Введение к работе
Актуальность работы
Нетрадиционные источники энергии на протяжении всей истории человечества постоянно были в центре внимания, но особенную актуальность приобрели в XXI веке. С ростом жизненного уровня населения потребление энергии для удовлетворения нужд теплоснабжения во всех отраслях народного хозяйства: промышленности, сельском хозяйстве и строительстве, – значительно увеличивается.
Современные системы теплоснабжения, отопления, горячего водоснабжения работают на традиционных видах топлива (природный газ, мазут, уголь), на долю которых приходится более 80 % производства энергии. В настоящий момент основным видом топлива для теплоснабжения является природный газ. Однако стоимость газа и его подключения сопоставима со стоимостью современного оборудования систем теплоснабжения на основе возобновляемых источников энергии – солнечных коллекторов, тепловых насосов, ветроэнергетических и геотермальных установок.
С ростом потребления традиционных топливных ресурсов осложняется их добыча и, соответственно, возрастает ее стоимость, кроме того, ухудшается экологическая ситуация в мире, поэтому в настоящее время научно-технический прогресс направлен на изыскание новых источников тепловой энергии. Прежде всего, это возобновляемые источники, такие как геотермальная и ветровая энергия.
В ноябре 2009 года принят Федеральный закон № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», определяющий направление политики и содержание программ в области энергосбережения и повышения энергоэффективности за счет альтернативных источников энергии. Новейшие энергетические технологии с использованием геотермальных ресурсов и ветроэнергетических установок (ВЭУ) отличаются экологической чистотой и энергоэффективностью. Активно развиваются геотермальные системы теплоснабжения с тепловыми насосами, на которые приходится примерно 57 % общей мощности геотермальных тепловых систем.
Мероприятия по энергосбережению на территории Волгоградской области возможно осуществлять путем внедрения гидротермальных и геотермальных источников энергии и ветроэнергетических установок.
Неоспоримым достоинством альтернативной энергетики является уменьшение зависимости энергопотребителей от централизованных энергосетей и энергетических монополий. Кроме того, люди во всем мире заинтересованы в развитии альтернативных источников энергетики для уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу.
Цель работы – разработка энергоэффективных схем альтернативного использования геотермальных источников и ветроэнергетических установок для систем теплоснабжения.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
– анализ влияния теплообмена скважины от основных параметров: структуры, плотности, температуры, теплофизических свойств (теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости), глубины скважины;
– анализ теплофизического потенциала недр региона Волгоградской области и получение унифицированной схемы распределения глубинной температуры недр и геотермальных скважин Волгоградской области;
– оценка геотермического потенциала отдельных месторождений Волгоградской области для реальных пластовых условий недр с вариантами утилизации нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) для систем теплоснабжения;
– анализ энергетического потенциала геотермальных скважин, плотности и вязкости флюида для пластовой воды в зависимости от давления, температуры и глубины скважины;
– получение обобщенной математической зависимости, позволяющей определить температуру флюида на устье скважины в зависимости от температурного градиента, глубины, суточного дебита и продолжительности эксплуатации скважины;
– разработка усовершенствованных схем альтернативного использования геотермальных источников для систем теплоснабжения;
– разработка оптимальной конструкции ветроэнергетической установки (ВЭУ) для тепловых насосов систем теплоснабжения;
– разработка методик расчета теплового насоса с использованием геотермальных источников и тепловой нагрузки геотермальной скважины для систем теплоснабжения;
– анализ технико-экономического обоснования применения усовершенствованной схемы альтернативного комплексного использования геотермального источника и ветроэнергетической установки для работы системы горячего водоснабжения.
Основная идея работы состоит в совершенствовании схем альтернативного использования геотермальных источников для систем теплоснабжения.
Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, лабораторные и натурные исследования, моделирование изучаемых процессов, обработка экспериментальных данных методами математической статистики с применением ПЭВМ и сертифицированных компьютерных программ.
Достоверность и обоснованность научных разработок и полученных в работе результатов основана на применении общепризнанных законов физики, математики и использовании общепринятых методов эксперимента. Достоверность обеспечивается удовлетворительным совпадением расчетов с данными, полученными при экспериментах на опытных установках, стендах в лабораторных и производственных условиях, а также широкой публикацией результатов и их обсуждением на конференциях.
Научная новизна результатов работы
Исследовано влияние теплообмена скважины от основных параметров: структуры, плотности, температуры, теплофизических свойств (теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости) массива горных пород, глубины скважины.
– Проведен анализ энергетического потенциала геотермальных источников, плотности и вязкости флюида в зависимости от давления, температуры и глубины скважины.
– Впервые получена обобщенная математическая зависимость, позволяющая определить динамическую температуру флюида на устье скважины в зависимости от температурного градиента, глубины, суточного дебита и продолжительности эксплуатации геотермального источника для эффективной работы системы теплоснабжения.
– Проведены лабораторные исследования и получена экспериментальная характеристика ветроэнергетической установки для тепловых насосов систем теплоснабжения.
– Разработаны методики расчета тепловой нагрузки геотермальной скважины и теплового насоса с использованием геотермальных источников энергии для систем теплоснабжения.
– Разработан численный алгоритм и его компьютерная реализация для технико-экономической оценки альтернативного комплексного использования геотермального источника и ветроэнергетической установки для работы системы горячего водоснабжения.
Практическое значение работы заключается в совершенствовании схем альтернативного комплексного использования геотермальных источников и ветроэнергетических установок для работы систем теплоснабжения.
Разработана энергоэффективная схема альтернативного комплексного использования геотермального источника (артезианских скважин) и ветроэнергетической установки для систем теплоснабжения (Геотермальное устройство : пат. 112365 Рос. Федерация. № 2011133572/06 ; заявл. 10.08.11; опубл. 10.01.12, Бюл. № 1. 2 с.).
Разработана усовершенствованная схема альтернативного комплексного использования геотермального источника (обводнившихся скважин) и ветроэнергетической установки для систем теплоснабжения (Положительное решение о выдаче патента на полезную модель от 23.11.12; № 2011140672/06; заявл. 06.10.11).
Разработанная конструкция ВЭУ позволяет использовать ее для работы тепловых насосов систем теплоснабжения (Ветроэнергетическая установка малой мощности турбинного типа : пат. 109232 Рос. Федерация. № 2011106306/06 ; заявл. 18.02.11; опубл. 10.10.11, Бюл. № 28. 2 с.).
Разработанные усовершенствованные схемы альтернативных источников энергии для систем теплоснабжения имеют перспективы для строительства систем теплоснабжения ЖКХ и АПК.
Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены на следующих предприятиях:
– ООО «Газпром трансгаз Волгоград» и ООО «БК Стройсервис» – в системах теплоснабжения;
– МУП «Волгоградское коммунальное хозяйство», в качестве методик по использованию ветроэнергетических установок и тепловых насосов для систем теплоснабжения.
Теоретические и экспериментальные основы работы используются: в учебном процессе кафедры «Энергоснабжение и теплотехника» Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета (ВолгГАСУ) при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий. Издана монография «Геотермальные устройства для систем теплоснабжения».
На защиту выносятся:
– математическая зависимость, позволяющая определить температуру флюида на устье скважины в зависимости от температурного градиента, глубины, суточного дебита и продолжительности эксплуатации геотермального источника;
– усовершенствованная схема альтернативного использования геотермальных источников (артезианских скважин) для систем теплоснабжения (Геотермальное устройство : пат. 112365 Рос. Федерация. № 2011133572/06 ; заявл. 10.08.11; опубл. 10.01.12, Бюл. № 1. 2 с. Решение о выдаче патента на полезную модель от 23.11.12; № 2011140672/06 ; заявл. 06.10.11);
– усовершенствованная схема альтернативного использования геотермальных источников (обводнившихся скважин) для систем теплоснабжения (Положительное решение о выдаче патента на полезную модель от 23.11.12; № 2011140672/06 ; заявл. 06.10.11);
– автономная ветроэнергетическая установка малой мощности турбинного типа для систем теплоснабжения (Ветроэнергетическая установка малой мощности турбинного типа : пат. 109232 Рос. Федерация. № 2011106306/06 ; заявл. 18.02.11; опубл. 10.10.11, Бюл. № 28. 2 с.);
– методики расчета теплового насоса с использованием геотермального источника энергии и тепловой нагрузки геотермальной скважины для систем теплоснабжения;
– численный алгоритм для технико-экономического обоснования применения усовершенствованных схем комплексного альтернативного использования геотермального источника и ветроэнергетической установки для системы горячего водоснабжения.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы представлялись и докладывались:
– На ежегодных научно-технических конференциях ВолгГАСУ, Волгоград, 2009…2011 гг.
– Международной научно-практической конференции «Малоэтажное строительство в рамках национального проекта «Доступное и комфортное жилье гражданам России»», ВолгГАСУ, Волгоград, 2009 г.
– IV Российская научно-техническая конференция с международным участием «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование», Волгоград – Михайловка, 2011 г.
– IX Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», ВолгГАСУ, г. Кошалин. – Волгоград, 2011 г.
– Сборник научных трудов «Проблемы теплоэнергетики», Саратов, 2011 г.
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 патента на полезную модель РФ, 1 монография и публикации в материалах региональных и международных конференций.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка используемой литературы. Общий объём – 144 стр. Работа содержит 27 таблиц, 19 рисунков, список литературы из 165 наименований, приложение.
