Навигация:
Главная → Все категории → Энергосбережение в строительстве

Основные направления развития научно-исследовательских работ


Основные направления развития научно-исследовательских работ

В начале 1979 г. Совет представил на рассмотрение правительству запрос о дополнительном финансировании, необходимость которого обосновывалась ускорением темпов работ по новым техническим системам теплоснабжения в строительном комплексе. Одобрение предложения Совета риксдагом по всем основным пунктам нашло отражение в программе SOL 85. Главный акцент расширенной программы исследований требовал в первую очередь концентрации усилий по созданию эффективных систем (в противоположность созданию индивидуальных компонентов) и по разработке методов сезонного хранения тепла. Эти две проблемы стратегически важны, если рассчитывать в будущем на большее использование тепловых насосов и солнечной энергии и их влияние на национальную ситуацию в энергосбережении.

Дальнейшее развитие стратегий, которую продолжал разрабатывать Совет, основывалось в основном на совместных усилиях производящей промышленности, субподрядчиков, консультантов, операторов и администраторов зданий, местных властей, общественных организаций, исследовательских организаций и высших технических учебных заведений страны. С помощью рабочих групп, состоящих из представителей перечисленных организаций и высокопрофессиональных проектировщиков, была проведена экспертиза в каждом секторе. По прошествии нескольких лет эти группы провели работы в каждом из секторов, изучив местные условия, возможности проектирования и выполнения проекта, создания экспериментальных зданий, измерения эффективности и общей оценки. Эти группы проектировщиков координировали свои действия с исследованиями, выполняемыми в Высших технических учебных заведениях и в промышленных организациях. Обычно работа начиналась с анализа небольшого проекта и заканчивалась созданием больших установок мощностью порядка мегаватт. Успешное осуществление этой стратегии стало решающим в достижении успеха. Окончательной целью в создании полномасштабных экспериментальных зданий часто являлась возможность быстрого внедрения на рынок.

Международное сотрудничество, в первую очередь под покровительством OECD, также образовало важную часть программы исследований Совета. В течение 1983 г. осуществляемые проекты IEA оценивались (по эквивалентным вложениям) приблизительно в 600 млн американских долларов. Методы, в которых Совет был заинтересован, обычно интенсивно разрабатывались во многих странах-членах IEA. Например, работа Совета по использованию воды озер для тепловых насосов была основана на опыте Швейцарии, а работа над испарителями для тепловых насосов на принципе ветряных конвекторов основана на исследованиях, выполненных в ФРГ. Окончательные результаты и проекты были переработаны для использования в Швеции.

Такая стратегия исследований в сочетании с серьезной общественной поддержкой в проведении научно-исследовательских и экспериментальных строительных работ была очень успешной в своем воздействии на энергопотребление в строительном комплексе.

Несколько новых энергетических систем начали внедряться на рынке. В настоящее время эксплуатируется около 70 000 систем с тепловыми насосами, 50% из которых была установлена в 1983 г., вырабатывая около 2-3 ТВт ч/год. Устанавливаются тепловые насосы на мощность, по крайней мере, 1 ТВтч/год. Системы с использованием солнечной энергии для приготовления горячей воды уже поступили на рынок. Строятся первые коммерческие теплохранилища в грунте. Созданы экспериментальные проекты сезонных хранилищ естественного тепла и тепла от солнца, которые показывают хорошие результаты, но пока еще коммерчески не жизнеспособны.

Научно-исследовательская работа привела также к значительному накоплению специальных знаний в высших технических учебных заведениях, в университетах, в промышленности, консультантами, подрядчиками и пр.

Тепловые насосы. По-видимому, несколько типов тепловых насосов от электропривода будут оставаться конкурентоспособными по сравнению с нефтью, углем и твердыми топливами даже в начале следующего столетия. Тепловые насосы будут в первую очередь заменять электрическое отопление в секторе индивидуальных зданий; они могут применяться, заменяя работающее на нефти или твердых топливах оборудование в многоквартирных зданиях, групповых котельных и в системах районного теплоснабжения. Возрастание реальных цен на электроэнергию увеличит конкурентоспособность тепловых насосов по сравнению с бойлерами, использующими электроэнергию, и непосредственно электрическим отоплением. Однако Совет считает, что цены на электроэнергию возрастут не настолько, что тепловые насосы с электроприводом перестанут быть предпочтительными. Это предположение основано на том, что в 2010 г. электроэнергия будет еще производиться в объеме 120 ТВт ч/год. Предварительное предположение об использовании ядерной энергии будет частично изменено за счет применения крупных конденсационных ТЭЦ, работающих на угле.

Использование тепловых насосов в системах районного теплоснабжения будет ограничено, так как большие системы теплоснабжения в будущем будут сами использоваться в качестве источника тепла для производства электроэнергии методом обратного давления. Однако использование незначительного количества тепловых насосов не будет оказывать какого-либо значительного влияния на потребление электроэнергии в стране.

Тепловые насосы для индивидуальных зданий создают возможность использования многочисленных источников тепла. В ближайшие годы наружный воздух, поверхность Земли и грунтовые воды будут доминировать в качестве источников тепла. Развитие новых систем сбора тепла для тепловых насосов, использующих наружный воздух, и улучшение систем против замерзания явятся основой для расширения рынка для таких систем тепловых насосов. Новые испарители в системах тепловых насосов, не использующие вентиляторов, бесшумные и дешевые, обеспечивают более высокий коэффициент полезного действия системы. Другие небольшие тепловые насосы могут повысить конкурентоспособность в основном благодаря более совершенному проектированию системы.

Конкурентоспособность тепловых насосов для индивидуальных зданий по сравнению с устройствами на сжигании нефти относительно высока и приемлема по отношению к электроэнергии. Однако важно, чтобы были разработаны небольшие и дешевые системы тепловых насосов конкурентоспособных в будущем для энергетически более эффективных индивидуальных зданий. В процессе разработки находятся стандартизованные тепловые насосы, предназначенные для рекуперации тепла выбросного воздуха, легко устанавливаемые и дешевые. Они найдут широкий рынок в новом строительном производстве.

Тепловые насосы для многоквартирных зданий будут способны заменить в качестве альтернативного источника тепла электроэнергию, нефть и районное теплоснабжение. Для индивидуальных зданий имеются системы, стоимость которых часто ниже соответствующей полной стоимости производства и распределения тепла при районном теплоснабжении. Прогнозируется, что стоимость систем тепловых насосов будет в дальнейшем снижаться. Однако количество систем, которые могут быть установлены внутри городских территорий и в других плотно застроенных районах, будет ограничиваться возможностями или доступностью необходимых источников тепла. Наиболее предпочтительно использовать тепловые насосы в системах, забирающих тепло от наружного воздуха, хотя в наиболее холодное время года они требуют дополнительного тепла от других источников.

Тепловые насосы для групповых котельных конкурентоспособны особенно в больших системах. Уже эксплуатируются экономически жизнеспособные системы, использующие тепло наружного воздуха, воды озер и подземных вод. В зависимости от местных условий определяется, какой источник тепла наиболее целесообразен.

При существующих ценах, налогах и субсидиях тепловые насосы для систем районного теплоснабжения, извлекающие тепло из очищенных сточных вод, озер или моря, конкурентоспособны с нефтью, углем и (часто) с бойлерами на электроэнергии.

Прогноз для применения тепловых насосов в будущем неплохой, особенно для отопления жилых зданий, где ожидается, что их внедрение к 2010 г. обеспечит 9 ТВт ч/год энергии. Кроме того, снабжаться теплом от тепловых насосов будут также системы районного теплоснабжения. В будущем тепловые насосы найдут применение и в других секторах, где температурные требования умеренные, т.е. для отопления нежилых помещений и для низкотемпературного отопления в промышленности.

По мнению Совета, энергопотребление будет снижаться, достигнув в 90-х годах уровня, который будет значительно ниже, чем использующийся для существующего фонда зданий.

До сих пор технология тепловых насосов разрабатывалась для зданий небольших объемов (в первую очередь для индивидуальных) и в связи с этим считалась нецелесообразной для условий сниженных потребностей в энергии. Однако продолжающиеся научно-исследовательские работы должны привести к созданию дешевых и эффективных тепловых насосов, предназначенных и для энергетически эффективных индивидуальных зданий. Определенные аспекты такой технологии можно отметить, например, в тепловых насосах на выбросном воздухе, предназначенных для производства горячей воды и для обеспечения некоторого количества фонового отопления.

Практически все здания, в которых могут быть использованы насосы, уже существуют. Следовательно, тепловые насосы должны приспосабливаться к местным и изменяющимся в широких пределах условиям, что создает трудности в рационализации работы по установке и проектированию гибких систем. Однако, по мнению Совета, возможности для повышения качества систем и их компонентов существуют и связаны с увеличением срока службы таких систем и сокращения их подготовки к монтажу и первоначальному обслуживанию. Необходимо предусмотреть их большую приспособляемость и пониженную эксплуатационную стоимость. Коэффициент полезного действия этих систем может быть повышен путем совершенствования их проектирования.

Совет считает, что до 1900 г. реальная стоимость установок с тепловыми насосами снизится на 20--25% аналогично тому, что произошло в 60-х годах с бытовыми холодильниками. Успешный экспорт будет способствовать увеличению объема производства и дальнейшему снижению цен. За пять ближайших лет необходимо повысить эффективность установок на 10-15% и в дальнейшем продолжать повышение эффективности. Если европейский рынок будет увеличиваться теми же темпами, что и американский, и японский рынки, то существующее сейчас ограниченное производство может перерасти в массовое. Тенденция массового производства уже существует и в первую очередь во Франции и в Швеции.

Важными направлениями для продолжения научно-иссле-довательских работ являются совершенствование компонентов установок, направленных на повышение производительности срока службы, требований к текущему ремонту, эффективности при частичном использовании производительности; необходимо также совершенствовать компоненты и системы в целом с целью снизить капиталовложения. Предстоит также разработка более эффективных систем сбора тепла и дальнейшая работа по проектированию элементов для подключения тепловых насосов к системе распределения.

Совет считает, что общие технические и экономические возможности рынка тепловых насосов в системах районного теплоснабжения, в групповых котельных и больших зданиях (за исключением промышленности и потребности в низкотемпературном отоплении) определяются в 40 ТВтч/год. Возможности рынка для индивидуальных зданий определяются в 7 ТВт ч/год.

Системы отопления от солнечной энергии. До конца 70-х годов развитие систем отопления, использующих солнечную энергию, носило разрозненный характер, а компоненты и комбинации систем были плохого качества. Следовательно, невозможно оценить перспективы этой новой технологии, основываясь на ранних проектах. Компетентность и уровень экспертизы в настоящее время достигли высокого уровня и соответствуют международным требованиям, получены отличные результаты. Увеличилась производительность солнечных коллекторов, возросла стабильность их работы вне зависимости от погоды, повысилось общее количество и значительно снизилась стоимость. Так, за 3 года стоимость больших групп блоков солнечных коллекторов снизилась на 50%, а производительность повысилась вдвое. Стоимость систем приготовления бытовой горячей воды для многоквартирных зданий снизилась на 50%. Швеция, таким образом, вступила в период быстрого развития, когда повышение производительности и дальнейшее снижение стоимости еще остаются главными. Это развитие осуществляется с использованием относительно скромных экономических ресурсов по сравнению с остальным промышленным техническим развитием.

Системы производства бытовой горячей воды для индивидуальных зданий еще находятся в стадии разработки. Дальнейшего снижения себестоимости энергии трудно достигнуть, так как вырабатываемое количество энергии невелико (около 2000 кВт ч/год), а затраты от продажи, распределения и установки составляют значительную часть общей стоимости. Большая экономическая эффективность достигается при установке таких систем либо в новых, либо в существующих зданиях при замене старых систем. Представляют значительный интерес разработанные водяные баки-аккумуляторы с горячей водой и встроенными солнечными коллекторами. Производство горячей воды от солнечной энергии для многоквартирных зданий более целесообразно, особенно для вновь возводимых больших систем. В этом случае используется специальный способ возведения солнечных коллекторов на местах, по мнению Совета — перспективный.

Данные о комбинированных системах, предназначенных для отопления и горячего водоснабжения в индивидуальных зданиях, в результате их постоянного интенсивного развития дают неопределенное соотношение стоимости и эффективности. Условия отчасти более предпочтительны для многоквартирных зданий по данным одной уже работающей системы. В системах такого типа накопитель тепла может быть использован и в качестве нагревателя при внепиковом отоплении от электроэнергии или при использовании твердого топлива.

Системы солнечных коллекторов для групповых котельных и для систем районного теплоснабжения без хранения тепла уже конкурентоспособны по сравнению с газом и нефтью. В дальнейшем должна быть снижена себестоимость получаемой от этих систем энергии для их конкурентоспособности по сравнению с твердым топливом. Главный недостаток таких систем в том, что они не способны произвести более 10% общей годовой потребности.

Отопление с использованием солнечной энергии и с сезонным хранением тепла может обеспечить 95% потребности в подобных энергетических системах, но будет дороже из-за необходимости затрат на теплохранилища. Чтобы такие системы стали конкурентоспособными, стоимость их должна быть снижена на 30-50%.

Перспективы создания новых, более совершенных систем отопления с использованием солнечной энергии хорошие. Специальные знания по этой проблеме аккумулируются в Высшем учебном заведении им. Чалмерса, Королевском высшем техническом учебном заведении, компании "Стадсвик энержитекник АВ", в Шведском государственном институте испытаний и в Шведском метеорологическом и гидрологическом институте. Работая тесно с Советом и используя собственные фонды, Шведское государственное управление по энергии накопило значительный опыт как по системам тепловых насосов, так и по системам отопления, использующим солнечную энергию. Небольшие группы, специализирующиеся на отоплении, использующем солнечную энергию, преуспели в разработке эффективных солнечных коллекторов и сооружении таких систем в зданиях. Группы обеспечивают надзор за различного типа теплостанциями, использующими солнечную энергию. Однако компетенция консультантов по использованию солнечной энергии в промышленном производстве в целом еще остается невысокой. Продолжающиеся научно-исследовательские работы должны быть направлены прежде всего на дальнейшее снижение стоимости систем. Кроме повышения качества систем в целом должна быть улучшена эффективность солнечных коллекторов. Целью усовершенствования массивов солнечных коллекторов является производство энергии себестоимостью 15 эйри/кВт ч (1,45 коп/кВт ч), тогда как системы с сезонными накопителями тепла должны обеспечивать энергией себестоимостью 25-30 эйри/кВт ч (2,4-2,9 коп/кВт ч). Очень важно снизить на 30- 50% существующую стоимость энергии для групповых котельных с сезонными теплохранилищами, так как продолжается развитие и снижение стоимости систем производства бытовой горячей воды и комбинированных систем отопления и производства горячей воды. Перспективы достижения такой цели хорошие (см. разд. 10), но необходимо, чтобы научно-исследовательские и экспериментальные работы продолжались на уровне не ниже существующего.

Однако результаты такого рода на могут быть достигнуты только путем научно-исследовательских работ. Продажа по меньшей мере 10 000 м2/год солнечных коллекторов требует возврата капитальных вложений в промышленность. Подобный темп развития возникает произвольно и требует развития сотрудничества между правительственными организациями, промышленностью, местными властями, будущими владельцами и научными работниками.

Хранение энергии. Выполнен большой объем работы по хранению энергии, в первую очередь в системах, предназначенных для ввода, возврата и накопления тепла в грунте, скале и воде, обычно называемой тепло грунта. Эксплуатация естественного механизма накопления тепла в земле, скале и в резервуарах воды предлагает, по-видимому, лучшие перспективы для дешевого сезонного хранения тепла. Теплопотери и стоимостные факторы свидетельствуют о том, что такие хранилища должны быть относительно большими. Как уже говорилось, ледниковые геологические формации и каменные основы пород в основном создают в Швеции прекрасные условия для подземных теплохранилищ.

Теплохранилища в резервуарах с водой, таких, как искусственные выемки или пустоты, в первую очередь предназначены для хранения тепла с диапазоном температур 50-100 °С. Строительная технология и стоимость строительства пустот в скале широко известны, а опыт эксплуатации, стабильность скальных пород, химический состав воды в них накапливается в полномасштабных исследованиях. Накопители в выемках имеют некоторые недостатки; они подвержены влиянию, например, местных грунтов и подземных вод. Существуют также проблемы герметизации и теплоизоляции.

Теплохранилища непосредственно в грунте используются в первую очередь для хранения тепла с диапазоном температур от 10-30 °С в глиняных пластах и подобных типах хранилищ, а хранилища в виде скважин в скале могут эксплуатироваться при более высоких температурах. В качестве теплообменников в грунте применяют открытые или замкнутые системы труб. Удельная стоимость каждого кубического метра тепла в грунтовых хранилищах дешевле, но они имеют малую энергетическую плотность, а их тепловая инерция выше, чем при хранении тепла непосредственно в воде. Опыт возведения и первоначальные результаты эксплуатации таких систем показывают, что их работа соответствует тому, что планировалось.

Теплохранилища в водоносных слоях проектируются с предположительным вводом в эксплуатацию первых полномасштабных установок к 1985 г. Этот способ хранения обеспечивается дешевыми средствами. Так, тепло воды поверхности озер, нагретой летом, сохраняется до зимы, когда вода будет служить хорошим источником тепла для систем тепловых насосов. При такой технологии общая себестоимость накопления и возврата тепла может быть ниже, чем 12-18 эйри/кВт ч (1,2-1,7 коп/кВт ч).

Теплохранилища, использующие скрытое тепло, могут, вероятно, применяться в будущем для поддержания микроклимата в административных зданиях, использующих в настоящее время для кратковременного накопления избыточного тепла холодильные установки. Несмотря на их очевидную целесообразность, стоимость таких теплохранилищ слишком высока для применения в зданиях другого типа для накопления тепла (за исключением случаев, связанных с пиковыми нагрузками или использованием солнечной энергии).

Хранение энергии термохимическим способом из-за технического или экономически приемлемого уровня эффективности имеет очень небольшие перспективы в ближайшие 10--15 лет. Стоимость лишь устройств хранения тепла трудно определить, так как она зависит не только от проекта системы в целом, но и от источника тепла, требований к тепловым насосам, уровням температур и пр. Данные об удельных капиталовложениях (отнесенных к одному циклу заряда/разряда) приведены в табл. 14.8.

Если эти затраты в последующем будут подтверждены, то хранение тепла не будет больше определяющим фактором в широкомасштабном использовании солнечной энергии, естественных источников тепла или сбросного тепла. Часть стоимости энергии, непосредственно связанная с хранилищами, должна снизиться до 3--10 эйри/кВт ч (0,3-0,97 коп/кВтч) при использовании накопителей, представленных в табл. 14.8.

Таким образом, для систем отопления могут использоваться разнообразные теплохранилища, предназначенные для различных целей. Это могут быть теплохранилища для сезонного хранения тепла солнечной энергии, природного тепла, сбросного тепла или возвращенного тепла. Оно может быть использовано для краткосрочного хранения при выравнивании пиковых нагрузок от различных производственных источников или от источников бросового тепла, в суточном или недельном режиме.

Весьма перспективно использование грунтовых теплохранилищ. Совет считает, что в рамках существующих энергетических систем такие хранилища обеспечат в будущем 10 ТВт ч/год. Однако объединение теплохранилищ с различными системами отопления потребует больше времени, чем, например, установка теплонасосных систем, основанных на использовании естественного тепла грунта. Теплохранилища будут использоваться как элементы (часто сложные) систем, необходимых для удовлетворения различных температур, мощностей и потребностей в энергии.

По мнению Совета, технические и экономические перспективы использования различных теплохранилищ в ближайшие 20 лет могут обеспечить 10--15 ТВт ч/год. Для создания необходимых условий реализации такой перспективы следует продолжить научно-исследовательские работы и сооружения полномасштабных экспериментальных проектов с различными источниками тепла, в том числе и производящих тепло традиционными методами.

Стоимость различных типов теплохранилищ менее четко определена, чем, например, для систем, использующих тепловые насосы или естественные источники тепла, так как существует лишь небольшое число установок. Стоимость хранилища зависит также от размера и типа системы, с которой оно используется. Следовательно, на анализе стоимости только экспериментальных установок трудно сделать окончательные выводы.

Система распределения тепла. Научно-исследовательские работы направлены на разработку систем и способов модификации, реконструкции и развития как систем внешнего распределения тепла, так и систем в зданиях с целью удовлетворить не только новые требования эксплуатации, но и условия утилизации местных и часто низкотемпературных источников энергии.

Новые методы распределения низкотемпературного тепла (до 70 °С) с использованием пластмассовых труб находятся в стадии экспериментального строительства. В конечном счете должно быть достигнуто значительное снижение стоимости, в первую очередь благодаря упрощению и более рациональной прокладке трубопроводов. Метод является наиболее целесообразным для соединения теплопунктов с индивидуальными зданиями и системами, использующими групповые котельные. Исторически шведская система районного теплоснабжения использует большее число различных типов подземных магистралей. Использование пластмассовых оболочек для магистралей значительно увеличилось в 70-х годах, особенно для трубопровода, использующего стальные трубы с внешней защитой из оболочки полиэтилена и укладываемой на месте теплоизоляции из пенополиуретановый пены. Около 80% новых магистралей в Швеции прокладывается с использованием таких трубопроводов. Дешевым способом распределения тепла является также прокладка трубопроводов небольшого размера на малозастроенных территориях.

Наметились тенденции к понижению температурного уровня в системах распределения тепла, и в будущем можно ожидать прогресса в этом направлении. На этот процесс может оказывать некоторое воздействие проектирование новых зданий с использованием низкотемпературных источников тепла. Энергосбережение в существующих зданиях, расположенных в регионах с районным теплоснабжением, может также привести к необходимости понижения уровня температур в системе распределения. Другим способом, способствующим снижению температур, является совершенствование контроля и управления системой. Ожидается, что возрастающее внедрение новых систем контроля и управления с помощью микропроцессов ускорит снижение температур в системах распределения и зданиях, что позволит лучше использовать источники промышленного бросового тепла и другие низкотемпературные источники для теплоснабжения. Если не будет достигнуто снижения общего уровня температур, то возможно снижение гибкости систем и форсированное сохранение традиционных систем теплоснабжения и топлив на основе угля, так как применение таких местных топлив, как торф, древесная щепа, мусор и т. д. ограничено.

В течение изучавшихся 10 лет количество тепла, поставляемого каждым километром трубопроводной системы распределения, снижалось. Это зависело от нескольких факторов: системы распределения были запланированы для менее плотно застроенной территории, кроме того, энергопотребление на всех территориях снизилось в результате мероприятий по энергосбережению.

Исторически стоимость инженерных сооружений шведских систем районного теплоснабжения составляет в среднем около 500 шв. крон/кВт (48,4 руб/кВт). Однако плотность тепловой нагрузки значительно влияет на удельную строительную стоимость.

Развитие систем районного теплоснабжения страны по разработанному в 1983 г. Шведской ассоциацией районного теплоснабжения плану предполагает подключение к ним большинства групповых котельных и жилых зданий страны. В результате рамки внедрения энергосберегающей технологии будут очень ограничены. И это при том, что тепловые насосы и оборудование для использования солнечной энергии наиболее конкурентоспособны для районного теплоснабжения и для применения в многоквартирных зданиях; сегодня многие из этих систем ниже по стоимости и более эффективны, чем районное теплоснабжение. Следует отметить, что большие тепловые насосы, извлекающие тепло из низкотемпературных источников, для обеспечения основногсЗ тепла в системах районного теплоснабжения уже начали использоваться на коммерческой основе.

Сектор распределения тепла играет существенную роль в осуществлении программ замены нефти в традиционных системах отопления и в районных котельных, так как внедрение новых способов производства энергии окажет влияние на большое число систем. Многие местные власти и жилищные компании также считают ключевым внедрение районного теплоснабжения или групповых котельных. Следовательно, технология районного теплоснабжения должна быть развита и приспособлена к пониженному уровню энергопотребления, которое в будущем ожидается в строительном комплексе.

Похожие статьи:
Опыт жилищных организаций

Навигация:
Главная → Все категории → Энергосбережение в строительстве

Статьи по теме:





Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум