Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Пассивные системы солнечного отопления и потенциал энергосбережения зданий 13
1.1 Пассивное использование энергии солнечного излучения 13
1.2. Исследования закрытых пассивных систем 18
1.3. Эффективность пассивных систем солнечного отопления 31
1.4. Потребность в тепловой энергии 34
1.5. Роль инфильтрационных тепловых потерь. 39
1.5.1. Методика определения инфильтрационных тепловых потерь 39
1.5.2. Результаты энергетически обследований зданий 44
1.6. Баланс тепловой энергии в зданиях 50
1.6.1. Тепловые потери 51
1.6.2. Полезное использование дополнительных источников тепловой энергии 54
Глава 2. Активные солнечные и теплонасосные системы теплоснабжения 58
2.1. Оценки климатических и планировочных факторов 58
2.1.1. Оптимальная ориентация поглощающих элементов 59
2.1.2. Оценка факторов, связанных с затенением 64
2.1.3. Температура почвы ...66
2.2. Исследование солнечных водонагревательных установок 73
2.3. Использование тепловых насосов в системах теплоснабжения 86
2.3.1. Исследование режимов работы теплового насоса в системе с водяным накопителем тепла 87
2.3.2. Исследование теплонаносных систем на основе грунтовых теплообменников закрытого типа 96
2.4. Исследования возможности использования грунтовых теплообменников в системах вентиляции 105
Глава 3. Технический потенциал биомассы 112
3.1. Газификация растительной биомассы 112
3.1.1. Исследование технологии газификации древесных отходов 114
3.1.2. Использование генераторного газа в качестве моторного топлива 119
3.2. Исследование процессов анаэробного сбраживания отходов животноводства 120
3.2.1. Обобщение опыта эксплуатации биогазовых установок 121
3.2.2. Теоретический анализ кинетики метанового сбраживания в реакторах с периодической загрузкой 125
3.2.3. Исследование процессов сжигания биогаза 133
3.2.4. Эффективность биогазовых установок 147
Глава 4. Экспериментальное энергоавтономное здание 151
4.1. Общее описание проекта 151
4.2. Архитектурно-конструктивные решения энергоавтономного здания 154
4.2.1. Объемно-планировочные решения 154
4.2.2. Конструктивные решения 156
4.3 Система теплоснабжения 159
4.4 Выбор источников электрической энергии 162
4.4.1. Расчетное потребление электроэнергии 162
4.4.2. Выработка электроэнергии 163
4.5. Система электроснабжения экспериментального энергоавтономного здания 172
4.6. Оптимизация параметров фотоэлектрической установки 180
4.7. Анализ энергетических затрат на создание и эксплуатацию ЭАЗ 184
Заключение 188
Литература 191
- Эффективность пассивных систем солнечного отопления
- Исследование солнечных водонагревательных установок
- Исследование процессов анаэробного сбраживания отходов животноводства
- Система теплоснабжения
Введение к работе
Актуальность темы
Большая социальная значимость системы теплоснабжения - самого топливоемкого сектора экономики России - в последнее время отчетливо осознана на государственном уровне. В «Энергетической стратегии России на период до 2020 года», утвержденной Правительством РФ 26 августа 2003 года, стратегическими целями развития этой отрасли определены:
- повышение надежности снабжения теплом предприятий экономики и населения страны;
- повышение эффективности функционирования на базе новых современных технологий с учетом оптимального использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива.
Возобновляемые источники энергии — источники непрерывно возобновляемых в биосфере Земли видов энергии: солнечной, ветровой, океанической, гидроэнергии рек, геотермальной, энергии биомассы и другие. Неистощаемость и экологическая чистота этих ресурсов обусловливают необходимость их более интенсивного использования.
Применение возобновляемых источников энергии и местных видов топлива позволяет:
- сокращать потребление невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов;
- снижать экологические нагрузки от деятельности топливно-энергетического комплекса;
- обеспечивать тепловой энергией децентрализованных потребителей в районах с дальним завозом топлива;
- снижать расходы на дальнепривозное топливо.
В настоящее время экономический потенциал возобновляемых источников энергии существенно увеличивается в связи с подорожанием традиционного топлива. Как показывают долгосрочные прогнозы, в будущем эта тенденция сохранится.
Научно-техническим проблемам использования возобновляемых источников энергии в различных областях народного хозяйства посвящено большое количество исследований отечественных и зарубежных ученых. Общую координацию научных исследований и разработок в рамках государственной научно-технической программы России «Экологически чистая энергетика» осуществляли В.И. Доброхотов, Э.Э. Шпильрайн, П.П. Безруких. Большой вклад в разработку научных основ использования возобновляемых источников энергии внесли следующие ученые и научные коллективы:
- использование солнечной энергии для теплоснабжения - Б.В. Тарнижевский;
- разработка энергосистем на основе возобновляемых источников энергии -ВНИИ электрификации сельского хозяйства (Д.С. Стребков), МЭИ (В.И. Виссарионов, В.М. Казанджан);
- использование тепловых насосов - институт теплофизики СО РАН (В.Е. Накоряков), И.М. Калнинь, Г.П. Васильев;
- энергетическое использование биомассы - Л.В. Зысин, Е.С. Панцхава. - Значительный вклад в развитие научных основ разработки солнечных энергетически систем теплоснабжения зданий внесли германские ученые A. Goetzberger, V. Wittwer, К. Voss.
Каждый крупный регион России имеет свои особенности топливо- и энергообеспечения. Их правильный и своевременный учет — основа успешной реализации государственной энергетической политики.
В странах дальнего и ближнего зарубежья в последние годы наблюдается значительный рост производства агрегатов нетрадиционной энергетики. В России известны лишь отдельные примеры использования этих систем. Одна из причин этого - незнание потенциальными пользователями и проектировщиками возможностей, открывающихся при использовании возобновляемых источников энергии в системах теплоснабжения. Разработка рекомендаций, основанных на экспериментальных и теоретических исследованиях в сходных природно-климатических условиях, будет содействовать более широкому применению этих систем.
Модернизацию систем теплоснабжения на основе использования возобновляемых источников энергии необходимо вести на надежном фундаменте научных исследований и разработок, учитывающих природно-климатические характеристики рассматриваемой территории. Кроме того, до настоящего времени не разработан комплексный подход к проектированию систем теплоснабжения, учитывающий как доступные в месте нахождения здания возобновляемые источники энергии, так и теплоэнергетические параметры объекта теплоснабжения.
Проблема состоит в том, чтобы, поддерживая комфортные условия микроклимата, миниминизировать потери энергии. Исходя из этого и изучая возможный вклад возобновляемых источников энергии в топливно-энергетическом балансе здания, необходимо рассматривать его как единую энергетическую систему, в которой взаимодействуют потоки энергии разного вида. Научная проблема состоит в том, чтобы разработать методики, дающие возможность проводить комплексный технический анализ систем теплоснабжения с учетом как природно-климатических факторов места расположения, так и теплоэнергетических характеристик самого объекта теплоснабжения.
Цель работы. Целью данной работы было исследование технологий обеспечения тепловой энергией зданий для создания в них комфортного микроклимата с использованием возобновляемых источников энергии, разработка рекомендаций по использованию систем преобразования энергии солнечной радиации, низкопотенциального тепла поверхностных слоев земли, биомассы, доступных потребителям в природно-климатических условиях юга Западной Сибири.
В соответствии с этой целью решались следующие задачи:
- анализ факторов, влияющих на потребление тепла зданиями, выявление уровней и каналов сверхнормативных тепловых потерь;
- проведение экспериментальных, теоретических исследований, натурных испытаний и опытная эксплуатация активных и пассивных систем солнечного отопления, термогазовых генераторов, биогазовых систем, тепловых насосов и грунтовых теплообменников, использующих низкопотенциальное тепло поверхностных слоев земли;
- обоснование концепции комплексного использования современных энергосберегающих технологий и потоков возобновляемой энергии вблизи места расположения здания для его автономного энергообеспечения, разработка рабочей документации на строительство экспериментального энергоавтономного здания, учитывающей требования нормативов и практические возможности освоенных отечественных строительных технологий, анализ затрат первичной энергии на строительство и эксплуатацию зданий.
Научная новизна. Автор видит научную новизну в комплексном подходе к разработке систем теплоснабжения зданий основанном на единой системе физических и инженерных расчетов, учитывающих поступление солнечной радиации, других источников тепловой энергии, влиянии ветра, температуры окружающего воздуха, а также детальном учете всех каналов тепловых потерь зданий и теплофизические характеристики ограждающих конструкций. Комплексный подход позволил:
выявить количественные связи между эффективностью пассивных систем солнечного отопления при замещении отопительной нагрузки, архитектурно планировочными, конструктивными решениями и природно-климатическими характеристиками места расположения здания;
рассмотреть на единой методической основе результаты экспериментальных, теоретических исследований и разработок процессов получения тепловой энергии с помощью агрегатов нетрадиционной энергетики и пассивных систем солнечного отопления;
разработать концепцию создания комбинированных систем энергообеспечения зданий с использованием возобновляемых источников энергии в условиях юга Западной Сибири.
На защиту выносятся:
- методика расчета инфильтрационных тепловых потерь здания на основе измерений зависимости воздухопроницаемости ограждающих конструкций от разности давлений внутреннего и наружного воздуха;
- методика учета вклада энергии, поступающей от пассивных систем солнечного отопления в тепловой баланс здания с использованием двух безразмерных критериев: «эффективной площади» и «эффективной тепловой нагрузки»;
- методика определения оптимальной ориентации поглощающих солнечную радиацию элементов с использованием круговых диаграмм, учитывающая влияние затенения от окружающих объектов;
- результаты экспериментальных исследований переноса тепла в системах с прозрачной тепловой изоляцией сотового типа, математическая модель, описывающая процессы поглощения и переноса тепла в закрытых системах пассивного солнечного отопления, конструкция устройства для эффективной утилизации солнечной энергии;
-результаты экспериментальных исследований процесса анаэробного сбраживания отходов крупного рогатого скота, математическая модель, описывающая временные зависимости выхода биогаза в метантенках с периодической загрузкой, методика расчета оптимальных параметров горелок для сжигания биогаза, расчеты энергетической и экономической эффективности системы анаэробной переработки отходов крупного животноводческого комплекса;
- полуэмпирическая формула, описывающая пространственно-временное распределение температуры верхних слоев грунта, позволяющая учитывать влияние как природных факторов, так и мощных источников тепла техногенного происхождения, математическая модель расчета процессов нагрева воздуха в грунтовых теплообменниках, встроенных в систему вентиляции здания;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов использования низкопотенциального тепла поверхностных слоев земли в системах отопления зданий с водяным накопителем на основе компрессорных тепловых насосов и грунтовых теплообменников закрытого типа;
- концепция создания комбинированной системы энергообеспечения энергоавтономного здания для природно-климатических условий юга Западной Сибири, методика сравнительных оценок, основанная на анализе суммарных затрат первичной энергии на создание и эксплуатацию зданий. Практическая ценность. Разработанная методика определения вентиляционных тепловых потерь через ограждающие конструкции позволяет определять направления работ при подготовке зданий к отопительному сезону, определять основные направления энергоэффективной реконструкции зданий, учитывающей индивидуальные особенности конкретного здания и фактического состояния воздухопроницаемости его ограждающих конструкций, организовать объективный инструментальный контроль качества проектных решений и строительно-монтажных работ при приемке новых зданий.
Комплексный подход к анализу факторов, определяющих тепловой баланс здания, позволяет оптимизировать архитектурно-планировочные и технические решения при строительстве и реконструкции зданий. Разработанное методическое и программное обеспечение расчетов компонентов основных энергетических потоков, проходящих через ограждающие конструкции здания, существенно облегчает проведение расчетов различных сочетаний параметров. Опыт разработки систем энергообеспечения экспериментального энергоавтономного здания может быть использован при разработке проектов низкоэнергетических зданий.
Предложенные круговые диаграммы, описывающие зависимость месячных и годовых сумм солнечной радиации, позволяют специалистам смежных специальностей (архитекторов, инженеров-строителей и др.) легко учитывать поток солнечной радиации на конструкции здания, специальные солнечные элементы и затенение от окружающих конструкций.
Приведенный анализ результатов испытаний нескольких типов солнечных коллекторов может стать основой для конструирования солнечных коллекторов.
Результаты, полученные при исследовании технологий термической и анаэробной газификации, сжигания генераторного газа и биогаза дают методическую основу для энергетического использования отходов деревообработки и животноводства.
Материалы изучения технического потенциала поверхностных слоев земли могут быть использованы при проектировании энергоэффективных систем отопления и вентиляции.
Личный вклад автора заключается:
- в разработке теоретических моделей и методик расчета параметров процессов использования возобновляемых источников энергии, технологий энергосбережения в зданиях;
- в постановке научных задач, разработке методик проведения экспериментов и испытаний;
- в разработке технологических схем, эскизных проектов опытно-промышленных установок, экспериментального энергоавтономного здания;
- в авторском надзоре за изготовлением и испытанием опытно-промышленных агрегатов нетрадиционной энергетики, проектированием и строительством экспериментального энергоавтономного здания;
- в руководстве сотрудников, выполнявших работы по данной теме;
- в проведении анализа эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в Алтайском крае, определении основных направлений энергосбережения.
Апробация работы. Материалы и результаты исследований по теме диссертационной работы были представлены:
- на международной конференции «Экономика и экология: антагонизм или сотрудничество» (Барнаул, 1994 г.);
- германо-российской конференции «Возобновляемые источники энергии и их роль в энергетической политике России и Германии» (Фрайбург, Германия, 1994 г.);
- четвертой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 1998 г.);
- постоянно действующем международном семинаре «Ресурсо- и энергосбережение» (Новосибирск, 1999 г.);
- пятой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 1999 г.);
- международном научно-практическом семинаре «Энергосбережение в системах теплоснабжения» (Барнаул, 2000 г.);
- международном научно-практическом семинаре «Энергосбережение: нормативно-правовая база, образование, информация и консультирование» (Барнаул, 2001 г.);
- Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности в Сибири» (Барнаул, 2003 г.);
- втором Всероссийском энергетическом форуме «ТЭК России в XXI веке» (Москва, 2004 г.).
Материалы обсуждались также на заседаниях научного Совета Миннауки России и РАН (Москва, 1995, 1996, 1998 и 1999 гг.), Координационного Совета по энергоресурсосбережению Межрегиональной ассоциации «Сибирское Соглашение» (Барнаул, 2001 г.), научного семинара Фраунгоферовского института солнечных энергетических систем (Германия, Фрайбург, 1998 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 35 научных работ, учебное пособие для студентов вузов, методическое пособие для населения, получен патент на изобретение, зарегистрирована программа для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 130 источников, в том числе 20 на иностранных языках, 14 приложений. Работа изложена на 241 страницах текста, содержит 71 иллюстрацию и 15 таблиц.
Эффективность пассивных систем солнечного отопления
Основной интегральной характеристикой пассивных систем является коэффициент замещения нагрузки F (доля солнечной энергии в покрытии отопительной нагрузки за отопительный сезон) [24-26]. Этот параметр определяет значимость пассивной составляющей отопительной системы для потребителя. Его величина зависит от двух групп факторов [22, 28]: - количества полезно используемой энергии солнечного излучения; - уровня теплопотребления, необходимого для создания комфортных условий. Каждый из этих факторов определяется соответствующими климатическими характеристиками места расположения объекта, техническими параметрами пассивной системы отопления и уровнем тепловой защиты здания. Энергия, необходимая для отопления здания Q0 (МДж), имеющего пассивные системы отопления, можно представить в следующем виде: где Qh — общие теплопотери здания через наружные ограждающие конструкции, МДж, rjFI — коэффициент полезного использования свободной тепловой энергии (методика оценки см. - раздел 1.6.2), величина тепловой энергии, поставляемая пассивными элементами, в соответствии с (1) может быть представлена в следующем виде: Здесь суммирование производится по всем пассивным элементам. Для открытых систем rj si = 1, для закрытых - рассчитывается по формуле (3). Si =ТІ І - коэффициент, учитывающий затенение светового проема непрозрачными конструкциями и пропускание солнечной радиации прозрачными частями (оптический КПД системы). А{ - площадь поверхности і-го элемента, м ; lt - солнечная энергооблученность і-го элемента с учетом его ориентации в пространстве.
С другой стороны, энергию, необходимую для отопления здания, можно представить в следующем виде [29, 30]: где qh - удельный расход тепловой энергии на отопление здания, кДж/(м Ссут); Ah - отапливаемая площадь здания, м ; Dh — «градусосутки отопительного периода» - показатель, представляющий собой температурно-временную характеристику района строительства здания, Ссут. После элементарных алгебраических преобразований из формул (28)-(30) получается верхняя оценка для коэффициента замещения нагрузки: «эффективная площадь» - безразмерный критерий, аналог которого использовался в работе [31]. В отличие от аналога Aef зависит не только от конструкции пассивной системы солнечного отопления, но и геометрических характеристик всего здания и его ориентации в поле солнечной радиации. комплексный климатический показатель, учитывающий температурно-временную характеристику и интенсивность солнечной инсоляции за отопительный период, кДж/(м С сут.); А ит - общая площадь наружных ограждающих конструкций, включая покрытие (перекрытие) верхнего этажа и перекрытие пола нижнего отапливаемого помещения, м2; Vh - отапливаемый объем здания, равный объему, ограниченному внутренними поверхностями наружных ограждений здания, м3; Н - внутренняя высота здания, измеряемая от поверхности пола первого этажа до поверхности потолка последнего этажа, м; п - количество отапливаемых этажей здания; lhm - средняя за отопительный период величина солнечной радиации на горизонтальную поверхность при действительных условиях облачности, МДж/м .
График, представленный на рис. 10, показывает, что существенное замещение сторонних источников тепловой энергии пассивным солнечным отоплением возможно лишь в тех зданиях, в которых наряду с устройством специальных элементов, способствующих эффективному поглощению солнечной радиации, выполнены мероприятия по энергосбережению (т.е. значительно снижен показатель - qh). Этот результат иллюстрирует общую закономерность: здания, использующие солнечную энергию, должны иметь минимальные тепловые потери в окружающую среду. Повышение эффективности системы энергообеспечения какого-либо объекта может быть осуществлено за счет комплекса мероприятий, учитывающих все факторы, оказывающие значимое влияние на энергопотребление. Необходимо отметить, что эффективность использования энергии заключается в уменьшении количества потребления энергии без снижения комфорта. Эффективность также связана с миниминизацией энергопотребления приборами нагрева воды, освещения и электрооборудованием, наилучшим использованием поступающего от внешних и внутренних источников тепла. На эффективность использования энергии оказывает существенное влияние форма здания, его функциональное назначение. Важными факторами являются контроль и управление климатом внутри помещений. Отопление зданий служат для создания тепловых условий, которые соответствуют хорошему самочувствию находящихся в нем людей. Термическая комфортность - основная характеристика, которая определяет потребность в нагревании или охлаждении внутреннего воздуха [32]. Теплообмен между телом человека и окружающей его средой в состоянии равновесия происходит по схеме, приведенной на рис. 11.
Исследование солнечных водонагревательных установок
В настоящее время из активных систем утилизации солнечной энергии для отопления и горячего водоснабжения наиболее технически и экономически подготовленными являются системы на основе солнечных коллекторов. Малые капитальные вложения и минимум эксплуатационных расходов выгодно отличают этот метод получения низкопотенциальной энергии. Анализ литературы показывает, что солнечные коллекторы являются самым универсальным и одним из наиболее перспективных устройств использования возобновляемых источников энергии для районов с достаточной солнечной инсоляцией [66-69]. Юг Западной Сибири относится к таким районам. Растущая стоимость первичных энергоносителей повышает интерес к возобновляемым источникам энергии, и солнечные коллекторы, как дешевые и простые устройства весьма привлекательны и в первую очередь для индивидуальных потребителей. Солнечный коллектор представляет собой теплообменное устройство, использующее энергию излучения Солнца для увеличения внутренней энергии и температуры теплоносителя [70]. Конструктивно солнечные коллекторы отличаются значительным разнообразием как формы (плоские, параболические), так и технологических параметров (с прозрачным одинарным и двойным покрытием, селективные, вакуумированные и т. д.), а также использованием естественной или принудительной циркуляции теплоносителя [70-72]. Основным показателем эффективности солнечного коллектора является его к.п.д.. Наибольшее влияние на к.п.д. оказывают: метеорологические факторы - интенсивность солнечной радиации и температура наружного воздуха; конструктивные характеристики-поглощающая способность абсорбера, пропускная способность прозрачного покрытия, теплоизоляционные свойства материалов и конструкции; монтажно-технологические параметры - ориентация, температура теплоносителя на входе в коллектор, расход теплоносителя. При расчете тепловой мощности, отводимой от коллектора, необходимо учитывать потери тепла, зависящие от температуры окружающего воздуха, теплоносителя и конструкции солнечного коллектора. Методика сводится к следующему.
Сначала вычисляется результирующая (складывающаяся из потока прямой солнечной радиации, солнечной радиации, рассеянной в атмосфере, и солнечной радиации, отраженной от земной поверхности) энергетическая освещенность Es наклонной поверхности. Затем задаются (или вычисляются по соответствующему алгоритму) температуры наружного воздуха Тнаруж и входящего в коллектор теплоносителя Твх и вычисляется КПД по формуле [70, 71]: где FRxa — произведение оптического КПД и коэффициента эффективности поглощающей панели коллектора; FR-U- произведение общего коэффициента теплопотерь коллектора и коэффициента эффективности поглощающей панели. После чего по соотношению QK=rjEs рассчитывается тепловая мощность QK солнечного коллектора. Для сравнения эффективности солнечных коллекторов разных типов (с различными FRTGC и U) нами были проведены расчеты их тепловой производительности для каждого месяца года при различных наклонах коллектора с учетом суточного изменения температуры, но без учета потерь тепла в подводящих трубопроводах. Для отопления и горячего водоснабжения возможно использование, например, сравнительно дешевых коллекторов для теплого времени года, имеющих однослойное остекление, и более дорогих вакуумированных коллекторов для холодного времени года.
На рис. 28 приведены рассчитанные нами суточные теплопроизводительности весьма различающихся по конструктивным характеристикам типов коллекторов при температуре теплоносителя на входе в коллектор 50 С. Как следует из рис. 28, для использования коллектора в период с марта по октябрь лучший результат дает угол наклона 45. Наиболее простой и дешевый плоский коллектор с однослойным покрытием будет неработоспособен с ноября по январь включительно, поэтому для круглогодичной эксплуатации коллектора необходимо применять более сложные конструкции. Изменение угла наклона вакуумированного коллектора до 75 значительно повышает к.п.д. в период с ноября по февраль. Некоторый выигрыш могут дать следящие системы (рис. 28,в)- к.п.д. повышается в среднем в 1,5 раза. Однако эти системы наиболее сложны в эксплуатации и скорее всего не найдут широкого применение в ближайшее время. Повысить к.п.д. солнечного коллектора можно и путем снижения в нем теплопотерь, подавая на вход теплоноситель при меньшей температуре.
Исследование процессов анаэробного сбраживания отходов животноводства
Использование энергии солнечного излучения, запасенного в биомассе в результате фотосинтеза, возможно путем получения из влажной биомассы газообразного топлива с использованием технологии метанового брожения. Метановое брожение, или биометаногенез, широко распространено в природе (разложение органических веществ в болотах, почве, у животных в рубце и т.д.). Этот процесс был открыт в 1776 г. Вольтой. В отсутствии кислорода некоторые микроорганизмы способны получать энергию, непосредственно перерабатывая углеродосодержащие вещества, производя при этом метан и углекислый газ. Этот процесс является ферментационным, и его принято называть сбраживанием [68] по аналогии с процессами, идущими в пищеварительном тракте жвачных животных. Получаемая смесь метана и углекислого газа называется биогазом. К органическим отходам сельскохозяйственного производства относятся экскременты животных, солома, свекольная и картофельная ботва и другие растительные остатки. Благодаря относительно высокой теплоте сгорания (14+19 МДж на 1 кг сухого вещества) эти материалы обладают высоким энергетическим потенциалом, который может быть использован путем получения из них биогаза. Если исходный материал находится в жидком состоянии, то анаэробный способ сбраживания энергетически наиболее эффективен, так как не требует сушки исходного сырья, связанной с большими энергозатратами для испарения воды. Кроме того, технология анаэробного сбраживания позволяет получать жидкий биошлам, который может использоваться как ценное органическое удобрение. Во время анаэробного сбраживания уменьшается только содержание углерода и, следовательно, отношение C/N. Фосфор, калий, как и азот, полностью переходят в биошлам.
Удобряющее действие биошлама на 15% выше удобряющего действия необработанного жидкого навоза [94]. Метод анаэробного сбраживания наиболее приемлем для переработки животноводческих отходов с точки зрения гигиены и охраны окружающей среды, так как обеспечивает наибольшее обеззараживание остатка и устранение патогенных микроорганизмов. Жидкая фаза навоза после анаэробной переработки обычно отвечает требованиям, предъявляемым к качеству сточных вод органами охраны природы. Отработанная жидкая органическая масса поступает через выгрузочную камеру в резервуар сброженной массы, а оттуда перекачивается в цистерны, с помощью которых вносят на поля обычную навозную массу. Количество биогаза, которое может быть получено при анаэробном сбраживании отходов животноводства в Алтайском крае (до 44% уходит на собственные нужды - обогрев метантенков) - 2.5 млрд нм3, что эквивалентно 2 млн т.у.т. Этот валовый потенциал может быть реализован с помощью биогазовых установок различного типа. В частности, и индивидуальных биогазовых установок, подобных тем, которые использовались нами при исследовании технологии. Одна такая установка сможет обеспечить семью из 4-5 человек биогазом для бытовых нужд. Кроме того, эта установка позволяет перерабатывать появляющиеся в хозяйстве органические отходы, получать высококачественные удобрения. Деградация органических веществ при метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором углерод-углеродные связи постепенно разрушаются под действием различных групп микроорганизмов. Согласно современным воззрениям анаэробное превращение практически любого сложного органического вещества в биогаз проходит четыре последовательных стадии [95, 96]: - стадия гидролиза (расщепления) сложных биополимерных молекул (белков, липидов, полисахаридов и др.) на более простые олиго- и мономеры: аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.; - стадия ферментации (брожения) образовавшихся мономеров до еще более простых веществ - низших кислот и спиртов, при этом образуются углекислота и водород; - ацетогенная стадия, на которой образуются непосредственные предшественники метана: ацетат, водород, углекислота; - метаногенная стадия, которая ведет к конечному продукту расщепления сложных органических веществ — метану.
Весь этот сложный комплекс превращений осуществляет большое количество микроорганизмов - до нескольких сотен видов [95]. Количественный и качественный состав микрофлоры зависит от состава сбраживаемых органических веществ и условий окружающей среды. Экспериментальные исследования и испытания технологии анаэробного сбраживания производились на специальном стенде, состоящем из двух индивидуальных биогазовых установок (разработчик - «НИЦ Биомасса» АО «ЭКОН»), газгольдера (рис. 46) и устройства для сжигания биогаза (УГП-1, плита газовая бытовая). Фотография биогазовой установки - в Приложении 9. Биореактор (рис. 47) 1 - цилиндрическая емкость из углеродистой стали объемом 1.5 м - вмонтирован в тепловую рубашку 2, выполненную также из углеродистой стали. Тепловая рубашка (теплоноситель - вода, тосол,
Система теплоснабжения
Одной из главных задач данного проекта была разработка эффективной системы отопления. Система отопления ЭАЗ (рис. 57) спроектирована так, чтобы когда температура воды в баке-накопителе нагревалась выше 55 С, система работала по контуру: «бак-накопитель» - «теплый пол» - «бак-накопитель». Если же температура воды в основном баке накопителе ниже температуры 55 С, включается другой контур системы отопления: «бак-накопитель» - «тепловой насос» - «бак горячей воды» - «теплый пол» - «бак горячей воды». Но может возникнуть ситуация, когда температура в «баке горячей воды» достаточна для отопления (55 С), тогда включение теплового насоса необязательно и система должна работать по контуру: «бак горячей воды» - «теплый пол» - «бак горячей воды». Для реализации данного свойства системы были выбраны соленоидные клапаны нормально открытые (НО) и нормально закрытые (НЗ), термостаты типа КР и контактор (подробно описаны в следующем разделе). Работа системы (рис. 57, фотография аналога - в Приложении 12). Когда температура воды в баке-накопителе выше 55 С, контакт термостата КР разомкнут и на клапанах НО, НЗі и НЗ2 нет сигнала (система работает по контуру: «бак-накопитель» - «теплый пол» - «бак-накопитель»). Если температура воды в основном баке накопителе ниже температуры 55 С, контакты термостата КР 79 замыкаются и подается сигнал на закрытие нормально открытых и открытие нормально закрытых клапанов НЗі и НЗг (включается другой контур системы отопления: «бак горячей воды» - «теплый пол» - «бак горячей воды»). Если температура воды в баке горячей воды ниже температуры 55 С, то замыкаются контакты термостата КР 61 и подается сигнал на включение тепловых насосов, циркуляционных насосов HI, Н2, НЗ и на открытие нормально закрытых клапанов НЗз и НЗ4. Необходимым условием для запуска ветви тепловых насосов является присутствие сигнала на независимом расцепителе контактора (включается контур системы отопления: «бак-накопитель» - «тепловой насос» - «бак горячей воды» - «теплый пол» - «бак горячей воды»).
При нагревании воды в баке-накопителе до 55 С контакты термостата КР 79 размыкаются, открываются нормально открытые НО и закрываются нормально закрытые НЗі и НЗг (сигнал на клапанах отсутствует). При этом исчезает сигнал на независимом расцепителе контактора, а это ведет за собой отключение тепловых насосов, циркуляционных насосов НІ, Н2, НЗ и закрытие нормально закрытых клапанов НЗз и НЗ4. Система возвращается в первоначальное состояние и работает по контуру «бак-накопитель» - «теплый пол» - «бак-накопитель» до следующего падения температуры в баке-накопителе. Описание схемы (рис. 57): 1 - Вентиляторы; 2 - Грунтовый теплообменник; 3 - Теплообменник-рекуператор; 4 - Теплообменник «вода-воздух»; 5 - Бак «холодной воды»; 6 - Тепловой насос; 7 - Бак «горячей воды»; 8 - Трехходовые клапаны; 9 - Бак-накопитель; 10 - Циркуляционные насосы; 11 - Датчики температуры; 12 - Фильтры; 13 - Циркуляционные насосы с регулируемым приводом; 14 - Приводы вентилей; 15 - Электронный регулятор; Потребность в электроэнергии для ЭАЗ удовлетворятся двумя агрегатами возобновляемой энергии — это фотоэлектрическая станция и ветроэлектрическая установка. Пиковые нагрузки в наиболее энергоемкие месяцы покрываются за счет мотор-генератора, работающего на органическом топливе. Он же компенсирует дефицит электроэнергии, связанный с режимами ветрового и солнечного генерирования и выполняет функции аварийного источника электроснабжения.
Баланс энергии ЭАЗ выражается следующим соотношением: где Эг = Эс + Эв - суммарная величина энергии, вырабатываемой за год соответственно солнечной и ветровой установками; Эр - величина энергии, резервируемой за год энергии в аккумулирующем устройстве; Эп - величина энергии, потребляемой за год ЭАЗ. Выбор установленной мощности мотор-генератора Установленную мощность мотор-генератора следует выбирать из условия обеспечения максимума нагрузки, значение которой определено в расчетном суточном графике: где Руст- номинальная мощность электрогенератора; Кз= 1,1-1,2 - коэффициент запаса; Рмакс= 6,53 кВт - максимум суточного графика нагрузок ЭАЗ (рис. 59). установленную электрическую мощность выбираем 8 кВт. Выбор фотоэлектрической установки Фотоэлектрические установки являются преобразователями солнечной радиации прямого действия. Относительно высокие капитальные вложения на основании этого вида возобновляемого источника энергии компенсируются достаточно низкими эксплуатационными издержками.
Проектирование фотоэлектрических систем начинается с выбора типа фотоэлементов и расчета их суммарной площади. Для расчета площади поверхности фотоэлектрической системы (ФЭС) за исходные данные принимаются удельная интенсивность солнечной радиации, коэффициент преобразования выбранного типафотоэлемента, а также требуемый объем генерируемой энергии. Формула для расчета общей площади светопоглащающей поверхности ФЭС будет иметь следующий вид:
