реализации всех подобных предложений, направленных на экономию тепла и топлива, следует, конечно, учитывать все затраты, связанные с их использованием: установка дополнительного оборудования и его обслуживание, а также дополнительные расходы материалов. Осуществление некоторых из ннх часто бывает связано с большими энергетическими затратами. Так, например, потребляемая энергия на выработку, транспортирование (100 км) и использование 1 т стального проката составляет 8740 кВт, I т алюминиевых конструкций — 72 240 кВт.
Заканчивая рассмотрение вопроса об использовании бестошшвиых источников энергии и БЭР, следует сказать, что практическому их использованию для теплоснабжения жилых зданий должны предшествовать детальная разработка вопроса,, исследование и проверка действия в условиях эксплуатации. Поэтому для получения экономии тепла и топлива в жилищном хозяйстве в ближайшие годы необходима реализация путей, рассмотренных в n. V.2 — V.5.
