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 теплои 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

.

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.