СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ Российский патент 2017 года по МПК F24D5/00 F24F5/00 F24J2/00 F24J3/08 

Изобретение относится к способам совместного использования солнечной энергии для системы горячего водоснабжения, солнечной и петротермальной энергии с помощью абсорбционного теплового насоса и инверторного парокомпрессорного теплового насоса для систем кондиционирования воздуха в теплый период и отопления в холодный период.

Известен способ использования солнечной и геотермальной энергии с помощью теплового насоса для систем теплоснабжения [Сотникова К.Н. Комбинированные системы теплоснабжения, сочетающие традиционные и возобновляемые источники энергии. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Воронеж, 2009. - 200 с.].

Недостатком известного способа является то, что не предусмотрено аккумулирование тепловой энергии, связанное с суточной, годовой и погодной неравномерностью поступления солнечной энергии и ее потребления системами энергоснабжения зданий.

Известен также способ кондиционирования воздуха помещений [Плешка М.С. Система кондиционирования микроклимата здания с использованием солнечной энергии. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. - М., 2005. - 288 с.].

Недостатком известного способа является то, что также не предусмотрено аккумулирование тепловой энергии, связанное с суточной, годовой и погодной неравномерностью поступления солнечной энергии и ее потребления системами энергоснабжения зданий.

Известен также способ аккумулирования для систем теплоснабжения [Бежан А.В. О выборе теплоаккумулирующего материала для теплового аккумулятора, используемого в системе теплоснабжения. / Промышленная энергетика, №5, 2008].

Недостатком известного способа является то, что аккумулирование производится материалами с низкими аккумулирующими свойствами и это приводит к большим размерам теплоаккумуляторов и высоким капитальным затратам.

Известен также способ гидравлического разрыва пласта [Усачев П.М. Гидравлический разрыв пласта. М.: Недра, 1986. - 165 с.].

Однако в настоящее время гидравлический разрыв пласта осуществляется для увеличения нефтеотдачи нефтеносного пласта (газоотдачи газоносного пласта), а не для теплоаккумулирования.

Наиболее близким к предложенному способу является способ альтернативного теплоснабжения удаленного потребителя, включающий в себя систему солнечных коллекторов и тепловой аккумулятор, предназначенных для отопления и горячего водоснабжения потребителя [Тимакова О.В. Автономная система солнечного отопления и горячего водоснабжения с использованием аккумулирования на основе веществ с фазовым переходом. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.14.04. Москва, 2006. - 126 с.].

Недостатками известного способа являются:

- недоиспользование теплового потенциала солнечного коллектора в летнее время;

- экономически нецелесообразное аккумулирование больших количеств теплоты, т.к. в качестве аккумулятора тепла используется емкость, содержащая вещества с температурой фазового перехода 20-43°C.

Техническим результатом заявляемого способа является реализация совокупности известных способов, при которых достигается новый эффект - высокая аккумулирующая способность системы и круглогодичное использование солнечной и петротермальной энергии: для системы горячего водоснабжения; для системы кондиционирования воздуха с помощью абсорбционного и инверторного парокомпрессорного тепловых насосов в теплый период; для системы отопления с помощью инверторного парокомпрессорного теплового насоса в холодный период; увеличение на 30-50% выработки электроэнергии за счет отвода тепла от коллектора.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в скважине глубиной до 100 м на глубине ниже 15-20 м (нейтральный слой грунтов, которого не достигают годовые колебания температуры) методом гидравлического разрыва пласта создают трещины, в которые закачивают вещество с температурой фазового перехода 20-43°C и таким образом создают аккумулятор тепла. В теплый период тепловую энергию, вырабатываемую гибридным солнечным коллектором, используют для нагрева водопроводной воды для системы горячего водоснабжения в бивалентном водонагревателе и в абсорбционном тепловом насосе для выработки холода для системы кондиционирования воздуха помещений, а электрическую энергию, вырабатываемую гибридным солнечным коллектором, используют инверторным парокомпрессорным тепловым насосом для выработки холода для системы кондиционирования воздуха помещений (при этом выработка электроэнергии за счет отвода тепла от гибридного солнечного коллектора увеличивается на 30-50%). Избыточная электрическая энергия может быть использована ночью для «дежурного» освещения. Теплоту кондиционирования воздуха из помещения с помощью инверторного парокомпрессорного теплового насоса одновременно закачивают в аккумулятор тепла (в пласт с веществом с температурой фазового перехода 20-43°C). В холодный период тепловую энергию, вырабатываемую гибридным солнечным коллектором, используют для нагрева воды для системы горячего водоснабжения в бивалентном водонагревателе, а электрическую энергию, вырабатываемую гибридным солнечным коллектором, используют инверторным парокомпрессорным тепловым насосом для подачи тепла из аккумулятора тепла и пласта (петротермальная энергия) для системы отопления и для «пикового» догрева водопроводной воды для системы горячего водоснабжения в бивалентном водонагревателе.

Конкурентоспособность предложенного способа определяется целым рядом технических, экономических и социально-экологических факторов.

Технические факторы. Отличительной особенностью предлагаемого способа на основе гибридного солнечного коллектора является:

а) применение абсорбционного теплового насоса (АБТН), с помощью которого обеспечивают использование получаемой от солнечного коллектора тепловой энергии для кондиционирования помещений в теплый период;

б) применение инверторного парокомпрессорного теплового насоса (ПКТН), с помощью которого обеспечивают использование получаемой от гибридного солнечного коллектора электрической энергии для кондиционирования помещений в теплый период и отопления помещений за счет использования петротермальной энергии, в том числе и аккумулированной пластом в теплый период в созданных гидравлическим разрывом трещинах, содержащих вещества с температурой фазового перехода 20-43°C, в холодный период.

Экономические факторы определяются единовременными капитальными затратами и снижением эксплуатационных затрат, за счет которых окупаемость капитальных затрат не более 15 лет.

Социально-экологические факторы характеризуются возможностью обеспечения более дешевой электрической и тепловой энергией удаленных от традиционных энергоносителей районов, а также снижением уровня загрязнения атмосферы.

На фиг. 1 показана принципиальная схема энергетической установки для осуществления способа комбинированного использования альтернативных источников энергии. Схема включает в себя следующие элементы: 1 - гибридный солнечный коллектор; 2 - преобразователь электрической энергии; 3 - инверторный парокомпрессорный тепловой насос; 4 - теплосъемные трубы инверторного парокомпрессорного теплового насоса 3; 5 - петротермальная скважина; 6 - вещество с температурой фазового перехода 20-43°C; 7 - трещины, созданные с помощью гидроразрыва пласта, заполненные веществом с температурой фазового перехода 20-43°C; 8 - аккумулятор тепла; 9 - электрический аккумулятор; 10 - помещение (потребитель тепла для систем отопления и горячего водоснабжения; потребитель холода для системы кондиционирования воздуха); 11 - абсорбционный тепловой насос; 12 - бивалентный водонагреватель; 13 - водопроводная вода; 14 - горячая вода в систему горячего водоснабжения; 15 - «дежурное» освещение. А также показаны потоки: электрической энергии; тепло-хладоносителя; водопроводной воды.

Способ осуществляется следующим образом.

В петротермальной скважине 5 глубиной до 100 м на глубине ниже 15-20 м методом гидравлического разрыва пласта создают трещины 7, в которые закачивают вещество 6 с температурой фазового перехода 20-43°C (например, мирабилит (глауберова соль): температура плавления 20-32°C, теплота плавления (фазового перехода) 251 кДж/кг) или парафин: температура плавления 43°C, теплота плавления (фазового перехода) 209 кДж/кг) и таким образом создают аккумулятор тепла 8.

В теплый период электрическая энергия, вырабатываемая гибридным солнечным коллектором 1, поступает в преобразователь электрической энергии 2, откуда поступает на инверторный парокомпрессионный тепловой насос 3, а при избыточно вырабатываемой электрической энергии - в электрический аккумулятор 9. Избыточно вырабатываемая электрическая энергия, аккумулируемая в электрическом аккумуляторе 9, может затем использоваться в ночное время для «дежурного» освещения 15. Кроме того, электрическая энергия используется для «пикового» догрева водопроводной воды 13 в системе горячего водоснабжения в бивалентном водонагревателе 12 при недостаточной тепловой мощности гибридного солнечного коллектора 1. Инверторный парокомпрессорный тепловой насос 3 используют для системы кондиционирования воздуха помещения 10 посредством теплохладоносителя парокомпрессионного теплового насоса 3. При этом теплоту кондиционирования воздуха помещения 10 с конденсатора инверторного парокомпрессорного теплового насоса 3 посредством теплохладоносителя, одновременно закачивают в аккумулятор тепла 8 (включая пласт петротермальной скважины) с веществом 6 с температурой фазового перехода 20-43°C. Теплохладоноситель инверторного парокомпрессорного теплового насоса 3 подается в петротермальную скважину 5 с веществом 6 посредством теплосъемных труб 4 инверторного парокомпрессорного теплового насоса 3 и обменивается теплотой с аккумулятором тепла 8. В холодный период электрическую энергию, вырабатываемую гибридным солнечным коллектором 1, используют инверторным парокомпрессорным тепловым насосом 3 посредством теплохладоносителя теплосъемных труб 4 инверторного парокомпрессорного теплового насоса для подачи тепла из аккумулятора тепла 8 и пласта (петротермальная энергия) в систему отопления помещения 10.

Теплоту гибридного солнечного коллектора 1 посредством теплоносителя контура гибридного солнечного коллектора используют в бивалентном водонагревателе 12 для нагрева водопроводной воды 13 в системе горячего водоснабжения в теплый и холодный периоды и также в абсорбционном тепловом насосе 11 для выработки холода в системе кондиционирования воздуха помещения 10 в теплый период посредством хладоносителя абсорбционного теплового насоса 11. Теплоноситель, отдавший свое тепло в бивалентном водонагревателе 12 и абсорбционном тепловом насосе 11, возвращается на нагрев в гибридный солнечный коллектор 1.

Предполагаемая область применения способа комбинированного использования альтернативных источников энергии для отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения на основе гибридного солнечного коллектора, бивалентного водонагревателя, абсорбционного и инверторного парокомпрессорного тепловых насосов и петротермальной скважины: для зданий с переменным тепловым режимом, т.е. с тепловым режимом, поддерживаемым не круглосуточно, а только в рабочее время (рыночные и торговые комплексы; санаторно-курортные комплексы; административные здания). В нерабочее время температура в помещениях такого назначения может поддерживаться на более низком уровне в холодный период и на более высоком - в теплый период в зависимости от температуры, установленной нормативными документами (строительными нормами и правилами).

Избыточно вырабатываемая гибридным солнечным коллектором электрическая энергия накапливается в электрическом аккумуляторе и может быть использована ночью для «дежурного» освещения.

Технико-экономическая оценка эффективности использования предлагаемого способа от снижения расхода топлива определена в качестве примера для г. Ставрополя (географическая широта местности 45°) при использовании предлагаемого способа по методике [Внутренние санитарно-технические устройства. / Под ред. И.Г. Староверова и Ю.И. Шиллера. В 3-х частях. Часть 1. Отопление. М.: Стройиздат. 1990].

Рекомендуемый угол наклона коллектора

β=ϕ-10=35°,

где ϕ - географическая широта местности.

Оптимальная ориентация - Ю, т.е. γ=0, где γ - азимут поверхности коллектора.

Среднемесячное суточное поступление суммарной солнечной энергии, МДж/(м² день):

E=R_срE_ср,

R_ср=(1-E_д/E_cp)R_n+0.5(1+cosβ)E_д/Е_ср+0.5β(1-cosβ),

q_ср=E/(24*3.6),

где E_ср - среднемесячное суточное поступление суммарной солнечной радиации, МДж/(м² день), на горизонтальную поверхность;

E_д - среднемесячное суточное поступление суммарной диффузной солнечной радиации, МДж/(м² день), на горизонтальную поверхность;

R_cp - отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации, поступающих на наклонную и горизонтальную поверхности;

R_n - коэффициент пересчета прямого излучения с горизонтальной на наклонную поверхность;

q_ср - удельная среднемесячная теплопроизводительность коллектора, кВт/м².

Результаты расчетов показателей даны в таблице.

Технические характеристики эффективности предлагаемого способа, в качестве примера, определены для гибридного солнечного коллектора площадью 100 м².

Максимальную мощность при температуре наружного воздуха 20°C можно принять q_max=550 Вт/м². Технические характеристики модуля площадью 100 м², используемого по предлагаемому способу: максимальная тепловая мощность - 55 кВт; максимальная электрическая мощность - 15 кВт; среднесуточная тепловая мощность летняя (май-сентябрь) - 28,7 кВт; среднесуточная тепловая мощность зимняя (октябрь-апрель) - 5,2 кВт.

Годовой теплосъем Q=ΣEn=5536 МДж/(м² год), где n - количество дней в месяце года. Экономия топлива составит 189 кг у.т./(м² год). Выработка электрической энергии гибридным солнечным коллектором с балансом мощности (электроэнергия/тепло) 1:3 составит 6606 кВт ч/(м² год).

Экономия за счет снижения расхода газообразного топлива (на один модуль 100 м², при тарифе на топливо - 5,8 тыс. руб./тыс. м³) - 90 тыс. руб./год; экономия за счет выработки электроэнергии (на один модуль 100 м², при тарифе на электроэнергию - 3,16 руб./кВт*ч) - 2087 тыс. руб./год; итого - 2177 тыс. руб./год.

Использование гибридного солнечного коллектора площадью 100 м²:

а) Использование тепла гибридного солнечного коллектора в теплый период

Горячее водоснабжение (за счет тепловой энергии гибридного солнечного коллектора). Исходя из нормы потребления горячей воды для офисных помещений 20 л/(сут. чел.), средней площади помещения на 1 чел. - 5 м², температурного режима горячего водоснабжения 60/15°C, требуемая тепловая мощность гибридного солнечного коллектора на подогрев горячей воды 3,5 кВт.

б) Использование тепла гибридного солнечного коллектора в холодный период

Горячее водоснабжение (за счет тепловой энергии гибридного солнечного коллектора). Исходя из нормы потребления горячей воды для офисных помещений 20 л/(сут. чел.), средней площади помещения на 1 чел. - 5 м², температурного режима горячего водоснабжения 60/5°C, требуемая тепловая мощность гибридного солнечного коллектора на подогрев горячей воды 4,2 кВт.

в) Использование тепла гибридного солнечного коллектора в теплый период для абсорбционного теплового насоса по предлагаемому способу

Кондиционирование воздуха (за счет тепловой энергии гибридного солнечного коллектора). Исходя из среднего потребления холода для кондиционирования офисных помещений 44 Вт/м² [Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика. Уч. пособие. / Ананьев В.А., Балуева Л.Н., Гальперин А.Д., Городов А.К., Еремин М.Ю., Звягинцева С.М., Мурашко В.П., Седых И.В. М.: «Евроклимат», Издательство «Арина», 2000. - 416 с.], возможно кондиционирование помещений площадью 390 м² с помощью АБТН при коэффициенте использования теплоты в АБТН, равном 0,6 [Теплонасосные установки в отраслях агропромышленного комплекса. Учебник. 1-е изд. / Бабакин Б.С., Суслов А.Э, Фатыхов Ю.А., Эрлихман В.Н. Санкт-Петербург. ООО Издательство «Лань», 2014. - 336 с.].

г) Использование электроэнергии гибридного солнечного коллектора для инверторного парокомпрессорного теплового насоса

Инверторные парокомпрессорные тепловые насосы в зависимости от температуры среды позволяют осуществлять перенос теплоты с коэффициентом от 4 до 7 [Стоянов, Н.И. Оценка потенциала комплексного энергоснабжения обособленных объектов от солнечного коллектора. /Н.И. Стоянов, А.И. Воронин, А.Г. Стоянов, А.В. Шагров. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» №13 (153) 2014 © Научно-технический центр «ТАТА», 2014. - (С. 12-16)]. Т.е. на 1 кВт*ч затраченной электрической энергии получаем 4-7 кВт*ч тепловой энергии. Тогда применение предлагаемого способа с инверторным парокомпрессорным тепловым насосом мощностью до 20 кВт позволит получить: дополнительную тепловую мощность в холодный период для системы отопления до 140 кВт; дополнительную холодопроизводительность в теплый период для системы кондиционирования воздуха до 140 кВт.

Тепловая мощность установки, работающей по предлагаемому способу, для обеспечения теплом системы отопления в холодный период увеличивается в 4-7 раз (а также и системы кондиционирования воздуха в теплый период) и эффективность круглогодичного использования солнечного коллектора увеличивается.

При ориентировочных капитальных затратах на 100 м² панелей 10.9 млн руб., срок окупаемости затрат составит 5 лет.

Изобретение относится к способам совместного использования солнечной энергии для системы горячего водоснабжения, солнечной и петротермальной энергии с помощью абсорбционного теплового насоса и инверторного парокомпрессорного теплового насоса для систем кондиционирования воздуха в теплый период и отопления в холодный период. Способ комбинированного использования альтернативных источников энергии для отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения помещений на основе гибридного солнечного коллектора, бивалентного водонагревателя, преобразователя электрической энергии, электрического аккумулятора, абсорбционного теплового насоса, инверторного парокомпрессорного теплового насоса с теплосъемными трубами и петротермальной скважины, при этом в петротермальной скважине на глубине ниже слоя годовых колебаний температуры методом гидравлического разрыва пласта создают трещины, в которые для создания аккумулятора тепла закачивают вещество с температурой фазового перехода 20-43°C; электрическая энергия, вырабатываемая гибридным солнечным коллектором, поступает в преобразователь электрической энергии и используется инверторным парокомпрессорным тепловым насосом для кондиционирования и отопления помещения, бивалентным водонагревателем для подогрева воды при недостаточной тепловой мощности гибридного теплового коллектора, избыточная электрическая энергия накапливается в электрическом аккумуляторе и используется для «дежурного» освещения; в теплое время теплохладоноситель инверторного парокомпрессорного теплового насоса подается в помещение для кондиционирования воздуха и обратно на инверторный парокомпрессорный тепловой насос, откуда полученное тепло посредством теплосъемных труб инверторного парокомпрессорного теплового насоса закачивается в аккумулятор тепла, в холодное время инверторный парокомпрессорный тепловой насос посредством теплохладоносителя теплосъемных труб подает тепло из аккумулятора тепла в помещение для отопления; тепло теплоносителя гибридного солнечного коллектора поступает в бивалентный водонагреватель для подогрева воды в системе горячего водоснабжения и в абсорбционный тепловой насос для выработки холода в системе кондиционирования воздуха в помещении, и после отдачи тепла теплоноситель из абсорбционного теплового насоса и бивалентного водонагревателя возвращается на нагрев в гибридный солнечный коллектор. Техническим результатом является высокая аккумулирующая способность системы и круглогодичное использование солнечной и петротермальной энергии: для системы горячего водоснабжения; для системы кондиционирования воздуха с помощью абсорбционного и инверторного парокомпрессорного тепловых насосов в теплый период; для системы отопления с помощью инверторного парокомпрессорного теплового насоса в холодный период; увеличение на 30-50% выработки электроэнергии за счет отвода тепла от коллектора. 1 ил., 1 табл.

Способ комбинированного использования альтернативных источников энергии для отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения помещений на основе гибридного солнечного коллектора, бивалентного водонагревателя, преобразователя электрической энергии, электрического аккумулятора, абсорбционного теплового насоса, инверторного парокомпрессорного теплового насоса с теплосъемными трубами и петротермальной скважины, отличающийся тем, что в петротермальной скважине на глубине ниже слоя годовых колебаний температуры методом гидравлического разрыва пласта создают трещины, в которые для создания аккумулятора тепла закачивают вещество с температурой фазового перехода 20-43°C; электрическая энергия, вырабатываемая гибридным солнечным коллектором, поступает в преобразователь электрической энергии и используется инверторным парокомпрессорным тепловым насосом для кондиционирования и отопления помещения, бивалентным водонагревателем для подогрева воды при недостаточной тепловой мощности гибридного теплового коллектора, избыточная электрическая энергия накапливается в электрическом аккумуляторе и используется для «дежурного» освещения; в теплое время теплохладоноситель инверторного парокомпрессорного теплового насоса подается в помещение для кондиционирования воздуха и обратно на инверторный парокомпрессорный тепловой насос, откуда полученное тепло посредством теплосъемных труб инверторного парокомпрессорного теплового насоса закачивается в аккумулятор тепла, в холодное время инверторный парокомпрессорный тепловой насос посредством теплохладоносителя теплосъемных труб подает тепло из аккумулятора тепла в помещение для отопления; тепло теплоносителя гибридного солнечного коллектора поступает в бивалентный водонагреватель для подогрева воды в системе горячего водоснабжения и в абсорбционный тепловой насос для выработки холода в системе кондиционирования воздуха в помещении, и после отдачи тепла теплоноситель из абсорбционного теплового насоса и бивалентного водонагревателя возвращается на нагрев в гибридный солнечный коллектор.