Введение к работе
Актуальность темы. Залежи таких полезных ископаемых, как нефть, природный газ, уголь, которые используются в промышленности, истощаются. Ограниченность запасов и нанесение вреда окружающей среде, прежде всего изменение климата под воздействием выбросов СО2, вынуждает к переходу на генерацию энергии от возобновляемых источников и использованию методов энергосбережения. Основная цель всего человечества, в особенности научно-исследовательских центров, занимающихся вопросами энергии, заключается в разработке новых и более эффективных технологий производства возобновляемой энергии.
1 июня 2005 г. кабинет министров Федеративной Республики Германия утвердил 5-ую программу в области исследования методов получения энергии «Инновации и новые технологии». Данная программа является основой политики Федеративной Республики на ближайшее время по развитию исследований в таких областях, как эффективное использование энергии и производство возобновляемой энергии.
Очень важно снизить расход энергии, необходимый для производства определенной продукции или оказания услуги. Прежде всего, учитывая экологический и экономический факторы, большую роль в области оптимального распределения энергии играет возобновляемые виды энергии, для которых «топливо» производится практически бесплатно. Также, при применении известных методов отсутствуют классические проявления нанесения вреда окружающей среде – нет выделений опасных веществ, например, СО2, SO2 и NOx, а также вредного воздействия шума.
Несмотря на то, что возобновляемая энергия обладает массой преимуществ, ее использование влечет за собой существенные сложности. Нужно искать новые оригинальные технические решения, чтобы, сочетая и используя разные формы возобновляемой энергии и применяя современные методы управления энергетическими ресурсами во всем мире, сгладить недостатки стохастического доступа к источникам возобновляемой энергии, недостаточность плотности при распределении энергии и высокие инвестиционные затраты, а также гарантировать оптимальную эксплуатацию первичных энергоносителей.
Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка научно обоснованных решений по повышению энергетической эффективности тепловых насосов с использованием подземных коллекторов, как источника теплоты, применяя запатентованную систему увлажнения коллектора естественными дождевыми осадками.
Реализация поставленной цели достигается решением следующих задач:
- описание и рассмотрение существующих схемных решений по использованию тепловых насосов с различными источниками теплоты;
- анализ существующих методов оценки энергетической эффективности тепловых насосов;
- оценка возможности использования подземных коллекторов с системой их увлажнения дождевой водой;
- разработка методов и определение последовательности проведения экспериментальных и расчетных исследований;
- разработка схемного решения и конструкции теплового насоса с использованием увлажняемого подземного коллектора;
- разработка и описание лабораторной установки для проведения экспериментальных исследований;
- разработка методов и оценка точности измерения исследуемых параметров работы лабораторной установки в ходе экспериментальных исследований;
- расчет методом моделирования параметров оценки энергоэффективности разработанной системы;
- сравнение результатов расчетного моделирования и проведенных экспериментальных исследований;
- разработка способов конструктивного улучшения системы увлажнения по результатам проведенных исследований;
- оценка погодных условий с учетом модуля дождевых осадков на территории Германии;
- оценка экономической эффективности использования разработанной схемы использования теплового насоса;
- формулирование основных выводов по результатам проведенных исследований.
Научная новизна работы. Научной новизной работы являются:
- определение взаимосвязи между увлажнением подземного коллектора и повышением значения годовой выработки насоса ;
- разработка алгоритма увлажнения дождевой водой;
- сравнение результатов моделирования и теоретических расчетов с экспериментальными результатами;
- сравнение с другими системами отопления с точки зрения экономичности;
- расчет дополнительных затрат на установку системы увлажнения подземного коллектора.
Практическая ценность работы. Практическую ценность работы определяют:
- комплекс компьютерных и теоретических моделей, подтверждающих значения величины на основе программы моделирования „WP-ОPT" и правил VDI 4650 Союза немецких инженеров;
- компьютерные модели температуры земли и температуры рассола с использованием программы „WP-OPT“;
- конструирование и описание запатентованной системы увлажнения;
- натурный экспериментальный монтаж плоского коллектора с системой увлажнения;
- рекомендации по оптимальному монтажу подземного коллектора;
- рекомендации по улучшению конструкции систем увлажнения плоских коллекторов;
- рекомендации по расчету необходимого количества дождевой воды для увлажнения подземного коллектора.
Реализация на практике результатов работы. Экспериментальная система плоского коллектора для съема тепловой энергии из грунта была установлена в корпусе I, в котором находятся основные лаборатории университета г. Лейпцига. В качестве коммерческого проекта запатентованная система увлажнения подземного коллектора была установлена в более чем 30-ти одно- и двухквартирных домах. Жилая площадь этих домов составляет от 90 до 230 м2. В каждом доме смонтировано напольная система отопления. Все дома имеют эффективную теплоизоляцию. Подземные коллекторы с системой увлажнения дождевой водой были установлены в местах, где бурение для геотермальных целей запрещено.
Личное участие. Все основные результаты работы получено лично автором. Использованные результаты других исследований отмечены ссылками на соответствующие литературные источники.
Достоверность научных положений, выводов и результатов обоснована применением классических положений теории математического анализа и физического моделирования изучаемых процессов, планированием числа экспериментов и подтверждением удовлетворяющей сходимостью полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также результатами других авторов.
На защиту выносятся:
- натурная экспериментальная установка плоского коллектора с системой увлажнения;
- рекомендации по оптимальному монтажу подземного коллектора с системой увлажнения;
- рекомендации по улучшению конструкции систем увлажнения плоских коллекторов;
- рекомендации по расчету необходимого количества дождевой воды для увлажнения подземного коллектора.
Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение: на международной выставке ISH (Франкфурт-на-Майне, 2007 г.); на встречах экспертов общества „ЕURO INNOVATION" (Гера, 2010-2011 гг.), которое основано и работает при поддержке правительства Федеральной Республики Германия; на кафедре отопления и вентиляции МГСУ в 2011 г.; на проводимых в г. Москве (Россия) в 2011 г. международных научно-технических конференциях в НИИСФ и МГСУ.
Публикации. Результаты исследований изложены в 11 печатных трудах, в том числе в зарегистрированных патентах и отдельные разделах Руководства по проектированию электрических тепловых насосов (“Planungsinformation ElektroWrmepumpe”) и Информационного строительного справочника (“Bauen nach dem Hot-Dog – Prinzip unser Abschied von l und Gas”).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений, содержащих 138 страниц текста, 50 рисунков, 13 таблиц и списка литературы, содержащего 54 наименования работ отечественных и зарубежных авторов. Приложения содержат 41 страниц текста, 24 рисунка и 11 таблиц.
