Россия, как и другие развитые страны, столкнулась с проблемой энергодефицита. Аварии и отключение электроснабжения, нехватка или отсутствие теплоснабжения - всё это требует решения, и решения быстрого. Однако чтобы запустить дополнительные мощности, требуется затрачивать годы на строительство электростанций или станций, генерирующих тепло.
Комбинированное производство электрической, тепловой и холодильной энергии (тригенерация) представляет на сегодняшний день одно из наиболее современных технологических решений в плане и повышения энергетической эффективности, и решения экологических проблем.
Оптимизация потребления энергии является серьезной задачей, и ее решение важно и с экономической точки зрения, и в отношении улучшения экологии.
В жилых зданиях распределение энергопотребления выглядит следующим образом: 57% энергии идет на отопление помещений, 25% - на производство горячей санитарной воды и 11% - на питание электробытовых приборов.
Учитывая, что значительная доля энергии расходуется на отопление и приготовление горячей санитарной воды, необходимо знать, каковы последствия использования тепловой энергии, в том числе, какова степень загрязнения атмосферы, обусловленная производством тепла на бытовое отопление. Для минимизации негативного воздействия на экологию и снижения финансовых затрат представляется, что, помимо разработки новых альтернативных видов топлива, следует шире использовать новые технологии, которые в определенных ситуациях могут существенно повысить производительность и оптимизировать использование источников энергии.
Системы когенерации (комбинированное производство тепла и электроэнергии) и тригенерации (комбинированное производство тепла, холода и электроэнергии) представляют собой наиболее рациональный и эффективный способ использования традиционных источников энергии (ископаемое топливо), а также возобновляемых источников энергии (биогаз и солнечная энергия).
В частности, системы когенерации в сочетании с холодильными агрегатами абсорбционного типа являются удачным выходом в ситуации, когда необходимо обеспечить регенерацию и преобразование избыточного тепла в холодильную энергию.
Таким образом, системы тройного действия (рис. 1) являются эффективным решением для удовлетворения постоянно растущего спроса на электроэнергию, тепло и холод именно благодаря преимуществам, которые открывают новые газовые технологии и поправки, внесенные в экологический регламент.
Рис. 1. Схема образования трех форм энергии в процессе тригенерации:
1 - горючее; 2 - тригенерация; 3 - тепло; 4 - электроэнергия;
5 - холод; 6 - потери тепла; 7 - потери при передаче
В промышленности и для обслуживания административных объектов, где продолжительность работы в годовом исчислении превышает 4 тысячи часов, применяется когенерация.
В бытовой сфере тепло, производимое комбинированной энергосистемой, предназначается, главным образом, для отопления помещений, и, как правило, период
реальной потребности в тепле ограничивается зимними месяцами, например, в странах с умеренным климатом. В то же время, существует значительная потребность в холодоснабжении для кондиционирования тех же помещений в летний период. Именно в
этих случаях, имея комбинированную энергосистему, регенерированное тепло можно использовать для производства холодильной энергии или охлаждающей воды для системы кондиционирования или промышленных процессов.
Система тригенерации состоит из системы комбинированного производства тепла и электроэнергии, соединенной с одним или несколькими холодильными агрегатами (рис. 2). Тепловая часть представляет собой парогенератор с рекуперацией тепла, для питания которого используются выхлопные газы первичного двигателя,
как правило, оснащенного газовой турбиной. Первичный двигатель соединен с генератором переменного тока, обеспечивающим производство электрической энергии.
Дополнительно в системе предусмотрен аварийный контур, куда при необходимости можно сбрасывать пар для утилизации избыточного тепла в случае перегрева или переохлаждения.
Рис. 2. Принципиальная схема комбинированного генератора тройного действия:
1 - выхлопные газы; 2 - двигатель; 3 - охлаждение двигателя; 4-5 - теплообменники;
6 - охлаждение газов; 7 - генератор переменного тока; 8 -испарительная башня;
9 - холодильная машина; 10 - охлажденная вода; 11 - электроэнергия
Для кондиционирования помещений применяется холодильная машина (чиллер) абсорбционного или адсорбционного типа, которая зимой дает тепло, а летом холод.
И, наконец, для охлаждения конденсационной воды холодильной машины предусмотрена испарительная башня (градирня).
В адсорбционной системе в качестве рабочей жидкости в холодильную машину адсорбционного типа заливается вода.
Принцип адсорбции состоит в использовании гигроскопичного материала, обычно кремнеземного геля (кремнегеля) в твердом состоянии, который может забирать водяной пар и отдавать его при подаче тепла.
В фазе влагоудаления химически обработанный пористый материал адсорбирует влагу, которая задерживается на ламелях адсорбционной крыльчатки, до полного насыщения, после чего такой адсорбер подлежит восстановлению. В фазе восстановления выполняется продувка через адсорбер горячего воздуха, после чего скопившаяся вода испаряется и выводится вместе с воздушным потоком. Огромное преимущество такой системы в том, что она работает также и при низких температурах.
Тепло, требующееся для отвода воды, может иметь относительно невысокую температуру, порядка 50 °С, что делает возможным использование данной технологии, в том числе, в системах охлаждения посредством солнечной энергии.
Адсорбционная установка состоит из блоков низкого и высокого давления. В блоке низкого давления (около 0,01 бар) находится испаритель, обеспечивающий испарение при пониженной температуре, равной примерно 12 °С. В помещении, которое необходимо охладить, температура воздуха выше температуры испарения (расчетное значение температуры внутреннего воздуха в помещении составляет 26 °С в летний период), и этой теплоты достаточно для испарения жидкого хладагента.
В блоке высокого давления находится конденсатор. Температура конденсации жидкости должна быть выше температуры воздуха на улице (в летний период температура наружного воздуха достигает 35-40 °С), достаточная величина давления - 0,1 бар.
Испаритель и конденсатор разделяются двумя камерами, выполняющими функцию компрессионных паровых машин, с происходящими в них термохимическими процессами. Камеры подвижны и поочередно присоединяются то к испарителю, то к конденсатору. К камере, движущейся к конденсатору, подается тепло, из камеры, движущейся от испарителя, - тепло отводится.
В качестве рабочего тела абсорбционных установок используется раствор хладагента и абсорбента, образующих рабочую пару. За прошедшие годы было предложено множество таких пар, однако лишь две из них получили широкое распространение в
промышленных процессах: аммиак - хладагент, вода - абсорбент, вода - бромистый литий.
В таблице приведены некоторые основные характеристики рабочих пар, используемых в абсорбционном цикле.
Таблица
Основные характеристики рабочих пар
Характеристика |
H2O-NH3 |
H2O-LiBr |
|
Моно |
Моно |
Двойное |
|
Температура испарения,
°С |
Низкая
от 0 до -30 |
До 5 |
До 5 |
|
Уровень давления в машине |
Выше атмосферного давления |
Функционирование в частичном в вакууме |
Функционирование в частичном в вакууме |
|
Холодильная мощность, кВт |
20-2500 |
300-5000 |
300-5000 |
|
Температура горячей воды,
°С |
100-120 |
120-132 |
150-160 |
|
Коэффициент преобразования
тепловой энергии (СОР) |
0,6-0,7 |
0,5-0,6 |
0,9-1,1 |
Специальная система работающих поочередно автоматических клапанов позволяет поддерживать между конденсатором и испарителем необходимый перепад давления, а также осуществлять переключение режимов работы камер.
В нормальных рабочих условиях с температурой горячего источника около 80 °С коэффициент преобразования энергии достигает 0,6. Работоспособность машин гарантируется в температурном диапазоне до 60 °С. Диапазон мощности таких холодильных машин составляет от 50 до 500 кВт.
Преимущества адсорбционной системы - в простоте и надежности. Учитывая, что нет никакой опасности кристаллизации, пределов для температуры холодильной воды не существует. В машине нет жидкостного насоса, ее энергопотребление невелико.
Недостатками системы можно считать ее большие габариты и вес. На сегодня лишь несколько азиатских производителей выпускают адсорбционные холодильные машины, поэтому стоимость таких машин остается все еще относительно высокой.
Преимущества процесса тригенерации
Выигрыш от установки систем тригенерации состоит, главным образом, в экономии энергоресурсов и, как следствие, - в сокращении выброса в атмосферу загрязняющих веществ. По сравнению с другими технологиями общая эффективность систем тригенерации гораздо выше, поэтому экономия энергоресурсов при их использовании достигает 60%. Например, у такого предприятия сферы услуг, как гипермаркет, имеется одновременная и постоянная потребность в существенных объемах электрической энергии, холодильной энергии для целей кондиционирования и тепловой энергии - для отопления. Лучшие модели систем тригенерации на испытаниях продемонстрировали очень высокую общую производительность - до 86%, часть из которой - 42% - приходится на электрическую энергию.
