Введение к работе
Актуальность работы. Повышение качества жизни неразрывно связано с повышением энергопотребления. Принципы развития энергетики, разработанные в середине XX века, ориентированы на потребление органического топлива.
По оценкам специалистов, органическое топливо уже к середине XXI века сможет удовлетворить запросы энергопотребителей только частично. Доктрина энергетической безопасности Российской Федерации предусматривает «рациональное сочетание централизованного и децентрализованного энергоснабжения..., использование возобновляемых и местных источников энергии... ».
Сельские населенные пункты, а также объекты сельскохозяйственного производства, в силу территориальной рассредоточенно-сти энергопотребителей и значительного числа объектов, могут быть крупными потребителями малой энергетики. Для Южного Урала данная проблема наиболее актуальна, так как этот регион является дефицитным по электроэнергии, топливу и нефтепродуктам.
Анализ источников литературы показал, что Челябинская область обладает значительными изученными ресурсами возобновляемых нетрадиционных источников энергии - солнца, ветра, малых рек - и имеет опыт эксплуатации установок, использующих данные источники. Это ресурсы как вторичного низкопотенциального тепла, так и низкопотенциального рассеянного тепла земли и воды. Возникает необходимость оценки потенциальных запасов этого тепла с целью его использования для отопления зданий индивидуальных сельских потребителей и разработки технологических схем преобразования низкопотенциального тепла для нужд отопления с использованием тепловых насосов. Ресурс низкопотенциального тепла практически не исследован, а имеющийся опыт эксплуатации установок, использующих этот ресурс, очень мал.
Работа выполнена в соответствии с Межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2011-2015 гг.
Цель работы - оценить возможности использования низкопотенциальной тепловой энергии для теплоснабжения сельских потребителей путем использования теплонасосной установки (ТНУ).
Задачи исследования:
-
Провести теоретические исследования тепловых ресурсов грунтовых вод верхнего горизонта активного водообмена и оценить их валовый энергетический потенциал.
-
Обосновать выбор основных элементов теплонасосной установки в условиях Челябинской области и предложить рациональную схему ТНУ с отбором тепла от низкопотенциального источника.
-
Разработать имитационную модель теплонасосной установки в условиях Челябинской области и подтвердить ее работой экспериментальной теплонасосной установки.
-
Разработать рекомендации по применению теплонасосных установок в зависимости от величины теплового потока источника низкопотенциальной энергии и географического расположения объекта отопления в Челябинской области.
Объект исследования: взаимодействие ТНУ с тепловыми потоками подземных вод.
Предмет исследования: зависимости, связывающие тепловые ресурсы грунтовых вод верхнего горизонта активного водообмена с возможностями теплонасосных установок.
Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:
обоснована и разработана методика оценки подземного теплового стока, позволяющая определить тепловые запасы грунтовых потоков в различные по обеспеченности годы;
впервые произведено районирование Челябинской области на основе оценки валового теплового потока грунтовых вод, позволяющее определить энергетический потенциал грунтовых вод верхнего горизонта активного водообмена;
обоснован выбор основных элементов теплонасосной установки для условий Южного Урала;
обоснована и разработана методика оценки экономической эффективности применения ТНУ в зависимости от географического расположения объекта отопления в Челябинской области.
Практическая значимость работы и реализация ее результатов. Произведена оценка валового тепла грунтовых вод Южного Урала. Разработаны рекомендации для установки теплонасосных установок в Челябинской области. Разработана трубка теплообменника, ко-
торая может использоваться в конструкции теплообменного аппарата теплового насоса грунтового и скважного типов, предназначенного для получения низкопотенциального тепла грунта или грунтовых вод (конструкция защищена патентом на полезную модель РФ).
Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе Челябинской государственной агроинженерной академии и Южно-Уральского государственного университета.
На основе проведенных в диссертационной работе исследований были разработаны и внедрены: алгоритм выбора основных элементов теплонасосной установки в условиях Южного Урала; методика оценка экономической эффективности применения ТНУ в зависимости от географического расположения объекта отопления в Челябинской области ( ООО «Энергоресурс», ООО КЭП «Лаборатория вариаторов», г. Челябинск); методика оценки тепловой низкопотенциальной энергии подземного стока верхнего слоя активного водообмена ( ФГБУ «Челябинский ЦГМС», г. Челябинск).
Апробация работы. Основные положении диссертационной работы доложены и одобрены: на ежегодных международных научно-технических конференциях ЧГАА (Челябинск, 2006-2013 гг.), СГАУ (Саратов, 2012 г.), всероссийских научных конференциях ЮУрГУ (Челябинск, 2004 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ, отражающих основное содержание диссертации, из них З в изданиях, рекомендованных ВАК. Получен 1 патент на полезную модель РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 139 наименований и содержит 180 страниц машинописного текста, включая 65 рисунков, 29 таблиц, 4 приложения.
