Введение к работе
Актуальность работы
Использование экологически чистых возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для южных регионов становится особенно актуальным, так как одним из важнейших направлений является развитие курортного комплекса в условиях природоохранных зон. В Краснодарском крае исторически сложилось так, что большая часть строящегося жилья (порядка 70%) это малоэтажная индивидуальная застройка. Так, например, в 2006 г. в крае построили и ввели в эксплуатацию 1 млн 800 тыс. м2 индивидуального малоэтажного жилья, в 2007 г. — 2 млн 597 тыс. м2. В городах и районах края выделено около двухсот участков общей площадью 3300 га, которые будут до 2015 г. комплексно застраиваться жильем, в том числе 630 га малоэтажным.
В настоящее время Краснодарский край является энергодефицитным регионом. Несмотря на то, что мощность Сочинской ТЭЦ увеличена до 160 МВт (в 2008 г. введена в эксплуатацию вторая очередь строительства), а Краснодарской ТЭЦ до 744 МВт (в 2011 г. увеличена на 410 МВт), собственные генерирующие мощности покрывают не более 50% электропотребления, а около половины муниципальных образований края на данный момент не имеют резервов мощности для подключения новых потребителей.
В то же время электроснабжение курортной зоны Краснодарского края слабо развито в связи с труднодоступностью района в условиях гористой местности, дефицитом генерирующих мощностей, низкой надежностью и пропускной способностью электрических сетей, что также повышает перспективность использования возобновляемых источников энергии особенно для объектов удаленных от существующих централизованных энергосистем.
Цель исследования - обоснование параметров системы автономного теплоснабжения сельского дома, построенной на оборудовании возобновляемой энергетики, с одновременным учетом потенциала ВИЭ и тепловых потерь объекта, обусловленных погодно-климатическими условиями в месте дислокации объекта и теплозащитными параметрами здания.
Задачи исследования:
- разработка измерительной системы непрерывного мониторинга метеопараметров непосредственно в выбранной местности с функцией обработки полученных данных для определения достоверных величин потенциала возобновляемых энергоресурсов;
- разработка концепции автономного теплоснабжения сельского дома и методики расчета теплопотребления на основе данных мониторинга метеопараметров;
- формирование конфигурации системы автономного теплоснабжения на основе данных о потенциале ВИЭ;
- разработка системы автономного теплоснабжения и построение ее модели, учитывающей взаимосвязь величины теплопотребления и потенциала ВИЭ;
- оптимизация параметров системы по показателям эффективности с использованием динамического моделирования и исходных данных, характеризующих среднечасовые величины теплопотребления и потенциала ВИЭ.
Научная новизна:
- выполнено обоснование параметров системы автономного теплоснабжения с учетом достоверных данных о потенциале возобновляемых источников, полученных в выбранной местности, и уровня теплозащиты здания;
- разработана автоматизированная информационно-измерительная система мониторинга метеопараметров и обработки данных для получения среднечасовых величин, характеризующих потенциал возобновляемых источников, а также мониторинга параметров функционирования систем автономного теплоснабжения;
- впервые выполнено исследование теплового баланса жилого дома по данным мониторинга метеопараметров;
- показано влияние метеоклиматических параметров на уровень теплопотерь жилого дома и возможность их восполнения за счет возобновляемых источников;
- разработана система автономного теплоснабжения и ее модель на основе взаимосвязи величин теплопотребления и энергии, получаемой от возобновляемых источников;
- на примере объекта, функционирующего в условиях Черноморского побережья Краснодарского края, обоснованы параметры системы автономного теплоснабжения сельского дома и подтверждена адекватность предложенной модели.
Научная новизна исследования подтверждена двумя патентами на изобретение и патентом на полезную модель.
Достоверность результатов исследования подтверждается использованием обоснованных и проверенных научных методов, использованием адекватного математического аппарата и динамического моделирования с применением ПЭВМ, сертифицированного измерительного оборудования, а также совпадением результатов моделирования с известными численными оценками и результатами измерений, выполненных на опытных образцах.
Основные положения, выносимые на защиту:
- обоснование параметров системы автономного теплоснабжения сельского дома, построенной на оборудовании возобновляемой энергетики, выполняется с одновременным учетом потенциала возобновляемых источников энергии и уровня теплозащиты жилого дома;
- потенциал возобновляемых источников и теплопотребление здания определяется на основе данных, получаемых в результате непрерывного мониторинга метеопараметров, проводимого непосредственно в выбранной местности;
- оптимизация параметров системы автономного теплоснабжения осуществляется путем динамического моделирования, на основе уравнений баланса теплопотребления и энергии, получаемой от возобновляемых источников;
- исходными данными для моделирования служат среднечасовые величины температуры наружного воздуха, скорости ветра и солнечной радиации.
Практическая значимость исследования состоит в разработке научно обоснованных практических рекомендаций, предназначенных для проектирования систем автономного теплоснабжения сельских жилых домов на основе оборудования возобновляемой энергетики. Использование рекомендаций позволяет в каждом конкретном случае для выбранных климатических условий сформировать конфигурацию системы с оптимальными параметрами оборудования, режимами функционирования и технико-экономическими характеристиками.
Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс кафедры «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, использованы в лабораторном практикуме и учитываются при разработке методических рекомендаций.
Апробация работы выполнена в виде докладов и презентаций на международных конференциях, специализированных выставках, научных школах и конкурсах:
11th International Conference on Solar Energy at High Latitudes «NorthSun 2007» (30th May - 1st June, 2007, Riga, Latvia).
VIII Международная Научно-практическая конференция «Возобновляемая энергетика XXI века» (17–21 сентября, 2007, Крым, Украина).
8-я специализированная выставка «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» (2–5 октября, 2007, Москва).
IV Международная конференция «Возобновляемая и малая энергетика - 2007» (24–25 октября, 2007, Москва).
XIII Международная научно-техническая конференция «Теплоэнергетика XXI века» (10–12 апреля, 2008, пансионат «Юность», Щелково).
6-я Международная научно-техническая конференция «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (13–14 мая, 2008, Москва).
IV Всероссийский конкурс «Инновационные и технологические предпринимательские проекты среди молодежи» (14–16 октября, 2008, Москва).
Шестая Всероссийская научная молодежная школа «Возобновляемые источники энергии» (25–27 ноября, 2008, МГУ, Москва).
7-я Международная научно-техническая конференция «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (18–19 мая, 2010, Москва).
Молодежная программа «Инвестирование в будущее» в рамках международной ежегодной конференции и выставки Russia Power 2011 (30 марта, 2011, Москва).
The 6th international conference on electrical and control technologies «ECT-2011» (May 5–6, 2011, Kaunas, Lithuania).
Всероссийский конкурс научных работ в области возобновляемых источников энергии «Стипендия BELLONA - 2011» (21 декабря, 2011, Санкт-Петербург).
По теме диссертации автором опубликовано 16 статей, в том числе четыре статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК, два патента на изобретение и патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 88 наименований и приложения. Диссертация изложена на 143 страницах и включает 71 рисунок и 11 таблиц.
