Низкопотенциальное тепло Земли

В коре Земли сконцентрировано большое количество энергии, плотность которой для подавляющей территории России очень мала и составляет до доли ватта на квадратный метр. Использовать такое низкопотенциальное тепло можно лишь в сочетании с термотрансформатором или тепловым насосом. Устройство и принцип работы теплонасосной установки изучаются в курсе теплотехники. Здесь мы вспомним, что в основном в системах теплоснабжения находят применение теплонасосные установки (ТНУ) парокомпрессионного типа. Они наиболее освоены и надежны в эксплуатации, выполняются на базе серийно выпускаемого отечественной промышленностью холодильного оборудования. Рабочим агентом служат жидкости, испаряющиеся при низкой температуре, в частности фреоны.

Тепловой насос характеризуется следующими параметрами: тепловой мощностью Q_КОН (тепловой энергией, выделяющейся при конденсации пара рабочего вещества в конденсаторе в единицу времени); холодильной мощностью Q_ИСП (тепловой энергией, передаваемой рабочему веществу при его испарении в испарителе в единицу времени); мощностью Р_КОМ, затрачиваемой на перекачивание рабочего вещества, и коэффициентом преобразования энергии _ТНУ.

Энергетическая эффективность теплового насоса оценивается коэффициентом преобразования, который есть отношение полученной тепловой мощности в конденсаторе в единицу времени и затраченной мощности Р_КОМ на привод компрессора:

.

(5.1)

Коэффициент преобразования больше единицы, он тем выше, чем меньше величина дополнительной энергии, затраченной в компрессоре. Обычно он равен 2...4, т.е. на 1 кВт·ч затрачиваемой на привод энергии может быть получено 2...4 кВт·ч за счет использования низкопотенциального источника энергии.

Разработаны и проходят испытания системы отопления жилых коттеджей, основанной на применении низкопотенциального тепла Земли. Дома двухуровневые, трехкомнатные, общей площадью 80 м². Схема теплоснабжения приведена на рис.5.1.

Непосредственно перед домом на глубине 0,8...0,9 м на расстоянии 1 м друг от друга проложено 400 м² пластмассовых труб диаметром 40 мм с толщиной стенок 3 мм. После укладки труб верхний слой земли был восстановлен, и на участке выращиваются овощи и картофель. В трубы заправляется около 100 л антифриза и 300 л воды. Температура замерзания смеси около -20^oС. Насос 1 мощностью 0,5 кВт служит для принудительного движения антифриза через испаритель 2. В зимнее время температура смеси воды и антифриза составляла в среднем 0...-2^oС.

В испарителе за счет теплоты смеси происходит испарение фреона. При этом часть энергии у смеси забирается, снижая ее температу-ру до -2...-4^oС. Далее она, проходя под действием насоса 1 по трубопроводу, вновь нагревается за счет низкопотенциального тепла земли до 0...-2^oС. Компрессор 3 мощностью 3 кВт создает в конденсаторе 4 избыточное давление, фреон конденсируется и отдает избыточное тепло водяному баку-аккумулятору. Развиваемая тепловая мощность составляет 10,5 кВт. Этого достаточно, чтобы вода в баке-аккумуляторе нагревалась до 40...50^oС. На случай выхода ТНУ из строя или невозможности обеспечить тепловой режим установка имеет два ТЭНа 6 общей мощностью 2 кВт. Были зимы, когда ТЭНы в работу не включались ни разу. Отдав теплоту, фреон дросселируется в редукционном клапане 7 и вновь попадает в испаритель 2. Горячая вода из бака-аккумулятора 5 под действием насоса 8 мощностью 0,1 кВт поступает в радиаторы отопления.

Рис.5.1. Схема теплоснабжения жилого дома:

1 – насос для перекачки антифриза; 2 – испаритель ТНУ; 3 – компрессор ТНУ;
4 – конденсатор ТНУ; 5 – бак-аккумулятор; 6 – ТЭНы; 7 – дроссель ТНУ;
8 – насос для подачи горячей воды в систему отопления

Для отопления жилого дома использована теплонаносная установка финского производства, с высокой степенью автоматизации. Режим работы всех трех двигателей, а также резервных ТЭНов зависит от температуры окружающего воздуха, температуры воды в баке и температуры воздуха в помещении.

Стоимость всей системы отопления в ценах 1984 года составила 7,5 тыс. рублей. При существовавших в то время ценах на электроэнергию (1 коп/кВт·ч) и таких же низких ценах на тепловую энергию конкурентная способность установки была очень низка. В настоящее время она окупается в приемлемые сроки (даже если не принимать во внимание дефицит органического топлива).

Особо повышается эффективность применения систем отопления с ТНУ при использовании остаточной теплоты какого-либо процесса. Это может быть сбросная теплота ферм, промышленных предприятий и т.п. Для сохранения теплового баланса участка земли, с которого снимается теплота, целесообразно использовать «подзарядку», например, солнечными коллекторами. А если при этом энергию еще аккумулировать, то эффективность использования ТНУ можно повысить весьма существенно.

До настоящего времени промышленность не выпускает машин, специально предназначенных для использования в качестве ТНУ. Однако некоторые холодильные установки, способные выдерживать высокое давление конденсации, применять для этих целей можно. Например, агрегат АК-ФУ-12.С, состоящий из фреонового V-образного бессальникового компрессора ФУ-12.С со встроенным в картер электродвигателем с частотой вращения вала 1440 мин^-1 и конденсатора с отводом теплоты потоками воздуха, создаваемыми вентиляторами. Применяют также агрегаты АК-ФУУ-25 с горизонтальным кожухообразным конденсатором с водяным отводом теплоты. Основные показатели этих агрегатов приведены в табл.5.1.

Таблица 5.1

Основные показатели тепловых насосов с агрегатами АК-ФУ-12.С и АК-ФУУ-25

Заключение

Энергия является ключевым фактором для будущего развития мира. Потребности в энергии в мире быстро растут, особенно в развивающихся странах, которые стремятся достигнуть экономического развития индустриальных стран.

Совершенно ясно, что достижение во всем мире такого же среднего уровня энергопотребления, как в промышленно развитых странах (а этот уровень значительно ниже, чем в США), полностью исключено. Это означало бы необходимость роста производства энергии в период 2000-2050 гг. более чем в 8 раз. Очевидно, что подобный рост за счет использования ископаемых топлив невозможен (к тому же это сопровождается негативными экологическими последствиями).

Стратегия развития мировой энергетики на ближайшие 50 лет предполагает, что уже в 2020 г. более 20% электроэнергии будет вырабатываться от ВИЭ, а в 2040 г. – уже 50%. При этом к концу XXI века доля ВИЭ составит более 85%. Перед странами стоит очень сложная задача – для замены АЭС и устаревших электростанций и увеличения потребления электроэнергии необходимо уже в 2020 г. иметь не менее 300 000 МВт (э) новых установленных энергетических мощностей.

Конечно, важнейшим моментом является строительство ТЭС с газопаровым циклом с КПД до 55-60%. Однако, даже увеличивая эффективность старых ТЭС на 30-50% (относительных) за счет новых ТЭС, рост цен на электроэнергию в Европе неизбежен, в связи с предстоящим истощением ресурсов газа, нефти и, как следствие, резким ростом цен на них.

Россия благодаря своим большим запасам углеводородного топлива, леса, развитой энергетики, включая АЭС, и обширной территории, занимает особое положение в мире и может полностью обеспечить себя. Однако в новых условиях открытого рынка наша страна также должна активно развивать ВИЭ.

В России, где имеющиеся ресурсы ВИЭ, используются только на 0,5%, мы находимся только в начале пути и нам необходимо осознание важности развития этой отрасли энергетики.

Успешное развитие отечественной энергетики невозможно без принятия законов по ВИЭ, включения инвестиционной и научной составляющих в себестоимость производства электроэнергии и тепла, широкого привлечения кредитных займов и использования лучших отечественных и мировых достижений в области энергетики.