книги / Экология. Энергосбережение. Экономика

Р а з д е л 2. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЮ АЛЬТЕРНАТИВЫ НЕТ

УДК631.22

Г.Г. ШИШКО

(Киевский государственный технический университет строительства и архитектуры)

ВОПРОСЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ СЕЛЬСКОЙ МЕСТНОСТИ

Рассмотрены возможности и перспекти­ вы применения нетрадиционных энерго­ ресурсов в сельском хозяйстве. На ос­ новании обобщения результатов иссяе- Йований и разработок определены наиолее эффективные направления исполь­ зования энергосберегающих мероприятий.

Использование нетрадиционных энергетических ресурсов позволя­ ет изменить энергетику и облик населенных пунктов сельской мест­ ности, улучшить комфортабельность проживания, уменьшить загрязне­ ние окружающей среды* а главное - сэкономить органическое топли­

Для использования в системах теплоснабжения сельских усадеб­ ных домов и производственных помещений солнечную энергию следует преобразовывать в тепловую, накапливать и передавать для потреб­ ления. Поэтому в перечень оборудования гелиосистем входят гелиоприемник для преобразования солнечной энергии в тепловую, накати - веющий и при необходимости отдающий теплоту, циркуляционные насо­ сы или вентиляторы, теплообменники /4/.

Системы горячего водоснабжения, использующие солнечную энер­ гию, нашли широкое применение в сельскохозяйственном производстве при нагревании воды для технологических нужд. К самой простой и распространенной системе горячего водоснабжения относят одно-

контурную термосифонную. Для бесперебойного гелиотеплоснабжения потребителей, в том числе и жилых усадебных домов, кроме солнеч­ ного нагревателя предусматривается резервный источник теплоты, работающий на органическом топливе или электрической энергии (рис. I).

Перспективным направлением является применение солнечной анергии для обогрева промышленных и, особенно, индивидуальных теплиц /1,5,7/. Разработаны различные варианты систем гелиоотоп-

«/

8

Рис. I. Схема двухконтурной системы солнечно­ го отопления с жидким теплоносителем: 1 - ге­ лиоприемник; 2 - бак-аккумулятор; 3 - теплооб­ менник; 4 - обводная линия; 5 - дополнитель­ ный нагреватель; В- отопительный прибор; 7 - отапливаемое помещение; 8 - насос; 9 - трех­

ходовой клапан

ления теплиц (рис. 2). Любая наземная теплица представляет собой объемный коллектор и воздушный аккумулятор. Поэтому южную сторо­ ну ограждения теплицы необходимо делать светопроницаемой, а ос­ тальные теплоизолировать. Для лучшего доступа солнечных лучей в теплицу в любое вреш1 года южный скат кровли увеличивают и выпол­

няют под более пологим углом к горизонтали, чем северный. Такие конструкции гелиотеплиц нашли широкое применение в зарубежной практике.

Для повышения эффективности использования солнечной энергии для обогрева теплицы с асимметричной конструкцией кровли рекомен­ дуется солнечная теплица с аккумулятором теплоты (рис. 3).

В последние годы ведутся интенсивные работы по использова­ нию ветровой энергии для выработки электрической и тепловой энергии. Построены опытные и опытно-промшленные ветровые элект­ ростанции (ВЭС) мощностью от 15 кВт до 2 МВт с крыльчатыми ветроагрегатами с горизонтальной и вертикальной (роторные) осями вра­ щения. Разработанные ветроагрегаты малой, средней и большой мощ­ ности в основном используются для энергосбережения небольших сель­ скохозяйственных объектов мощностью до I МВт /3/.

К числу нетрадиционных энергоресурсов сельскохозяйственного

Рис. 3. Гелиотеплица с подпочвенным галечным аккумулятором теп­ лоты: 1 - светопроэрачное ограждение; 2 - светонепроницаемое утепленное ограждение; 3 - канал для циркуляции воздуха; ^ - вентилятор; 3 - питательный слой грунта;5 - аккумулятор тепло­

ты (галька, гравий, камни)

производства относят биогаз. Метан из биомассы может быть получен путем ее анаэробной ферментации, гидрогазификации или пиролиза. Образующийся газ содержит 50...80 %метана, 50...20 %углекислого газа, менее I %сероводорода и малое количество аммиака. Тепло­ творная способность биогаза 14500...25000 кДж/м3 и колеблется в зависимости от содержания углекислого газа /1,2/.

Область применения биогаэа в первую очередь определяется энергопотребностяии той местности, где он производится. В услови­ ях Украины биогаэ наиболее эффективно применяется в животноводст­ ве и птицеводстве.

По конструкции биогаэовые установки можно разделить на четы­ ре основных вида: без подвода теплоты и перемешивания сбраживае­ мого субстрата; без подвода теплоты, но с перемешиванием сбраживае-

124

кого субстрата; с подводом теплоты и перемешиванием сбраживаемо­ го субстрата; с предварительной подготовкой субстрата для сбражи­ вания, подводом теплоты, перемешиванием, контролем и управлением анаэробным процессом.

Простейшие биогаэовые установки нашли применение в южных рай­ онах России и Украины. В мелких хозяйствах, расположенных в рай­ онах с жарким климатом (Китай, Индия, Корея и др.), широко рас­ пространены биогаэовые установки 'Табор", размещаемые под землей. Камера сбраживания и газгольдер уравновешены между собой. Про­ цесс брожения протекает стихийно, бесконтрольно, подогрев и пере­ мешивание не применяют. Продолжительность переработки субстрата

40 дней и более. Выход биогаза 0,3...0,5 мэ в расчете на I м3 ка­ меры сбраживания.

В северных,.восточных и западных районах, необходимо устрой­ ство метантенков с подогревом. Биогаэовые установки подобного ти­ па для личных подсобных хозяйств разработаны НПО КТИСМ (г. Запо­ рожье).

Для крупных фермерских хозяйств разработан ряд установок. НПО КТИСМ разработана биоэнергетическая установка для ферм с пого­ ловьем до 50 коров или 400 свиней, ВИИЭСХ (г. Москва) выполнен проект биогазовой установки для фермы на 400 голов крупного рога­ того скота (рис. 4). Техническими требованиями предусмотрено,что анаэробная переработка - поточный процесс с циклическим выполне­ нием операций. Продолжительность сбраживания 22 суток, суточный выход биогаза 710 м3. Общий объем биогаза на нужда фермерского хозяйства 415, выход товарного газа - 295 м3.

Оценивая возможность переработки отходов животноводства в хозяйствах Украины, следует отметить, что переработка методом

анаэробного сбраживания только 20 %отходов позволит покрыть до 10...15 %энергетических потребностей сельского хозяйства.

Рассматривая возможности и перспективы применения нетрадици­ онных энергоресурсов в сельском хозяйстве, следует иметь в виду, что проблема использования таких источников энергии является преж­ де всего проблемой технико-экономической.

Выбор той или иной системы теплоснабжения сельскохозяйствен­ ных объектов, в том числе с использованием нетрадиционных энерго­ ресурсов, следует выбирать с учетом технико-экономической оценки вариантов теплоснабжения, сравнения по приведенным затратам эко­ номической эффективности вариантов. При этом сравниваемые вари- ' анты должны быть Сопоставимы по показателям расчетной тепловой нагрузки и годового отцуска теплоты.

125

Рис. 4. Схема биоэнергетической установки: 1 - накопитель наво­ за; 2 - отделитель примесей; 3 - емкость-теплообменник; 4 - мешалка; 5 - метантенк; 6 - теплообменник; 7 - сухой газголь­ дер; В- навозохранилище; 9 - водопровод; 10- трубопровод ох­ лажденной воды; 11- газовый водонагреватель; 12 - трубопровод

горячей воды

Использование нетрадиционных энергоресурсов экономически эффективно как по капитальным вложениям, так и по эксплуатацион­ ным расходам.

При решении вопроса об экономии энергоресурсов в первую оче­ редь необходимо осуществлять те мероприятия, которые обеспечат не только экономию теплоты, но и дадут экономический эффект по хо­ зяйству в целом. В связи с этим, наиболее эффективным является

комплексное использование различных энергосберегающих мероприятий. Конкретные технические решения следует принимать на основе соот­ ветствующих технико-экономических расчетов с учетом специфики хо­ зяйства, наличия нетрадиционных источников энергии, а также ме- • теорологических особенностей данного региона /1,2/. Эффективность 126

использования нетрадиционных энергоресурсов особо высока в райо­ нах, удаленных от энергетических систем или мест расположения органического топлива.

Перспективные гелиоветровые установки (КПИУ) позволяют вы­ рабатывать не только электрическую и механическую энергию для подъема воды, освещения, электроснабжения небольших потребите­ лей, но и тепловую энергию. Кроме того, КГВТУ содействуют сгла­ живанию неравномерности выработки энергии. Для более эффектив­ ной работы КГВТУ необходимо снабдить аккумуляторами теплоты. Принципиальная схема КГВТУ приведена на рис. 5. Обогрев теплоно­ сителя, направляемого на отопление и горячее водоснабжение•про­ исходит в теплообменнике за счет солнечной энергии и электричес­ кого нагревателя, использующего энергию ветра.

Рис. 5. Схема геяиоветротепловой установки:

Научно-исследовательским институтом гидромеханизации, сани­ тарно-технических и специальных строительных работ (ВНИИГС) раз­ работана гелиодушевая установка с догревом воды посредством ТЭНов от ветроэнергетической установки мощностью I кВт /6/.

Несомненный интерес представляет утилизационно-энергетичес­ кий блок с использованием биогаза и других нетрадиционных источ­ ников энергии - ветра, солнца (рис. 6). Это полностью замкнутая система жизнеобеспечения сельского подворья или семейной фермы на основе утилизации производственно-бытовых отходов с выработкой

Рис. 6. Утилизационно-энергетический блок: / - жилой дом; 2 - газовый котел для отопления и горячего водоснабжения; 3 - кана­ лизационный коллектор; %- сборный резервуар отходов; 3 - утеп­ ленный реактор с мешалкой и теплообменником; 6 - газгольдер; 7 - электропривод; 8 - теплоаккумулятор; 9 - резервуар сбро­ женной массы; 10- насос и закрытая компостная площадка; 11- ветроагрегат; 12 - шампиньоны на компосте; 13- дополнительный нагреватель; 1к- солнечный коллектор;^1- теплица, оранжерея; 16- внесение компоста в грунт и орошение; 17- рыбный бассейн;

18- хлев; 19- артезианская скважина

электроэнергии, биогаза, горячей воды, ценного удобрения для про­ изводства экологически чистых продуктов питания.

Опыт эксплуатации энергетического комплекса научно-иссле­ довательского полигона. "Десна" Института электродинамики АН Укра­ ины показал целесообразность создания комплексных систем исполь­ зования возобновляемых источников энергии /3/.

В настоящее время на Украине создано Украинское общество солнечной энергии (филиал Международного общества солнечной энер­ гии, штаб-квартира в г.Виктория, Австралия) для всемерного рас­ пространения и развития науки и техники в области создания уста­ новок и систем по комплексному использованию возобновляемых ис­ точников энергии (солнечная энергия, энергия ветра), установок для производства биогаза с целью высвобождения традиционных ис­ точников энергии и защиты окружающей среды.

ния. Технология обработки воды на теплоисточниках непрерывно'со­ вершенствуется с целью повышения их эффективности и уменьшения объема стоков, загрязняющих среду. При этом конструкция водопод­ готовительных установок усложняется, что затрудняет применение новых технологий в относительно небольших системах с тепловой мощностью 50-100 тыс.кВт. Для таких систем предлагается техно­ логия подготовки подпиточной и питательной воды, позволяющая в рамках одной компактной установки комплексно решить задачи водоумягчения и деаэрации. При этом устраняются потери тепла, связан­ ные с выбросом пара на деаэраторных установках и экологический ущерб от введения в систему химических реагентов и сброса сточных вод в водоемы. Для размещения такой системы не требуются большие площади и постоянная работа сменных операторов^

Одним из важнейших звеньев предлагаемой технологии является- деаэратор-термоумягчитель, в котором неумягченная вода деаэрирует­ ся на вертикальных пластинах. Конструкция такого деаэратора-термо- умягчителя разработана проф. С.С. Копьевым и доц. Б.М. Хлыбовым (МИСИ). Обследование работающих деаэраторов этой конструкции показало, что наряду с бесспорными преимуществами, рассматривае­ мое устройство имеет два существенных недостатка - относительно высокий удельный расход пара и низкую эффективность процесса умяг­ чения.

Для устранения этих недостатков предлагается следующее усо­ вершенствование. Пар из выпарного трубопровода деаэратора направ­ ляется в специальный сосуд, в котором нагревается исходная вода, подлежащая деаэрации, и вводится в воду на глубине .7,0 м от ее поверхности. Пар поступает в подлежащую деаэраций воду через. отверстия в трубчатой системе. -Объем сосуда обеспечивает конден­ сации пара в нагреваемой исходной воде с полным устранением по­ терь, связанных с деаэрацией воды.

Газы, выделяющиеся из деаэрируемой воды, удаляются в атмос­ феру через трубку над поверхностью деаэрируемой воды. Слой нагре­ ваемой воды над водораспределительным устройством является гидро­ затвором и обеспечивает повшение давления в деаэраторе и темпера­ туры деаэрации. Повышение температуры процесса деаэрации значитель­ но улучшает эффективность работы деаэратора-умягчителя и сущест­ венно расширяет диапазон химического состава исходных вод.

Известно, что допускаемая жесткость питательной воды паровых котлов определяется температурой и составом котловой воды, а еле*