Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методологические основы эффективного использования виэ при формировании концепции устойчивого энергоснабжения рекреационной территории 9
1.1. Общие положения 9
1.2. Устойчивое развитие и возобновляемые источники энергии 17
1.3. Использование системного подхода при обеспечении устойчивого энергоснабжения 22
1.4. Методика разработки концепции устойчивого энергоснабжения рекреационного региона на основе использования возобновляемых источников энергии 26
1.4.1. Оценка перспективных потребностей региона в энергии 26
1.4.2. Оценка доступного потенциала ВИЭ в районе проектирования 29
1.4.3. Концепция формирования системы устойчивого энергоснабжения с использованием ВИЭ 31
1.5. Исследование механизмов стимулирования использования виэ в современных экономических условиях 35
ГЛАВА 2. Разработка программ расчета и оптимизации элементов системы устойчивого энергоснабжения с использованием ВИЭ 47
2.1. Разработка программы моделирования и расчета тепловых потоков через ограждающие конструкции «TERMO» 47
2.1.1. Концепция повышения энергоэффективности сооружения 47
2.1.2. Назначение и интерфейс пользователя программы «TERMO» 52
2.1.3. Математическая модель теплового режима ограждающих конструкций сооружения в программе «TERMO» 56
2.2. Разработка программы расчета и оптимизации систем солнечного теплоснабжения «OPTISOL» 69
2.2.1. Анализ методик расчета систем солнечного теплоснабжения 69
2.2.2. Обоснование расчетной модели и назначение программы «OPTISOL» 73
2.2.3. Математическая модель солнечно-коллекторной установки горячего водоснабжения в программе «OPTISOL» 80
2.2.4. Расчет и оптимизация технико-экономических параметров солнечно-коллекторной установки в программе «OPTISOL» 85
ГЛАВА 3. Разработка рекомендаций по повышению энергоэффективности сооружений и оптимизации систем солнечного теплоснабжения в условиях горноклиматического курорта «КРАСНАЯ ПОЛЯНА» 94
3.1. Повышение энергоэффективности и оптимизация теплофизических параметров
сооружений по результатам моделирования в программе «TERMO» 94
3.1.1. Анализ влияния формы и ориентации сооружения на годовой ход величины теплового потока через его ограждающие конструкции 94
3.1.2. Влияние параметров ограждающих конструкций на величину теплопотерь/теплопоступлений условного здания 102
3.2. Оптимизация солнечно-коллекторных установок горячего водоснабжения в программе «OPTISOL» 108
3.2.1. Выбор оптимального угла наклона коллектора и оценка влияния ориентации коллектора на производительность СКУ в условиях горноклиматического курорта «Красная Поляна» 108
3.2.2. Влияние параметров теплового аккумулятора и графика разбора горячей воды на эффективность гелиоустановки 115
3.2.3. Оценка пределов экономической эффективности внедрения гелиоустановок горячего водоснабжения с принудительной циркуляцией теплоносителя 118
ГЛАВА 4. Разработка концепции устойчивого энергоснабжения горноклиматического курорта «красная поляна» на основе использования возобновляемых источников энергии 122
4.1. Оценка доступного для освоения потенциала виэ в районе проектирования 122
4.2. Определение перспективных нагрузок на системы энергоснабжения объектов горноклиматического курорта «КРАСНАЯ ПОЛЯНА» 133
4.3. Разработка практических рекомендаций по формированию концепции развития системы устойчивого энергоснабжения района на основе ВИЭ 138
4.3.1. Общие положения и директивы 138
4.3.2 Анализ существующего положения в области энергообеспечения района
проектирования 141
4.3.3. Учет экологического фактора при выборе варианта энергоснабжения 142
4.3.4. Система электроснабжения 145
4.3.5. Система теплоснабжения 150
Заключение 156
Литература 160
Приложения 172
- Устойчивое развитие и возобновляемые источники энергии
- Разработка программы расчета и оптимизации систем солнечного теплоснабжения «OPTISOL»
- Оптимизация солнечно-коллекторных установок горячего водоснабжения в программе «OPTISOL»
- Определение перспективных нагрузок на системы энергоснабжения объектов горноклиматического курорта «КРАСНАЯ ПОЛЯНА»
Введение к работе
Возникновение парадигмы «устойчивого развития» явилось условием переосмысления подходов к выбору приоритетов в развитии различных отраслей мирового хозяйства. Несмотря на неоднозначность трактовки термина «устойчивое развитие» и отсутствие явных успехов в реализации предложенного пути, можно констатировать, что реализация заложенных в этой концепции принципов является единственно возможным направлением развития общества [12, 33, 38, 41].
Принципы концепции устойчивого развития (в широком смысле этого понятия) являются инвариантными по отношению к различным секторам экономики и народного хозяйства, в том числе и к энергетической отрасли. При этом эффективное использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) рассматривается как один из бесспорных критериев обеспечения устойчивого развития на всех уровнях - от локального до глобального [3, 19, 72, 73, 118,122].
Сложившаяся на данный момент ситуация в области разработки и внедрения энергокомплексов на основе возобновляемых видов энергии на фоне общей неблагоприятной экономической ситуации в РФ приводит к выводам о необходимости корректировки ключевых направлений исследований в сфере использования ВИЭ. Одним из наиболее эффективных подходов, здесь представляется разработка региональных концепций устойчивого энергоснабжения, регламентирующих комплексное эффективное использование ВИЭ с учетом условий конкретного региона (на «макроуровне»). При этом особое внимание следует уделять формированию рекомендаций и методик, позволяющим производить оптимизацию использования ВИЭ при проектировании отдельных объектов (на «микроуровне»).
Разработка и реализация обозначенного подхода применительно к условиям горноклиматического курорта «Красная Поляна» (район Большого Сочи) представляет основное содержание данного исследования.
Основной гипотезой при разработке проблематики исследования является положение о критической значимости возобновляемых источников энергии для обеспечения энергетической и экологической безопасности рекреационного региона и в целом - для обеспечения его устойчивого развития.
Объектом исследования является система устойчивого энергоснабжения рекреационного региона и ее элементы, связанные с использованием возобновляемых источников энергии.
Предметом исследования являются процессы разработки и оптимизации систем энергоснабжения рекреационного региона с использованием возобновляемых источников энергии и мероприятий по повышению энергоэффективности в соответствии с директивами локальной концепции устойчивого развития.
Основной целью работы является разработка и апробирование методики проектирования системы устойчивого энергоснабжения рекреационного региона («макроуровень») и ее элементов, обеспечивающих расчет и оптимизацию энергокомплексов на основе ВИЭ при проектировании отдельных объектов («микроуровень»).
К основным задачам, решаемым в рамках проводимого исследования, относятся следующие:
определение первоочередных мероприятий, направленных на повышение конкурентоспособности энергокомплексов на основе ВИЭ и обеспечение их расширенного внедрения;
выявление роли ВИЭ и комплексных мероприятий по энергосбережению в процессе достижения устойчивого развития рекреационного региона и оценка их вклада в обеспечение устойчивого энергоснабжения и экологической безопасности территории;
разработка и совершенствование методики формирования системы устойчивого энергоснабжения рекреационного региона;
разработка программы повышения энергетической эффективности зданий и сооружений;
разработка программы расчета и оптимизации систем солнечного теплоснабжения;
совершенствование методик расчета и оптимизации энергокомплексов с использованием ВИЭ по экономическим параметрам;
разработка системы устойчивого энергоснабжения горноклиматического курорта «Красная Поляна».
Для решения поставленных задач были использованы следующие методы:
численные методы расчета;
математическое моделирование динамических процессов;
принципы и приемы системного и объектно-ориентированного программирования;
численный эксперимент;
методы прикладной экономики (определение экономической эффективности, текущей и будущей стоимости, прогнозирование и планирование, определение стоимости по укрупненным показателям и т.д.).
В работе представлены теоретические основы проблематики устойчивого энергоснабжения; комплексного и эффективного использования различных ВИЗ (прежде всего солнечной энергии как наиболее перспективного ВИЗ для района Большого Сочи) для конкретных региональных условий; произведен анализ существующих эколого-экономических предпосылок для обеспечения устойчивого энергоснабжения с использованием ВИЗ. Предложена методика разработки локальной программы устойчивого энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии, а также ее элементов, связанных с проектированием комплексных систем энергообеспечения отдельных объектов с использованием энергоустановок на основе возобновляемых источников энергии применительно к системам солнечного теплоснабжения.
Научная новизна предлагаемых разработок заключается в следующем:
разработана комплексная методика построения концепции устойчивого энергоснабжения рекреационного региона;
разработана программа динамического моделирования и расчета тепловых потоков через ограждающие конструкции сооружения с учетом действия солнечной радиации;
разработана методика и программа укрупненного расчета мгновенных и интегральных параметров СКУ с принудительной циркуляцией теплоносителя;
получены результаты численного эксперимента по повышению энергоэффективности сооружений и оптимизации параметров СКУ для условий горноклиматического курорта «Красная Поляна»;
оценен доступный потенциал ВИЗ в регионе Красной Поляны и даны рекомендации по приоритетам в его использовании в рамках локальной концепции устойчивого энергоснабжения;
предложен новый подход в ТЭО энергоустановок на основе ВИЗ, наиболее полно отражающий сложившиеся экономические реалии.
Актуальность исследования обусловлена следующим:
конкретизируются пути достижения устойчивого развития применительно к энергетическому сектору;
предлагается методика разработки региональной системы устойчивого энергоснабжения рекреационного региона на основе использования возобновляемых источников энергии;
выявлены и проработаны приоритетные направления развития систем энергоснабжения с использованием ВИЭ для условий горноклиматического курорта «Красная Поляна»;
выработанные подходы и методики возможно использовать при разработке аналогичных программ для других регионов, при подготовке нормативной документации и рекомендаций по расчету и проектированию энергоустановок на основе ВИЭ, а также в образовательном процессе;
разработанные машинные программы численного расчета и моделирования могут использоваться при решении научно-технических задач строительной теплотехники, энергосбережения и солнечного теплоснабжения, а также при разработке проектов энергоснабжения отдельных объектов.
Результаты исследования ориентированы на применение на начальной стадии проектирования объектов, при разработке методических рекомендаций по проектированию систем солнечного теплоснабжения и энергоэффективных сооружений для конкретного региона, а также в образовательном процессе. Разработанные положения локальной концепции устойчивого энергоснабжения легли в основу градоэкологическои концепции развития горноклиматического курорта «Красная Поляна» [73].
Проведенные исследования позволили выявить приоритетные направления дальнейших исследований:
совершенствование методик экономического учета экологического фактора при проектировании систем энергоснабжения;
расширение перечня измеряемых параметров на существующих станциях метеонаблюдений и корректировка методик измерений;
проведение расширенных испытаний блоков параллельно соединенных солнечных коллекторов с выявлением расчетных зависимостей при различном сочетании
8 параметров (количество коллекторов в блоке, удельный расход теплоносителя и
т.д.);
стандартизация методики теплотехнических испытаний солнечных коллекторов с расширением перечня испытаний и измеряемых параметров;
сооружение экспериментальных моделей пассивных систем солнечного теплоснабжения для оценки точности динамических расчетных моделей;
реализация концепции устойчивого развития горноклиматического курорта «Красная Поляна»;
разработка методов расчета количественных критериев устойчивого развития, социального и экологического эффекта от использования ВИЭ.
На защиту выносятся следующие основные результаты исследования:
Методика разработки региональной концепции устойчивого энергоснабжения рекреационного региона на основе использования возобновляемых источников энергии.
Программа технико-экономических расчетов и оптимизации систем солнечного теплоснабжения «OPTISOL».
Программа моделирования и расчетов тепловых потоков через ограждающие конструкции сооружения с учетом воздействия солнечной радиации «TERMO».
Результаты численного эксперимента по оптимизации систем солнечного теплоснабжения и энергетической эффективности сооружений в условиях горноклиматического курорта «Красная Поляна».
Концепция устойчивого энергоснабжения горноклиматического курорта «Красная Поляна» на основе ВИЭ.
Устойчивое развитие и возобновляемые источники энергии
Термин «Sustainable Development» впервые введен в обиход Международным союзом по охране природы (IUCN) и к 1989 году насчитывалось уже более 60 его определений [38, 43]. Концепция устойчивого развития (УР) начала широко обсуждаться мировой общественностью после появления в 1987 году доклада Всмирной Комиссии по Окружающей Среде и Развитию (WSED) «Наше общее будущее» [61]. Окончательно сценарий устойчивого развития сформировался на Конференции ООН по Окружающей Среде и Развитию (UNCED - «Earth Summit»), проходившей в Рио-де Жанейро 3-14 июля 1992 года. По выражению видного эколога Альберта Гора конференция в Рио «завершила этап экологизации общественного сознания людей Земли» [123].
Следует отметить, что перевод термина «Sustainable Development» как «устойчивое развитие» является не совсем удачным. Дословно термин следует переводить как «поддерживаемое развитие» [31], а наиболее точно, пожалуй, передает содержание концепции термин «регулируемое развитие» [59].
Суть принципа устойчивого развития: «Человечество способно сделать развитие поддерживаемым - обеспечить такие условия, чтобы оно удовлетворяло нужды настоящего, не лишая способности будущих поколений удовлетворять свои потребности» [146]. Устойчивое развитие подразумевает целенаправленный контроль над происходящими изменениями, прогнозирование и компенсацию наиболее опасных неустойчивостей и диспропорций развития. В широком смысле стратегия устойчивого развития направлена на достижение гармонии между людьми и между обществом и природой [41]. Были сформулированы и основные принципы стратегии устойчивого развития [118]:- уважение и сохранение жизни в социальных и биологических сообществах;- улучшение качества жизни людей;- сохранение биологического разнообразия на планете;- предотвращение истощения невозобновляемых ресурсов;- необходимость признания изменения ценностных и поведенческих стереотипов;- поиски глобальных компромиссов между регионами с различными уровнями экономического и социального развития по защите окружающей среды.
Резкой критике подвергают концепцию устойчивого развития в ее сложившейся форме видные российские ученые-экологи [33, 58]. В.А. Зубаков, относя концепцию устойчивого развития к группе сценариев «стихийно-рыночного взаимодействия общества с природой», делает следующие выводы [31]: «устойчивое развитие»;2) у термина «устойчивое развитие» отсутствует научное содержание;3) исключительно высокая цена делает устойчивое развитие явно недоступным большей части стран, а значит, ведет к политически разделенному человечеству.
Несмотря на жесткую критику, концепция перехода Российской Федерации к устойчивому развитию [40] была утверждена 1 апреля 1996 г. В ней проблема устойчивого развития, по сути, сведена к общим словам, а экологический императив подчинен декларациям о необходимости структурных преобразований в экономике [44, 53].
Наиболее полезным в практическом плане представляется более широкий взгляд на концепцию устойчивого развития [53], который и развивается в данной работе (в приложении к сфере энергоснабжения и использования ВИЭ).
Необходимо констатировать, что смена курса, провозглашенная в Рио, фактически не подтверждается реальными делами, являясь политическим компромиссом разных сил и течений [122]. Назрела потребность в корректировке понимания смысла «устойчивого развития», выявлении реальных путей его обеспечения, базирующихся на практически осуществимых локальных и секторальных стратегиях развития. Необходимо разрабатывать и обеспечивать практическую реализацию конкретных региональных программ устойчивого развития, нужна организация мониторинга устойчивости развития территорий, основные признаки которого должны количественно охарактеризовываться определенными показателями -индикаторами устойчивости развития.
В этом свете тактика ближайшей перспективы заключается в стабилизации экономики и разработка конкретных путей трансформационных процессов в них при соблюдении принципов равновесия в геоэкосистемах разного ранга. Стратегией же дальнейшей перспективы представляется идея сбалансированности потребностей общества и возможностей природы с учетом реабилитации среды, а также сохранения биологического равновесия флоры и фауны [42].
Для достижения этих целей необходимо подвергнуть корректировке рыночные механизмы путем принятия обширного и детального законодательства по защите окружающей среды с четко определенными экологическими и технологическими целями и мерами по достижению этих целей. Стратегия устойчивого развития может быть успешной только при наличии соответствующего законодательства, ясно формулирующем цели развития и пути его достижения, при наличии действенного механизма контроля за их выполнением.
Критерии и показатели устойчивого развития, которых выделяют до 200, можно объединить в три группы: экологические, экономические и социальные [42]. Критерии устойчивого развития в широком смысле для уровней от локального до глобального имеют свою специфику и определенное сочетание интегральных показателей. На региональном и локальном уровнях - это показатели и пропорции между экономическими, экологическими и социальными составляющими, поиск индикаторов состояния и развития в пределах регионов, их увязка с общими концептуальными позициями устойчивого развития. Весьма важными в этом плане представляются такие критерии устойчивого развития, как мера допустимости изъятия или возврата вещества и энергии из экосистем разного уровня; баланс использования возобновляемых природных ресурсов и эколого-экономическая эффективность использования невозобновляемых природных ресурсов; расход энергии и ресурсов на единицу конечного продукта на душу населения и т.д. [42,101].
Как уже отмечалось, переход к устойчивому развитию - процесс, в котором не ясны многие параметры конечной цели, пути практической реализации переходного режима, условия, в которых он будет осуществляться, его движущие силы, а также возможности управления им. По существу достаточно понятны лишь некоторые экологические понятия и определения, а также необходимость самого процесса для обеспечения выживания человечества. Для различных частных аспектов проблематики обеспечения устойчивого развития характерна значительная качественная и количественная неопределенность.
В месте с тем, многие положения концепции устойчивого развития являются инвариантными по отношению к любым технологиям. Поэтому основные положения этой теории полностью применимы к энергетическому комплексу, который пронизывает все сферы жизни общества. Соответственно, введение в практику строительства и эксплуатации энергетического хозяйства терминов «устойчивая энергетика» и «устойчивое энергоснабжение» представляется обоснованным.
Разработка программы расчета и оптимизации систем солнечного теплоснабжения «OPTISOL»
Первоначальной задачей при оптимизации СКУ (и установок на базе фотоэлектрических преобразователей) является определение годового хода суммарной солнечной радиации, падающей на наклонную поверхность лучеприемника.
Суммарная радиация определяется как сумма прямой, рассеянной и отраженной радиации:
Задача определения прямой составляющей не составляет проблемы [15, 30, 126, 132]. Оценка же рассеянной составляющей является значительно более сложной задачей, которая представляется весьма актуальной при достаточном количестве облачных дней за период работы гелиоустановки. Существует ряд моделей, которые, используя многолетние данные наблюдений за суммарной и прямой радиацией на нормальную поверхность, позволяют рассчитывать величины рассеянной радиации на наклонную поверхность, используя различные геометрические взаимосвязи и соотношения [113,125-126].
Ниже приводятся формулы для расчета рассеянной составляющей солнечного излучения на поверхность произвольной ориентации, а также кратко проанализирована область применения соответствующих методик [125-126]. 1) Изотропная модель. где Id0 - диффузная радиация на горизонтальную поверхность, Вт/м ; Р - угол наклона плоскости по отношению к горизонтальной, град. Эта модель достоверна для случая облачного неба, но практически непригодна для ясной или малооблачной погоды. 2) Модель Темпса-Калсона представляет собой развитие изотропной модели с учетом условий ясного неба. 3) Модель Клачера (анизотропная). Здесь сначала рассчитывается значение коэффициента F: тогда где /r0 - суммарная радиация на горизонтальную поверхность, Вт/м2. Как видно из формул, при облачной погоде, когда величина суммарной радиации равна рассеянной составляющей, модель сводится к изотропной, а при чистом небе - к модели Темпса-Калсона. 4) Модель Хэя рассматривает отдельно рассеянную радиацию от участка вокруг солнечного диска (основная составляющая рассеянной радиации) и изотропную рассеянную от остального небосвода. Здесь вначале рассчитывается коэффициент анизотропии: Рассеянная радиация в окрестности солнечного диска: где 1М - значение рассеянной радиации, падающей на горизонтальную плоскость. Величина рассеянной радиации от остального небосвода: Величина полной диффузной радиации определяется по формуле: Данная модель предназначена, главным образом, для южно-ориентированных поверхностей, при других ориентациях модель сводится к изотропной. Разработаны и более сложные модели, но для практических расчетов изложенные модели представляются достаточно корректными. Экспериментальные исследования [125] показали, что для южной ориентации коллектора модели Темпса-Калсона, Клачера и Хэя характеризуются малой среднеквадратической погрешностью при малой доле диффузной составляющей, изотропная же модель характеризуется значительно большей погрешностью. Для северной ориентации модель Темпса-Калсона наименее точна, она наиболее приемлема для поверхностей, близких к горизонтальным. Согласно результатам экспериментальных исследований, проведенных в Испании и Турции [125, 145], можно констатировать, что наиболее точные результаты дает модель Хэя (за исключением северной ориентации, хотя и в этом случае ее применение допустимо).
При отсутствии данных актинометрических наблюдений, возможно оценить дневную сумму радиации, исходя из данных о продолжительности солнечного сияния с учетом облачности (которая учитывается в виде соотношения действительного и возможного числа часов солнечного сияния), используя известное уравнение регрессии Ангстрема [26,35,139].
Для учета облачности при известной величине солнечной радиации можно использовать методику [22, 29]. Подобный метод изложен в [132]. В этом случае рассеянная радиация определяется как функция индекса облачности CLEAR, который, в свою очередь, определяется отношением суммарной величины солнечной радиации в данном районе и внеземной радиации. В расчетах используются среднемесячные величины суммы солнечной радиации за день.
Для моделирования процессов в СКУ и расчета проектируемых установок разработан и используется ряд упрощенных полуэмпирических методик теплового расчета [95, 130, 133], широко использующаяся сейчас методика на базе [6], и представляющаяся менее точной методика [21,67].
Более точными, особенно в отношении термосифонных систем, являются методы имитационно-динамического моделирования СКУ, однако существующие модели характеризуются рядом недостатков - они либо основаны на предположении о линейности распределения температур в баке-аккумуляторе (что справедливо лишь для установившегося режима), либо дневной ход солнечной радиации аппроксимируется функцией синусоидального вида, либо не учитывается температурная стратификация в баке-аккумуляторе, либо необходимы замеры коэффициентов теплоотдачи различных элементов СКУ, также практически все модели не учитывают разбор нагретой воды в дневное время и наличие вспомогательного нагревателя в системе [49], кроме того, эти модели значительно более сложны, требуют значений значительно большего числа исходных параметров и привязаны к определенной конструкции установки. Нет и данных, которые могли бы говорить о сравнительной точности различных методик для различных условий.
В работе [17] было показано, что для корректного проведения технико-экономических расчетов допустимо использовать осредненную за определенный период интенсивность солнечной радиации. Эти выводы делаются и в работах Клейна и Бекмана по расчету СКУ [6, 26].
В целом, можно выделить два концептуальных подхода к моделированию и расчетам СКУ.
Оптимизация солнечно-коллекторных установок горячего водоснабжения в программе «OPTISOL»
В программе «OPTISOL» были проведены расчеты для типовой СКУ с принудительной циркуляцией, оборудованной солнечными коллекторами «Радуга» производства НПП «Конкурент», г. Жуковский. Рассматривался условный объект с суточной нагрузкой на систему горячего водоснабжения в 5 м3. Исходя из практики проектирования и рекомендаций ВСН 52-86 были приняты следующие параметры: 1) удельный расход теплоносителя - 30 кг/м2-час; 2) удельный объем бака-аккумулятора -0,07 м3/м2 (исходя из покрытия суточной нагрузки); 3) число ступеней нагрева СКУ (последовательно соединенных блоков СК) - 1. Географическая широта района - 44,5 с.ш.
Для выявления зависимостей моделировался режим с разбором горячей воды после завершения работы гелиоустановки в суточном цикле. При этом обеспечивался нагрев воды в баке в течение ясного дня летних месяцев до 55-57 С. Промежуточные расчеты производились в удельных величинах - относительно 1 м2 площади СКУ, однако окончательный результат приводился с учетом общей площади условной СКУ, исходя из требования покрытия нагрузки ГВ для летних месяцев (этим объясняется некоторое несоответствие в удельных годовых выработках СКУ и коэффициентов замещения). Результаты расчетов для различных углов наклона коллектора южной ориентации сведены в таблицу 3.4.
По результатам расчета был определен оптимальный угол наклона для периода эксплуатации с апреля по октябрь - 27 (рис. 3.11, 3.14-3.15), при котором достигается максимальная удельная месячная производительность - 279,3 МДж/(мес-м). Оптимальный угол наклона для периода с марта по ноябрь - 32 (годовая выработка -2272 МДж/м ), однако прирост производительности по сравнению с углом в 27 составляет не более 0,4 % (рис. 3.12).
Как показывает анализ, изменение угла наклона в пределах от 20 до 35 (рис. 3.10-3.12, 3.16) очень мало влияет на производительность установки (в пределах 2%), однако прослеживаемая зависимость теплопроизводительности от угла наклона сохраняет вид и делается более ощутимой при моделировании режима с разбором горячей воды во время работы установки.
Увеличение угла наклона коллектора в пределах 38-47 приводит к существенному увеличению коэффициента замещения (до 0,4-0,5) в марте и ноябре при соответствующем увличении площади СКУ (рис. 3.13).1. Максимальную среднемесячную выработку полезной энергии СКУ в местных условиях можно обеспечить в достаточно широком диапазоне углов наклона коллектора (20-35), повышение угла наклона приводит к необходимости увеличения площади СКУ и удлинению на 0,5-1,5 мес. эффективного периода эксплуатации установки.2. Оптимальными углами наклона являются следующие: 27 для установок сезонной эксплуатации (апрель-октябрь); 32 для периода эксплуатации с марта по ноябрь (при пиковой нагрузке в летние месяцы); 47 при необходимости обеспечить аксимальные коэффициенты замещения в весенние и осенние месяцы и максимальную годовую выработку; 22 для периода май-сентябрь. 3. При наличии жестких требований к архитектурному облику сооружения возможно изменять угол наклона коллектора в широких пределах - от горизонтального до 60, что приводит к изменению эффективного периода эксплуатации установки с 6 до 9 месяцев и среднемесячной выработки теплоты в пределах 20%.
В целях определения допустимых пределов отклонения ориентации коллектора от направления на юг были произведены расчеты для оптимального угла наклона коллекторов СКУ сезонного типа - 27. Результаты расчетов сведены в таблицу 3.5.
Результаты расчетов позволяют определить оптимальную ориентацию коллектора при оптимальном угле наклона 27. Это отклонение к западу на 10, причем это значение справедливо и для угла в 32. Однако прирост удельной производительности по сравнению с южной ориентацией составляет ничтожно малую величину -0,3%.
Как показывает анализ, отклонение от южной ориентации до 45 к западу и до 30 к востоку приводит к уменьшению выработки энергии не более чем на 4%, что позволяет широко использовать естественную экспозицию склонов при размещении гелиоустановок (рис. 3.17).
Существенное влияние на работу СКУ оказывает величина удельного объема бака, определяющая темп изменения температуры горячей воды в баке-аккумуляторе. Соответственно, удельный объем подбирается, исходя из требуемой температуры получаемой воды, параметров СКУ и климатических данных. Для данного примера (см. п. 3.2.1) температура воды в 55-56 С в ясный летний день достигалась при удельном объеме бака 0,07 м /1м СКУ (рис. 3.18). В типичный облачный дня температура в баке поднималась до 48-49 С.
При необходимости обеспечить получение горячей воды уже в часы работы гелиоустановки необходимо адекватно уменьшить объем бака-аккумулятора. Приемлемые результаты в данном случае обеспечил удельный объем 0,55 м /1м СКУ, при котором разбор воды с температурой 52 С начинается с 14 часов (май-сентябрь) и с 15 часов в апреле и октябре. При этом температура в баке в конце работы СКУ за счет разбора воды снижалась до 48-53 С, в период 13-15 часов поднимаясь до 56-57 С (рис. 3.19).Результаты расчета показывают, что повышение КПД коллекторов (рис. 3.20-3.21) за счет снижения температуры в контуре в послеполуденные часы не компенсируют снижения КПД, вызванного снижением удельного объема бака (и соответственно более высокой температурой теплоносителя в утренние часы). Удельная годовая выработка на единицу площади СКУ снизилась (при организации разбора воды в соответствии с типичным графиком водопотребления) на 3,8%.
Соответственно, можно сделать однозначный вывод о том, что организация разбора воды в послеполуденные часы может быть организована путем снижения удельного объема бака-аккумулятора, однако экономически нецелесообразна.
Следует также отметить, что достижение 100 %-ного покрытия нагрузки горячего водоснабжения за счет СКУ достичь практически невозможно, несмотря на расчетные коэффициенты замещения, даже несколько превышающие 1. Дело в том, что значения коэффициентов замещения рассчитываются по энергетическим показателям производительности гелиоустановки и требующейся энергии на подогрев воды до требуемой температуры, тогда как фактически происходит некоторый перегрев или недогрев воды в баке-аккумуляторе. Соответственно, имеют место как неоправданные потери полезного тепла при перегреве или необходимость использования дублирующего источника энергии при недогреве в облачный или пасмурный день.
Для более корректного учета этих факторов необходимо либо задавать максимальный коэффициент замещения либо меньшим, либо большим единицы (последнее решение экономически не оправдано, так как, обеспечивая требуемый нагрев воды в облачный день, требует использования дублера в пасмурный день).
При правильно запроектированной тепловой изоляции бака-аккумулятора9 ft(полный коэффициент теплопередачи стенки 0,3-1 Вт/(м С)) теплопотери через его стенки практически не влияют на производительность СКУ. В начальные часы работы при заполнении бака холодной водой даже наблюдается отрицательный баланс теплопотерь.
Существенным для повышения общей эффективности гелиоустановки является минимизация теплопотерь бака-аккумулятора в период простоя гелиоустановки.С использованием программы «TERMO» было произведено моделирование нестационарного охлаждения воды в баке-аккумуляторе условной СКУ. Объем бака - 5 м3, площадь поверхности - 18 м2 (в т.ч. крышки -4м). При полном коэффициенте теплопередачи стенки бака 0,5 Вт/(м2-С), соответствующем тепловой изоляции толщиной 6-7 см, снижение температуры горячей воды с начальной температурой 55 С за ночь не превышает 1,5% при удельных теплопотерях бака меньше 1 МДж/м .
Определение перспективных нагрузок на системы энергоснабжения объектов горноклиматического курорта «КРАСНАЯ ПОЛЯНА»
Имеющаяся на текущей стадии проектирования информация достаточна для выработки определенных рекомендаций по принципиальным решениям инженерных систем, включая разделение застройщиков по признаку большей эффективности использования для данного конкретного объекта централизованных или автономных систем.
Ввиду отсутствия проектной документации по большинству из объектов, включенных в данную программу, для оценки нагрузок на инженерные системы района проектирования на перспективу был использован метод расчета по укрупненным показателям в соответствии с действующей системой нормативной документации в строительстве [85-89,92].
За основу расчета нагрузок по другим объектам были взяты данные по перспективной емкости спортивно - туристических и рекреационных объектов, предоставленные Центром по созданию горноклиматического курорта «Красная Поляна» и застройщиками. Данные по перспективной численности постоянного населения пос. Красная Поляна (6000 чел.) соответствуют приведенным в «Целевой программе создания горноклиматического курорта Красная Поляна».
Электрические нагрузки ряда застройщиков горноклиматического курорта «Красная Поляна» первой очереди скорректированы согласно данным Сочинских электросетей.Следует отметить, что в связи с отсутствием данных в расчетах не учтены электрические и тепловые нагрузки на технологические цели некоторых проектируемых объектов, а также электрические нагрузки транспортной системы. На следующих стадиях проектирования нагрузки должны быть уточнены по каждому конкретному объекту в соответствии с разрабатываемой проектной документацией.
Согласно приведенным данным централизованные, автономные и групповые инженерные сооружения горноклиматического курорта «Красная Поляна» на перспективу должны обеспечить покрытие суммарных нагрузок в следующих размерах:
При разработке схем энергоснабжения (рис. 4.1-4.2) горноклиматического курорта целесообразно выделить следующие группы потребителей (после наименования группы потребителей - величина электропотребления, кВт и общей тепловой нагрузки, кВт; в скобках - нагрузки отопления и горячего водоснабжения, кВт):
Градоэкологическая концепция развития горноклиматического курорта «Красная Поляна» призвана уточнить генеральный план застройки района на основе принятия принципиальных решений по землепользованию, разработки правил строительства объектов, требований к инженерным и транспортным системам применительно к природным условиям местности, локальным особенностям ландшафта и микроклимата с целью сохранения всех рекреационных свойств курорта и удовлетворения экологического баланса в антропогенном воздействии на окружающую природную среду.
Концепция развития горноклиматического курорта «Красная Поляна» предполагает осуществление мероприятий в следующих направлениях:1) основные спортивно-туристические сооружения;2) главные транспортные коммуникации;3) жилищно-гостиничный комплекс;4) инженерные сооружения и другие объекты инфраструктуры;5) социальное развитие региона.Территориальная рассредоточенность комплексов позволит, не превышая антропогенных нагрузок на природный комплекс, одновременно размещать до 20 тыс. туристов и спортсменов. Горный рельеф и благоприятные природные условия дают возможность создать на комплексах не только сооружения для массового горнолыжного туризма и отдыха в горах, но и специализированные стационарные горнолыжные трассы для спортсменов в соответствии с международными требованиями.
Высокие требования к технологичности, безопасности, надежности оборудования и соответствию принимаемых решений передовым достижениям научно-технической мысли обусловлены необходимостью обеспечить максимальную экологическую безопасность проектируемой инженерной инфраструктуры в соответствии с требованиями органов Госсанэпиднадзора, Сочинской инспекции рыбоохраны, Дирекции Сочинского национального парка и Кавказского биосферного заповедника (участки территорий которых охватывает зона проектирования), а также действующих законодательных актов и нормативной документации.
К проектируемым системам инженерного обеспечения в применении к разрабатываемой градоэкологической концепции развития горноклиматического курорта предъявляются следующие основные требования:1) минимизация вредного воздействия на окружающую природную среду как на этапе эсплуатации, так и на этапе строительства объекта;2) надежность энергообеспечения всех объектов (в том числе автономных) прежде всего в зимний период, на который приходится пик энергетических нагрузок;3) экономическая целесообразность предлагаемых проектных решений;4) возможность развития систем инженерного обеспечения с учетом поэтапного развития курорта по мере притока инвестиций.
Реализация вышеозначенных положений затруднена отсутствием значительного количества необходимой исходной информации, что приводит к неизбежному снижению точности стратегических прогнозов и расчетов на перспективу. Однако это не вносит существенных корректив в определение наиболее эффективных направлений и директив развития инженерной инфраструктуры курорта в соответствии с концепцией его устойчивого развития.
На дальнейших стадиях проектирования потребуется внесение уточнений и дополнений на основании получения более детальной и точной информации. Необходимо обеспечить сбор и анализ данных в следующих направлениях:- организация репрезентативного мониторинга изменения состояния окружающей среды в результате сооружения первоочередных объектов горноклиматического курорта;- уточнение данных о предельной антропогенной нагрузке на существующие и изменяемые экосистемы;- уточнение данных о величинах солнечной радиации, ходе температур окружающей среды, речной воды и грунта, а также о годовой изменчивости стока рек района;- анализ данных о реальных значениях выбросов, сбросов и концентраций загрязняющих веществ; - уточнение номенклатуры и значений перспективных нагрузок на системы энергоснабжения курорта;- формирование банка данных на основе ГИС-технологий о территориально-временном распределении потенциала ВИЭ района;- создание единого центра, координирующего усилия по практической реализации положений, заложенных в разработанной концепции.
