Климатическое обеспечение использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли для применения в загородном строительстве тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.30, кандидат географических наук Смирнов, Дмитрий Викторович

• Смирнов, Дмитрий Викторович
• кандидат географических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат географических наук Смирнов, Дмитрий Викторович

Введение.

Глава 1. Возобновляемые источники энергии.

1.1 Основные виды возобновляемых источников энергии.

1.2 Перспективы использования ВИЭ в загородном строительстве.

Глава 2. Низкопотенциальное тепло Земли реализуемое с помощью тепловых насосов.

2.1 Общие сведения о низкопотенциальном тепле Земли.

2.2 Технология использования пизкопотенциальной тепловой энергии Земли тепловыми насосами.

2.3 Экологические аспекты использования НПТЗ.

2.4 Экономическая оценка целесообразности применения теплонасосных систем.

Глава 3. Зависимость функционирования тепловых насосов от климатических условий.

3.1 Теплопотери загородных зданий.

3.2 Выбор типа теплового насоса.

3.3 Оценка производительности тепловых насосов по температуре воздуха.

3.4 Климатические параметры определяющие работу тепловых насосов.

Глава 4. Климатические ресурсы низкопотенциального тепла Земли.

4.1 Оценка обеспеченности климатическими ресурсами НПТЗ.

4.2 Климатические ресурсы НПТЗ в настоящем и будущем.

Глава 5 Экономические оценки и рекомендации по применению тепловых насосов.

5.1 Метод оценки экономической эффективности инвестиций.

5.2 Рекомендации по использованию тепловых насосов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Климатическое обеспечение использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли для применения в загородном строительстве»

Актуальность темы диссертационного исследования.

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет собой одну из глобальных мировых проблем, успешное решение которой будет иметь определяющее значение не только для дальнейшего развития мирового сообщества, по и для сохранения среды его обитания. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Истощение запасов традиционного ископаемого топлива и экологические последствия его сжигания обусловили в последние десятилетия значительное повышение интереса к этим технологиям практически во всех развитых странах мира. Преимущества технологий теплоснабжения, использующих нетрадиционные источники энергии, по сравнению с их традиционными аналогами связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также с новыми возможностями в области повышения степени автономности систем жизнеобеспечения.

Анализ применения в экономике России технологий, использующих нетрадиционные источники энергии, показывает, что в России наиболее перспективной областью их внедрения являются системы жизнеобеспечения зданий и сооружений. При этом весьма эффективным направлением внедрения рассматриваемых технологий в практику строительства представляется широкое применение теплонаносных систем тепло- и хладоснабжения, использующих в качестве повсеместно доступного источника тепла низкого потенциала, грунт поверхностных слоев земли.

В последнее время в мировой практике энергосбережения все сильнее развиваются новые энергоэфективные технологии жизнеобеспечения зданий и сооружений, которые базируются на применении теплонасосных систем.

Как в России, так и за рубежом отсутствуют исследования по климатическим ресурсам низкопотенциального тепла Земли (НПТЗ). Не определены и климатические индексы, выражающие влияние климатических факторов на производительность тепловых насосов. Диссертационная работа должна восполнить данный пробел.

Предмет исследования - вопросы климатического обеспечения использования низкопотенциальной тепловой энергии земли.

Цель исследования - выполнить анализ возможности и целесообразности использования в климатических условиях России тепловых насосов для отопления и горячего водоснабжения, при строительстве и эксплуатации объектов загородной недвижимости. Для достижения данной цели были решены следующие задачи:

1. Выполнен краткий критический обзор возобновляемых источников энергии;

2. Выбраны оптимальные возобновляемые источники энергии для использования их в строительстве загородного жилья;

3. Проанализированы методы использования НПТЗ;

4. Составлен метод расчета оптимальной мощности тепловых насосов;

5. Определены климатические ресурсы НПТЗ для территории России в начале и середине 21 века;

6. Даны рекомендации по комплексному энергетическому обеспечению коттеджного строительства.

Положения, выносимые на защиту: экономическая целесообразность выбора систем энергоснабжения загородного жилья, в виде тепловых насосов доставляющих НПТЗ; - методика и технология использования низкопотенциального тепла Земли на основе учета климатической информации;

- система индексов влияния климата на функционирование тепловых насосов;

- карты климатических характеристик, определяющих количество тепла, доставляемого тепловыми насосами и доли замещения количества тепла требуемого для отопления здания;

- климатические ресурсы НПТЗ в современном и будущем (в середине 21 века) климате, рассчитанные по результатам ансамблевого моделирования;

- методические рекомендации по расчетам климатических ресурсов НПТЗ современного климата, включающие их эмпирические оценки;

- экономическая оценка эффективности инвестиций в НПТЗ Научная новизна: впервые разработаны климатические основы получения низкопотенциального тепла Земли, реализуемого с помощью тепловых насосов;

- по результатам ансамбля МОЦАО составлены карты климатических индексов, характеризующих низкопотенциальное тепло Земли для середины столетия, а для современного этапа по результатам реанализа;

- построены карты-схемы технического потенциала тепла Земли для начала века и возможного валового потенциала тепла Земли на середину 21 века;

- впервые выполнена оценка экономической эффективности потенциала НПТЗ.

Практическая значимость:

Разработана методика учета климатических факторов для технологии обеспечения теплом коттеджного строительства за счет НПТЗ и составлены методические рекомендации для расчетов тепла получаемого тепловыми насосами в различных регионах России.

Апробация работы:

Результаты работы представлены в монографиях "Климатические факторы возобновляемых источников энергии" в разделах о низкопотенциальной тепловой энергии, "Методы оценки последствий изменения климата", а также использованы в докладе научного руководителя диссертации на "Невском международном экологическом конгрессе 2010", доложены на семинаре отдела прикладной климатологии ГУ "ГГО" и на курсах повышения квалификации виде лекции "Обеспечение современных потребностей различных категорий потребителей климатической продукцией и информацией".

Личный вклад автора: Все результаты представленные в диссертации получены лично автором.

Заключение диссертации по теме «Метеорология, климатология, агрометеорология», Смирнов, Дмитрий Викторович

Заключение

В результате проведенных исследований достигнута цель работы:

- создана методика обеспечения теплом на регулярной основе загородного коттеджного строительства. Предлагаемая методика основана на использовании НПТЗ, реализуемая с помощью тепловых насосов;

- дано экономическое обоснование предпочтения выбранной системы энергосбережения для строительства коттеджей;

- установлены климатические индексы, характеризующие зависимость получаемого низкопотенциального тепла Земли от климатических условий;

- создан комплект карт климатических ресурсов по разработанной автором методике и доли замещения потребляемой коттеджами энергии;

- разработаны рекомендации по использованию НПТЗ в загородных условиях. Методически рекомендации содержат оценки эффективности инвестиций в систему энергоснабжения загородных зданий в виде тепловых насосов.

- обобщен опыт и выполнен критический анализ различных ВИЭ.

- выполнена оценка возможных будущих значений технического потенциала низкопотенциального тепла Земли.

Проведенные исследования подтвердили целесообразность и преимущества использования тепловых насосов по сравнению с другими

ВИЭ для коттеджного строительства.

Эффективность предложенной методики зависит от температурных условий воздуха холодного периода года. При этом следует отметить, что в условиях вечной мерзлоты данная методика нами не использовалась, хотя уже выполнена работа (Васильев, 2006) в которой утверждается, что существует принципиальная возможность использования тепловых насосов и в грунтах в районах вечной мерзлоты, но детальное описание ее в литературе и результаты реализации отсутствуют.

В настоящее время введены поправки в закон об электроэнергетике, которые устанавливают статус возобновляемых источников энергии. На применение ВИЭ обращено внимание правительства и разрабатывается ряд нормативных документов. Однако для практического принятия решений необходима разработка не только нормативных, но и организационных документов. Прошедший в мае "Невский международный экологический конгресс 2010" подтвердил важность развития возобновляемых источников энергии для реализации закона №261 об энергосбережении и энергетической эффективности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Смирнов, Дмитрий Викторович, 2010 год

1. Авезов Р. Р., Барский-Зорин М. А., Васильева И. М. и др. Под. ред. Сарнацкого Э. В. и Чистовича С. А. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения/ М.: Стройиздат, 1990.

2. Алфёров Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников, 2004, Т.38, вып.8, с. 937-948.

3. Анапольская Л. Е., Гандин JI. С. Метеорологические факторы теплового режима зданий. JL: Гидрометеоиздат. 1973. с. 134— 148.

4. Аршеневский H.H. и др. Гидроэлектрические станции. М., 1987

5. Бородулин М. Ю. Электротехнические проблемы создания преобразовательных установок для солнечных и ветровых электростанций / Бородулин М. Ю., Кадомский Д.Е. // Электрические станции. 1997. - № 3. - с.53-57.

6. Васильев Г.П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли. М.: Издательский дом «Граница», 2006. 176 с.

7. Д. де Рензо, В. В. Зубарев Ветроэнергетика. Москва. Энергоатомиздат, 1982.

8. Даффи Дж. А., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. — М.: Мир, 1977. 420 с.

9. Ю.Елистратов B.B. Мониторинг развития возобновляемой энергетики в мире и России, 2008. Академия энергетики №2 22., апрель 2008. с. 22 -44.

10. Климаты России. Под ред. Кобышевой Н.В. Гидрометеоиздат. СПб, 2001.

11. Кобышева Н.В., Хайруллин К.Ш. Энциклопедия климатических ресурсов РФ. СПб: Гидрометеоиздат, 2005.

12. М.Красовский Н. В. Как использовать энергию ветра, М. — Л., 1936;

13. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. М., Мир, 1983. 504с.

14. Малинин Н.К. Теоретические основы гидроэнергетики. М., 1985

15. Маркус Т.А., Моррис Э.Н. Здания, климат и энергия (Перевод с ангийского под редакцией Кобышевой Н.В.) Л.: Гидрометеоиздат. 1985.

16. Михайлов Л.П. Малая гидроэнергетика. 1989

17. Самойлюк В.И. Теплопотери зданий и режим отопления при климатических особенностях Сахалинской области. Сахалинское территориальное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Южно-Сахалинск 1996.

18. Сергеев Г.С. Журнал «Чистая Энергия» №1. Российская ассоциация ветроэнергетики. 2006, с. 26-29.

19. Сидоренко Г.И., Кудряшева И.Г., Пименов В.И. Экономика установок нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Изд. Политехнического Университета. СПб 2008. 248 с.

20. СНиП 2.06.01-86 «Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования».

21. СНиП 2.04.05-91 «Отопление, вентиляция и кондиционирование»

22. СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»

23. Стребков Д. С. Новые экономически эффективные технологии солнечной энергетики // Труды Междунар. конгресса "Бизнес и инвестиции в области возобновляемых источников энергии в России". М. 1999. С. 187--208.

24. Сухишвили Э.В. Климатические характеристики курортных и рекреационных ресурсов Восточной части Малого Кавказа в пределах Грузии // Труды Закавказского РНИГМИ №89. 1990. с. 80-104.

25. Чопра К., Дас С. Тонкопленочные солнечные элементы / Пер. с англ. с сокращениями. -М.: Мир, 1986. 435 с.31 .Чудновский А.Ф., Теплообмен в дисперсных средах. Государственное издательство технико-теоретической литературы, Москва 1954.

26. Шарипов А.Я., Силин В.М. Энрегосберегающие и энергоэффективные технологии основа энергетической безопасности. Журнал АВОК №4. 2006.

27. Шефтер Я. И. Состояние, научно-технические и экономические основы развития ветроэнергетики и рекомендации по применению ветродвигателей, М., 1966;

28. Dunn P.D., Reay D.A. The heat pipe. Physics in Technology. 1973.

29. Goodall E. Problems arising with the application of heat pumps of the domestic market. Heating and Ventilating Engineer. 1975

30. Heap R.D. Domestic heat pump operation. In: Proceedings of the Heating, Ventilating and Air-Conditioning Seminar, Imperial Colledge, London. 1975.

31. John W. Lund. Design of closed-loop geothermal heat exchangers in the U.S. Course on geothermal heat pumps. 2002.

32. Rybach L., Sanner B. Ground-source heat pump systems the European experience. GeoHeatCenter Bull. 21/1, 2000.

33. Rybach L. Status and prospects of geothermal heat pumps (GHP) in Europe and worldwide; sustainability aspects of GHPs. International Course on geothermal heat pumps. 2002.