Введение к работе
Актуальность диссертационной работы. Запасы основных видов ор
ганического топлива в недрах Земли ограниченны и Россия, не смотря на
свои огромные запасы топлива, стоит, как и другие государства, перед зада
чей более экономного использования топлива и поиска альтернативных ис
точников энергии. Использование возобновляемых источников энергии (гео
термальной и солнечной) может позволить снизить расход топлива на 5-10%.
В настоящее время можно считать, что целый ряд экономических и социаль
ных факторов будут способствовать усилению интереса отдельных граждан,
сельскохозяйственного, коммунально-бытового и курортно-
оздоровительиого секторов народного хозяйства России к приобретению и эксплуатации агрегатов и установок, использующих возобновляемые источники энергии. Так же Федеральный закон Российской Федерации № 261-ФЗ 23 ноября 2009 года «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» определяет создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности.
Большинство технологий и технических средств, используемых для преобразования нетрадиционных возобновляемых видов энергии (ВИЭ), не оказывают вредного воздействия на окружающую среду и могут считаться экологически чистыми. Выработка энергии на базе этих источников позволяет замещать значительные количества дефицитного органического топлива, сократить объемы перевозок топлива в отдаленные регионы, исключить образование и негативное воздействие продуктов сгорания на среду обитания. В настоящее время многие виды ВИЭ уже конкурентоспособны на энергетическом рынке, особенно геотермальная энергетика.
Существенным недостатком использования термальных установок в различных практических целях является как их низкая удельная теплопроиз-водителыюсть, так и сложный химический состав подземных вод (значение рН, степень минерализации, ионно-солевой и газовый состав и др.), затрудняющий непосредственное практическое использование. Отработанные термальные воды содержат часто высокие концентрации мышьяка, бора, различных металлов, это представляет важную проблему, связанную с природоохранными мероприятиями.
Кроме того, распределение гидротермальных источников не соответст-вуег плотности населения, в связи с преимущественным расположением высокопотенциальных гидротермических источников в зонах высокой геологической активности. Транспортирование же низкопогснциальной тепловой энергии па большие расстояния экономически не оправдано, что предполагает для окупаемости проекта выработку электроэнергии как наиболее мобильного источника энергии и развитие теплопотребляющей инфраструктуры вокруг источника (теплицы, зарыбленные водоемы, бальнеологические объек-
ты и жилые дома). Однако создание такой инфраструктуры требует значительных капитальных вложений.
Таким образом, проблема может быть также решена использованием петротермальной энергии.
Тематика диссертации удовлетворяет Федерально-целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» научно-исследовательские работы по лоту «Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области энергетики и энергосбережения по критической технологии «Технологии новых и возобновляемых источников энергии».
Объект исследования. Петротермальная энергия. Геотермальная скважина и работа абсорбционного теплового насоса на геотермальной энергии для тепло- холодоснабжения объектов жилищно-коммунального хозяйства. Совместная работа в пиковых режимах с традиционными источниками энергии.
Изучаемые явления. Геотермальный потенциал скважин. Распределение температуры в грунтах скважины при извлечении геотермальной энергии. Абсорбционные тепловые насосы. Температурные режимы использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения. Совместная работа в пиковых режимах с традиционными источниками энергии.
Цель исследования. Эффективное извлечение геотермальной энергии с помощью абсорбционных тепловых насосов, внедрение которых внесет значительный вклад в развитие экономики страны.
Задачи исследования:
анализ и оценка геотермического потенциала;
разработка методов извлечения и использования низкопотепциально-го тепла геотермальной скважины для систем тепло- холодоснабжения;
разработка математической модели извлечения геотермальной энергии;
разработка методики расчета извлечения геотермальной энергии;
разработка программ расчета извлечения геотермальной энергии;
согласование режимов извлечения и использования геотермальной энергии;
оценка экологической, энергетической и экономической эффективности извлечения и использования геотермальной энергии.
Научная новизна выполненной рабогы заключается и следующем:
разработаны новые способы извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения; при извлечении пегротер-мальной энергии глубинных скважин;
построена математическая модель извлечения геотермальной энергии глубинных земных пород, учитывающая нестационарность тепловых процессов в скважине;
предложена новая методика расчета извлечения геотермальной энергии;
предложена новая методика расчета использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения;
теоретически обоснованна и разработана высокоэффективная конструкция теплогенератора для совместной работы в пиковых режимах.
Достоверность научных положений и полученных в работе результатов основана на корректности постановки задач исследования и принятых упрощающих допущений; подтверждается применением физически обоснованных математических моделей и подтверждением их адекватности данными других авторов, а также достаточно широкой публикацией результатов работы и их обсуждением на научных конференциях различного уровня.
Практическая значимость. Результаты научных исследований включены в отчет о научно-исследовательской работе по государственному контракту от 22 июня 2007 г. № 02.516.11.6059 «Технология извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло-холодоснабжения» Шифр «2007-6-1.6-13-02-016» (Акт внедрения).
Результаты исследования внедрены на предприятии ООО Фирма «Эко-логия-Термо» г. Ставрополь (конструкция разработанного высокоэффективного котла. Акт внедрения).
Результаты исследования используются в учебном процессе при подготовке специалистов в Северо-Кавказском государственном техническом университете по дисциплине «Использование вторичных энергоресурсов и возобновляемых источников энергии» у студентов специальности 270109.65 — Теплогазоснабжение и вентиляция (разработаны методические указания).
Эколого-социальная и экономическая эффективность. Эффективность работы определяется целым рядом технических, экономических и социально-экологических факторов.
Технические факторы определяются полученными характеристиками:
- температурой теплоносителя (не ниже 85 С), позволяющей исполь
зовать тепло для систем тепло- холодоснабжения объектов жилищно-
коммунального хозяйства;
- тепловой мощностью скважины (до 1,2 МВт при глубине до 3000 м),
достаточной для тепло- холодоснабжения небольшого поселка.
Экономические факторы определяются единовременными капитальными затратами, эксплуатационными затратами и сроком окупаемости капитальных затрат.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на ежегодных научно-технических конференциях по результатам научно-исследовательской работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Северо-Кавказского государственного технического университета и региональных научно-технических конференциях
«Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону», международных научно-технических конференциях;
Работа проводилась по планам госбюджетных и хоздоговорных НИР Северо-Кавказского государственного технического университета.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
способы извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения;
математическая модель извлечения геотермальной энергии глубинных земных пород;
новая методика расчета извлечения геотермальной энергии;
новая методика расчета использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения.
согласование режимов извлечения и использования геотермальной энергии.
Работу можно охарактеризовать, как комплекс научно-обоснованных техническо-экономических и технологических решений по совершенствованию технологии извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения, внедрение которой может внести значительный вклад в повышение энергоэффективности использования геотермальной энергии.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы и ее результатов полностью отражено в 9 публикациях: в журналах, рекомендуемых ВАК - 3, в том числе 1 патент, в центральном журнале - 1 сгатья; в других изданиях - 2 статьи; сделано 9 докладов на международных и Российских научно-технических конференциях различного уровня, по которым опубликованы материалы докладов.
Структура и объем работы: введение, 5 глав, заключение, список литературы из 105 наименований и приложения. Общий объем диссертационной работы 127 с, включая 3 таблиц и 16 рисунков.
