автореферат диссертации по строительству, 05.23.19, диссертация на тему:Обоснование параметров экологически безопасных энергоэффективных теплогенерирующих объектов при рекультивации карьеров

Министерство образования и науки Российской Федерации Национальная академия природоохранного и курортного строительства

БУРКОВА ЕЛЕНА ВИКТОРОВНА

УДК 620.92:504.06(477.75)

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩИХ ОБЪЕКТОВ ПРИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ КАРЬЕРОВ

05.23.19 - экологическая безопасность строительства и городского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005555972

27 НОЯ 2014

Симферополь - 2014

005555972

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре Прикладной экологии и охраны труда Севастопольского национального технического университета

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент_

Макаров Владимир Владимирович Севастопольский национальный технический университет,

доцент кафедры Прикладной экологии и охраны труда.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, член -

корреспондент Национальной академии наук Украины

Резцов Виктор Федорович

Национальная академия наук Украины Институт возобновляемой энергетики, профессор кафедры электротехники Национального технического университета Украины «КПИ».

кандидат технических наук Муровская Анна Сергеевна Национальная академия природоохранного и курортного строительства, ассистент кафедры энергоснабжения и физики.

Защита состоится «19» декабря 2014 г в 9-00 часов на заседании Специализированного ученого совета К.52.079.03 Национальной академии природоохранного и курортного строительства по адресу: 295493, г. Симферополь, ул. Киевская, 181.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке и сайте Национальной академии природоохранного и курортного строительства по адресу: 295493, г. Симферополь, ул. Киевская, 181.

Автореферат разослан « 19 » ноября 2014 г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета, кандидат технических наук

С.П. Муровский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вопросы обеспечения экологической безопасности территорий городов и населенных пунктов при теплоснабжении жилых и общественных зданий являются одним из важнейших направлений экологических исследований. Большинство из активно использующихся в различных отраслях жизнеобеспечения населения энергоресурсов относятся к невозобновляемым и близки к исчерпанию. Развивающаяся в настоящее время «малая» энергетика потребляет более 60% всего топлива топливно-энергетического комплекса (ТЭК), в котором теплоснабжение объектов ЖКХ, главным образом, обеспечивается котельными малой мощности (до 20 МВт), как правило, работающих без разработки и внедрения природоохранных мероприятий, с превышением допустимых уровней выбросов загрязняющих веществ, что приводит к угнетению растительных сообществ и микроорганизмов в радиусе действия теплоэнергетических объектов, загрязнению атмосферного воздуха, почв и водных объектов, увеличению заболеваемости населения. Расчеты показывают, что в сфере ЖКХ потенциальные ресурсы энергосбережения составляют не менее 50%, кроме того целесообразно развивать использование возобновляемых источников энергии (солнечная, ветровая, термальная и др.). В рекреационных регионах, в том числе Крыму, из всех видов возобновляемых экологически чистых источников энергии наибольшим энергетическим потенциалом обладает солнечная радиация. Годовое поступление солнечного излучения составляет 5223 Дж/м2. В то же время, в Крыму имеются отработанные карьеры, которые подлежат рекультивации с позиций снижения экологически неблагоприятного воздействия на окружающую среду и могут быть использованы, как пруды-накопители тепловой энергии солнца для централизованного теплоснабжения.

Исследования антропогенного воздействия топливосжигающих теплогенерирующих объектов на окружающую среду и возможности снижения вредных выбросов в приземный слой атмосферного воздуха выполняются различными организациями стран СНГ и дальнего зарубежья, базирующихся на теоретико-методических разработках и результатах экологических исследований. Изучению данных направлений и различных аспектов выделенных проблем по улучшению экологического состояния городов и населенных пунктов посвящены работы известных ученых: Берлянда М.Е., Андрийчука Н.Д., Безуглой Э.Ю., Бруяцкого Е.В., Болонова Н.И., Бызовой H.JL, Высоцкого С.П., Глазовской М.А., Губарь В.Ф., Дрозда Г.Я., Израэля Ю.А., Каргина A.A., Качан В.Н., Коваленко A.A., Корбута В.П., Котлова Ф.В., Недопекина Ф.В., Лущика A.B., Рамазанова С.К., Редько А.Ф., Резцова В.Ф., Реймерса Н.Ф., Сердюка А.И., Соколова В.И., Сонькина JI.P., Ветровой Н.М., Тищенко Н.Ф., Швец Я.С. и др., которые рассматривали различные аспекты антропогенного воздействия теплогенерирующих объектов на состояние атмосферного воздуха, земельных и водных ресурсов. Теоретическое обоснование снижения антропогенного влияния теплогенерирующих объектов при рекультивации отработанных карьеров, которые используются в качестве

аккумуляторов энергии, имеет особенное значение при решении задач экологической безопасности территорий городов и населенных пунктов Крыма, что обусловило актуальность темы, цель и Задачи исследования.

Связь работы с научными программами и темами. Диссертационная работа выполнена автором в рамках государственной научной работы Севастопольского национального технического университета «Определение перспектив и особенностей использования солнечной энергии для энергообеспечения острова Змеиный» (номер государственной регистрации ГР №0108Ш07476). Проведена оценка влияния работы котельных на экологическое состояние воздушной и водной среды исследуемой территорий, обоснован подход к снижению антропогенного воздействия на окружающую природную среду теплогенерирующих установок на основе использования комбинированных гелиосистем.

Цель и задачи исследования. Целью работы является снижение антропогенного воздействия систем теплоснабжения городского хозяйства на основе реализации экологически безопасных технических решений энергоэффективных теплогенерирующих объектов при рекультивации отработанных карьеров.

В соответствии с поставленной целью сформулированы и решены следующие задачи:

- выявлены особенности экологического состояния территорий в условиях техногенного загрязнения, связанного с эксплуатацией теплогенерирующих объектов;

- уточнен методический подход к исследованию параметров экологически безопасного источника теплоснабжения на основе использования возобновляемых источников энергии;

- разработана математическая модель теплопередачи в теплогенерирующем объекте на основе экологически безопасного возобновляемого источника энергии;

- на основе разработанной модели теплового аккумулятора проведены натурные исследования на экспериментальной установке для определения параметров тепловых процессов в сезонном аккумуляторе (на примере отработанного карьера Кадыковского месторождения Балаклавского рудоуправления);

- разработаны структурно - функциональная и тепловая схемы технического решения теплогенерирующего объекта на основе рекультивируемого карьера;

- уточнен методический подход к оценке экономического эффекта с I учетом предотвращенного экологического ущерба при снижении загрязнения , атмосферного воздуха от внедрения экологически безопасного I энергоэффективного теплогенерирующего объекта на основе рекультивируемого карьера.

Объект исследования - экологическая безопасность территорий с наличием отработанных карьеров.

Предмет исследования - теоретико-методические основы обоснования

параметров экологически безопасных энергоэффективных технических решений теплогенерирующего объекта по аккумулированию солнечной энергии в рекультивируемых карьерах при теплоснабжении городского хозяйства.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы: системный анализ, теория подобия при моделировании фрагмента солнечной системы теплоснабжения, методы математического анализа, методы математической статистики, натурные наблюдения, экспериментальные исследования по определению расходных характеристик теплоносителя, уровня солнечной радиации, температурных параметров системы аккумулирования солнечной энергии и окружающей среды, для решения конкретных прикладных задач использовались современные программные комплексы.

Научная новизна полученных автором результатов заключается в научном обосновании и разработке технических решений по аккумулированию солнечной энергии в рекультивируемых карьерах при теплоснабжении городского хозяйства:

— впервые научно обоснована математическая модель теплогенерирующего объекта, создаваемого при рекультивации карьеров на основе технического решения по аккумулированию солнечной энергии в солевом растворе, который заполняет свободный объем отработанного карьера, обеспечивающего экологическую безопасность и энергоэффективность объектов системы теплоснабжения городского хозяйства;

— получила дальнейшее развитие классификация факторов, определяющих влияние теплогенерирующих объектов, в которой в отличие от существующих, комплексно учитывают природно-ресурсные факторы и антропогенные, в структуре которых объединены технико-технологические, эколого-технологические и эколого-мотивационные факторы, на основе которой, определены направления разработки экологически безопасных энергоэффективных теплогенерирующих объектов;

— уточнен методический подход к исследованию параметров экологически безопасного теплогенерирующего объекта в соответствии с разработанной математической моделью, который в отличие от существующих, позволил разработать экспериментальную установку и усовершенствовать методику расчета параметров процесса аккумулирования солнечной энергии в рекультивируемом карьере.

— усовершенствованы структурно-функциональная и тепловая схемы технического решения теплогенерирующего объекта, которые в отличие от существующих предполагают накопление и сохранение теплового потенциала солнечной энергии в концентрированном солевом растворе, заполняющем объем рекультивируемого карьера за счет передачи тепла в слоях различной солености;

— усовершенствован методический подход к оценке экономического эффекта от внедрения энергоэффективного теплогенерирующего объекта с учетом предотвращенного экологического ущерба от загрязнения атмосферного воздуха, который в отличие от существующих, позволяет учесть снижение

потребления углеводородного топлива в системе традиционного теплоснабжения за счет его замещения тепловой энергией солнца при использовании экологически безопасного теплогенерирующего объекта.

Практическое значение полученных результатов заключается в том, что теоретические положения, которые защищаются в диссертации, апробированы и доведены до уровня конкретных практических рекомендаций и являются вкладом в усовершенствование теоретических основ разработки эколого-технических решений по поддержанию экологической безопасности теплоснабжения территорий населенных пунктов:

- технические решения по снижению антропогенного воздействия на окружающую среду при теплоснабжении населенных пунктов с использованием солнечной энергии, преобразуемой в тепловую в отработанном карьере приняты Постоянной комиссией Севастопольского Городского Совета по вопросам охраны окружающей природной среды, экологической безопасности и чрезвычайных ситуаций для разработки программы по обеспечению экологической безопасности г. Севастополь (Акт внедрения от 15.03.2013 г);

- технические решения по внедрению тепловых аккумуляторов с преобразованием солнечной энергии в тепловую при использовании отработанных карьеров на основе натурных исследований на экспериментальной установке для теплоснабжения Балаклавского района г. Севастополь (Акт внедрения №8/3580 от 06.09.2013 г);

- научные положения работы использованы при разработке учебно-методического пособия к дипломному и курсовому проектированию «Расчет и проектирование систем солнечного теплоснабжения жилых и общественных зданий», которое входит в программу учебного процесса при подготовке магистров на кафедре Прикладной экологии и охраны труда в Севастопольском национальном техническом университете (справка № 01/1041 15.09.2013 г).

Личный вклад автора. Диссертация является самостоятельно выполненной научной работой. Научные результаты, выводы, рекомендации и предложения сформулированы автором самостоятельно.

Автором изучен и обработан ретроспективный материал, карты функционального зонирования и геохимического загрязнения населенных ' пунктов, с 2007-2012 гг. выполнены экологические исследования антропогенного воздействия теплогенерирующих объектов на окружающую среду, было отобрано 79 проб почв и техногенных отложений, 30 проб воды, 108 проб атмосферного воздуха, аналитические исследования отобранных проб проводились по утвержденным Методикам в аттестованных лабораториях | г. Севастополь и г. Симферополь, натурные исследования тепловых параметров сезонной аккумулирующей гелиостанции на территории Балаклавского района г. Севастополь. Для проверки предлагаемых технический решений автором I разработан специальный экспериментальный стенд, на котором выполнено исследование температурного режима во всех основных точках модели гелиостанции. Вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, конкретизирован в списке публикаций.

Апробация результатов работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы представлены и обсуждены

на 9 конференциях: Международная научно-техническая конференция «Энергомашиностроение» (г. Севастополь, 2006 г.); XI Всеукраинская научно-техническая конференция «Проблемы охраны труда и техногенно-экологической безопасности» (г. Севастополь, 2006 г.); Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых (г. Севастополь, 2008 г.); 1-я всеукраинская конференции молодых ученых, аспирантов, магистрантов и студентов (г. Севастополь, 2008 г.); Международная конференция «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Россия, г. Санкт-Петербург, 2011г.); Международная научно-техническая конференция «Возобновляемая энергетика XXI столетия» (пгт. Николаевка, 2011 г., 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ. Из них 8 (1 - личная) в специализированных изданиях, 1 - в зарубежных сборниках трудов, 7 (2 - личные) в материалах конференций. Общий объем - 3,9 п. л., из них лично автору принадлежит 2,6 п. л.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов изложенных на 150 странице печатного текста, в том числе 24 таблицы и 39 рисунков. Список использованных источников состоит из 158 наименований и представлен на 15 страницах, 8 приложений на 12 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи, объект, предмет и методы исследования, связь работы с государственными научными направлениями. Раскрыта научная новизна и практическое значение полученных результатов, их апробация, приведены публикации автора, структура и объем диссертации.

В первом разделе выполнен аналитический обзор проблем загрязнения окружающей среды при эксплуатации одного из элементов городского хозяйства - теплогенерирующих объектов, выявлены особенности техногенного загрязнения от теплогенерирующих установок и исследованы условия формирования экологического состояния территорий с учетом объектов, которые возникают в результате антропогенного потребления ресурсов (карьеры, отвалы и др.). Обзор современных подходов к исследованию антропогенного воздействия теплогенерирующих объектов на состояние окружающей среды позволил уточнить классификацию факторов, определяющих влияние теплогенерирующих объектов на состояние окружающей среды.

Исследования теоретических основ влияния загрязняющих веществ при сжигании органического топлива в системах традиционного теплоснабжения на окружающую среду, позволили обобщить проблемы улучшения экологического состояния воздушного бассейна, выявить качественный состав выбрасываемых загрязняющих веществ и обосновать возможность снижения их влияния при использовании в качестве источника теплоснабжения энергоэффективных теплогенерирующих объектов на базе возобновляемых источников энергии с целью модернизации существующей системы централизованного отопления, с частичной реорганизацией существующей структуры и применением

принципиально новых, экологичных проектных решений, основанных на альтернативных экологически безопасных источниках энергии. Исследование антропогенного воздействия теплогенерирующих объектов на окружающую среду позволило систематизировать источники выбросов загрязняющих веществ при традиционном теплоснабжении населенных пунктов - это теплогенерирующие установки малой мощности имеющие в составе продуктов сгорания СО, N0*, БСЬ, СН4, летучую золу, ПАУ и тяжелые металлы (при сжигании угля и мазута), канцерогенные вещества. Дополнительным источником воздействия на окружающую среду городов являются антропогенно нарушенные ландшафты - нерекультивированные карьеры, в зоне расположения которых формируются эрозионные и оползневые процессы, изменение микрорельефа, обрушение склонов, истощение плодородного слоя, нарушается гидрологический режим подземных вод и малых рек, загрязнение атмосферного воздуха и угнетение растительности. При анализе изменений, возникающих в компонентах природной и техногенной сред при эксплуатации традиционных теплогенерирующих объектов (рис. 1), были выявлены и комплексно учтены природно-ресурсные и антропогенные факторы, объединяющие технико-технологические, эколого-технологические и эколого-мотивационные факторы, на основе которых, определены направления развития экологически безопасных энергоэффективных теплогенерирующих объектов.

Рис. 1. Классификация факторов, формирующих экологическое состояние территорий населенных пунктов при теплоснабжении

В соответствии с выделенными факторами был конкретизирован предмет исследования — научное обоснование экологически безопасных энергоэффективных технических решений теплогенерирующего объекта по аккумулированию солнечной энергии в рекультивируемых карьерах при теплоснабжении городского хозяйства.

Во втором разделе проанализированы современные методологические и методические подходы к исследованию антропогенного воздействия объектов теплоэнергетики на окружающую среду, которые позволили сформировать методическую основу для выявления экологического состояния территорий, определить подход к исследованию параметров экологически безопасного источника теплоснабжения на основе использования возобновляемых источников энергии. Исследование параметров экологически безопасного теплогенерирующего объекта выполнено на базе разработанной экспериментальной установки, что позволило усовершенствовать методику расчета параметров процесса аккумулирования солнечной энергии на основе рекультивируемого карьера.

Сложившийся современный комплекс теплогенерирующих объектов, использующих органическое топливо, присутствие нарушенных ландшафтов с наличием отработанных карьеров, определили выбор Балаклавского района г. Севастополь в качестве объекта исследования для разработки экологически безопасного источника теплоснабжения с использованием возобновляемых источников энергии с целью снижения антропогенного воздействия систем теплоснабжения городского хозяйства. На исследованной территории нерешенной остается проблема рекультивации карьеров Балаклавского рудоуправления. Один из карьеров — Кадыковский, имеет дно площадью 44 500 м2, глубину 180 м и его общий объем составляет 2 200 000 м3, который по оценкам специалистов и результатам исследований автора является наиболее перспективным для создания экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта - гелиостанции с тепловым аккумулятором для теплоснабжения населенных пунктов.

В третьем разделе выполнены экологические исследования территории Балаклавского района г. Севастополь: отбор и анализ проб атмосферного воздуха, почв, техногенных отложений выявил загрязнения компонентов природной среды в зоне размещения котельных и отработанного Кадыковского карьера в виде превышения содержания оксидов углерода и азота, сернистого ангидрида, золы, нефтепродуктов, свинца, цинка, меди, пыли. Анализ научных работ и систематизация результатов натурных исследований позволили уточнить количество поступающей прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации на территорию Балаклавского района г. Севастополь с учетом геоморфологических и климатических особенностей исследуемой территории. Общая годовая солнечная радиация составляет 1094 кВтм2/год на территории отработанного Кадыковского карьера, что соответствует самым высоким значениям поступающей солнечной радиации в Севастопольском регионе. На основе теоретического анализа модели солнечного соляного пруда разработан

методический подход к исследованию параметров экологически безопасного источника теплоснабжения и разработке тепловой схемы гелиостанции: отработанный карьер рассматривается как тепловой аккумулятор, выполненный по типу солнечного пруда, что позволило выполнить исследование динамики градиента температур солевого раствора в заполненном объеме модели аккумулятора при его зарядке посредством солнечного коллектора и разработать математические модели процесса теплопередачи в системе «солнечный коллектор — теплообменник - солевой емкостной аккумулятор».

Бассейн отработанного карьера рассмотрен как тепловой аккумулятор, в котором могут протекать одновременно два процесса: экзотермический С[—>С2 со скоростью VI и теплотой И, и эндотермический С2—>С3 со скоростью у2 и теплотой И2. Эти процессы приводят к изменению температуры воды и солевого раствора бассейна карьера. На температуру оказывают влияние солнечная радиация, температура грунта, окружающего бассейн, которые относятся к естественным источникам тепла, а так же плоские солнечные и фокусирующие коллекторы.

В общем виде математическая модель, определяющая режим естественной циркуляции в коллекторе с гидродинамическим контуром, имеет вид:

p(T^)gLsma + —^ У 1 +0.63 иу и 1 = с! с1

(1)

>Ж1п(ТЛ Чр(г2) к '

т2 = т1 +

2 ак{Р(?) 4Я£

с<1яси

где: J = р(Т)и - плотность потока жидкости; К - градиент температуры; Ь -длина контура гидравлического участка, м; р(Т) = р(Т)и(Т) - коэффициент

кинетической вязкости; Т - температура в опускной трубе, °С; й - диаметр трубы коллектора, м; Р0 - поглощённый жидкостью поток энергии, Вт/м2; -температура на входе в коллектор, °С; Тг-температура на выходе из трубы, °С.

Математическая модель дает возможность определить поток жидкости в трубе коллектора и поток энергии, переносимый в тепловой аккумулятор (ТА). В представленной системе ТА наблюдается увеличение скорости циркуляции жидкости с увеличением температуры. Это увеличение скорости приводит к уменьшению приращения температуры в трубе коллектора, которое при температуре больше 36°С составляет 2,5-3°С. При увеличении поглощенного потока тепла Р0 и температуры скорость потока жидкости в трубе. При повышении температуры на 10°С скорость потока возрастает на 22%.

Автором исследованы тепловые процессы в элементах гелиостанции и сезонного аккумулятора и разработана модель потерь в окружающую среду, связанных с передачей тепла от солнечного коллектора к змеевику и далее солевому раствору в течение суток. Тепловые потери определены на основании

разработанного алгоритма расчета температур на границе раздела фаз. Количество тепла, которое необходимо аккумулировать, определяется уравнением:

К к

Q = (п -х EN + п -х ENVn . (2)

V от от ' отж гее гес ' гвек У «ст V /

К=1 К=1

где: Nollc и N^, - установленная тепловая мощность К-й котельной, МВт (К — количество котельных); г|ст — средний коэффициент сохранения тепла в системе теплоснабжения; пот и п„с - отопительный период и количество суток подачи горячей в году соответственно, сут.; тот и тгес —время работы в течение суток.

В качестве аккумулирующего материала для Кадыковского карьера предлагается использовать солевой раствор, состоящий из трех слоев: верхний слой — морская вода Балаклавской бухты с соленостью S = 20%о, в среднем слое соленость изменяется от 20 до 150%о и нижний слой представляет собой перенасыщенный солевой раствор с соленостью от 150 до 260%о. За счет разной солености, плотности по толщине слоя и температуры будет подавляться естественная конфекция. Потеря тепла в нижнем слое будет происходить за счет термического сопротивления ограждающей конструкции (стенок) аккумулятора и дополнительно за счет теплопроводности слоев солевого раствора с различным уровнем концентрации. Толщина нижнего слоя определяется из условия обеспечения необходимого объема аккумулируемого тепла Q.

В рассматриваемой модели соленость и температура слоев изменяется в соответствии с линейным законом. Она связана с термическим сопротивлением слоев фаз, в пределах которых принимается S=const, которая для расчета принимается как полусумма концентраций на границах каждой из фаз. Для верхнего слоя S=const и равна 20%. Соответственно из этих условий, в границе фазы, принимается коэффициент теплопроводности X=const. В нижнем слое солевого раствора изменение температуры по его высоте происходит за счет естественной конвекции, возникающей в результате отдачи тепла змеевиковым теплообменником насыщенному солевому раствору. В рассматриваемой модели сделаны следующие допущения: tcl=t!Icl; tc2=tK2; tc3=tc4=tx3; толщина гидроизоляционного слоя принимается 5Г И =0,5 м; толщины слоев естественной изоляции по уровням карьера приняты: 5i; S2; 53; и соответственно для каждой толщины изоляции эквивалентные коэффициенты теплопроводности, т.е. для 5! - Хз], 5г — Хэ2, 53 - Хдз, толщина покрытия верхней изоляции 5т; для 5т — Толщины слоев жидкости 5фЬ 5ф2, 8ф3 принимаются из условия изменения средней концентрации солености: 5фЬ S=200%o; 5ф2, S=90%o; 5ф3, S=30%o. Таким образом, принимается, что фаза внутри заданного слоя однородна.

На основании выполненного анализа тепловой баланс сезонного аккумулятора описывается уравнением (3):

Г' 'я. \ ъ

-е-Д/, Fi +1 -^•ДЛ-F.

J ■Л 5. * * \ г У

+ [ Fm ■ iД^ + i(l-m а> А1к)

■¿г«-10"6. (3)

где: <ЗпотЛт — количество тепловых потерь в окружающую среду в сезонном аккумуляторе, в течение года, МДж; ХфЭ; Я^-, - эквивалентные коэффициенты

теплопроводности соответственно стенок карьера, соляного раствора, фаз и верхней изоляции, Вт/м-К; 5i - принимаемая (по конструктивным соображениям) толщина стенок карьера по его высоте, м; 5ф — принимаемая толщина слоев фаз по высоте карьера, м; 5га - толщина слоев материала верхней изоляции, м; ак — коэффициент теплоотдачи от наружной стенки верхней изоляции к воздуху, Вт/м2; Fj, Рф, Fm - поверхность карьера омываемая аккумулирующей средой; поверхность фаз, поверхность верхней изоляции, м2 ; At; - перепад температур стенки на каждом i-ом уровне слоя, °С; Д1ф - перепад температур на слое каждой фазы, °С; At™ - перепад температур на каждом слое изоляции, °С; AtK - температурный перепад между температурой наружной поверхности верхней изоляции и окружающим воздухом, °С; тк - время работы аккумулятора по сезонам, ч. Индекс к указывает на календарное время работы аккумулятора в принятом сезоне.

На основании выполненных исследований определены потери аккумулируемого тепла в окружающую среду, ■ которые составляют 29,52 кДж/м2-ч равной 3,43% дневной производительности вакуумного трубчатого коллектора. Данные потери являются приемлемыми при оценке расчетной поверхности гелиополя в процессе разработки экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта на основе отработанных карьеров. Автором на основании проведенных исследований подтверждено, что гелиостанция с аккумулятором тепла в карьере должна иметь каскадную систему, в которой в первом каскаде находятся плоские солнечные коллектора; во втором - фокусирующие, позволяющие достичь температуры более 100°С в нижнем слое солевого раствора. Тепловая схема аккумулятора на основе сохранения солнечной энергии в солевом растворе, заполняющего объем отработанного карьера, является одним из способов снижения воздействия традиционных теплогенерирующих объектов на окружающую среду и экологически безопасным способом рекультивации отработанных карьеров.

В четвертом разделе разработан алгоритм и выполнен расчет аккумулирования солнечной энергии в рекультивируемом карьере на основе натурных исследований параметров элементов системы солнечного теплоснабжения на базе разработанной экспериментальной установки для целей обоснования технического решения экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта.

Для подтверждения разработанной математической модели была разработана экспериментальная модель системы «гелиоколлектор - двухфазный солевой аккумулятор» с использованием теории подобия и следующих условий: геометрического подобия модели и объекта; подобия физических величин, влияющих на процесс; временного подобия зарядки аккумулятора; подобия процесса теплопередачи. Геометрическое подобие заключалось в соблюдении констант инвариантов подобия, которые отражают основные геометрические параметры объекта и модели.

Подобие физических величин достигнуто соотношением плотностей,

— = — = const гДе Pi, р2, р{, р'2 ~ плотности двухфазного солевого раствора на Pi Рг

границе раздела фаз модели и объекта соответственно.

Указанные соотношения контролируются путем изменения солености слоев. В качестве критерия временного подобия принята динамика измерения температуры нижнего слоя солевого раствора в течение п=20 дней, т.е. At At' . .

— =-, где At, At - приращение температуры нижнего слоя.

п п

Подобие процесса теплопередачи принято в соотношениях:

KF3Ai KF'~Kt F, F' А А'

—-— = —т— = —- = —?- = const; — = — = const,

т„с «„с ™„с «„с F3

где: F3, F'r площади теплообменной поверхности, находящейся в нижнем слое солевого раствора модели и объекта соответственно; тнх, тнс - масса аккумулирующего материала в нижнем слое солевого раствора модели и объекта соответственно; А, А' — поверхность солнечных коллекторов модели и объекта соответственно; К - коэффициент теплопередачи; At — коэффициент температурного напора. Принимается, что К и At тождественно равны на модели и объекте исследования.

Исходя из принятых условий подобия тепловых процессов, была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, в которой:

Н Н' Н h. p. F А

—L = — = idem ; — = idem; — = idem; — = const;-= const; — = const.

к И b H рг тнс F

Относительная погрешность косвенных измерений количества накапливаемой теплоты аккумулятора составила е^ = 3,83%, что подтверждает правильность выбранных средств измерения и методики обработки экспериментальных данных. Результаты экспериментов и расчетов показывают, что с применением каскадной гелиостанции с поверхностью 2 м2 в течение 7 часов светового дня возможно нагреть солевой раствор объемом 35,5 литров с 20°С до 100°С.

В рамках обоснованного методического подхода к исследованию экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта на основании разработанных физической модели сезонного аккумулятора и математической модели тепловых потерь в окружающую среду возможно обосновать параметры технического решения энергоэффективного теплогенерирующего объекта как способа рекультивации отработанного карьера с целью повышения уровня экологической безопасности в регионе.

В пятом разделе обоснована целесообразность внедрения технического решения экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта на основе усовершенствованных структурно-функциональной и тепловой схем в рекультивируемом карьере и методический подход к оценке суммы предотвращенного экологического ущерба от загрязнения атмосферного воздуха при использовании для отопления экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта.

По результатам выполненных теоретических, натурных и экспериментальных исследований в климатических условиях Балаклавского района г. Севастополь по определению параметров для создания экологически

безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта, в котором солнечная энергия преобразуется в тепловую и накаливается в сезонном аккумуляторе на примере Кадыковского карьера автором разработана методика расчета тепловой схемы системы солнечного теплоснабжения с учетом рекультируемого карьера при обосновании параметров технического решения (рис. 2).

а)

Рис. 2. Техническое решение экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта: а) схема поперечного разреза сезонного аккумулятора солнечной энергии; б) тепловой баланс компонентов экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта: ПСК - плоский солнечный коллектор; СА - сезонный аккумулятор; МТ -магистральные трубопроводы; ТП - тепловой пункт; ФК - фокусирующий коллектор; ТО - теплообменник; 0-1 - система подогрева теплоносителя в ПСК (С>б); 1-2 - система подогрева теплоносителя в ФК (СЬ); 2-3 - система передачи тепла аккумулирующей жидкости через змеевик модульной установки (ОО; 3-4 — передача теплоты от системы аккумулирования в теплообменник (ТО) (СЬ); 45 - перенос теплоносителя в магистральных трубопроводах к тепловому пункту (Рг); 5-6 — подогрев рабочей среды в теплообменниках теплового пункта (С),).

При разработке технического решения потребляемая мощность тепловой энергии определена по суммарной установленной мощности котельных,

обеспечивающих отопление и горячее водоснабжение в Балаклавском районе -составляет 25 МВт. Для определения величины гелиополя, необходимого для производства, аккумулирования тепловой энергии, пополнения потерь в процессе передачи в тепловые пункты, оценены потери во всех звеньях системы гелиостанции. Исходя из мощности котельных и коэффициентов сохранения тепла, разработана тепловая схема экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта: расчетные тепловые потоки и их температурные уровни, которые вначале генерируются в гелиополе, а затем аккумулируются в сезонном аккумуляторе и передаются к потребителю, отражаются на осях X (С?) и У (Т).

Создание гелиостанции в отработанном карьере позволяет решить актуальную задачу экологической безопасности территории - предотвратить эколого-экономический ущерб за счет снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при экономии топливо-энергетических ресурсов. При оценке экономического эффекта от модернизации существующей системы теплоснабжения необходимо учитывать две составляющие: экономический эффект от внедрения системы солнечного теплоснабжения для отопления (Э0) и для горячего водоснабжения (Эгас).

Автором с учетом технических и температурных параметров системы теплоснабжения Балаклавского района выполнен расчет коэффициента замещения углеводородного топлива при сезонном аккумулировании солнечной энергии для отопления аим1 = 0,85, для горячего водоснабжения азам2 = 1 с учетом невозможности полностью отказаться от использования углеводородного топлива в отоплении населенного пункта из-за потерь температуры носителя в системе. Расчет экономического эффекта от внедрения экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта с учетом предотвращенного экологического ущерба от загрязнения воздуха определяется по формуле:

Э = *за„&£г№+ТотЦт), (4)

г=I <=1 ;=1

где: Э — суммарный экономический эффект, получаемый при замещении углеводородного топлива тепловой энергией солнца с учетом предотвращенного экологического ущерба при снижении выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух и соответственно потребляемого топлива всеми котельными Балаклавского района, грн/год;

£ X у М ~ учитывает сумму платежей за выбросы от у-ой котельной 1-ых ' ' загрязнителей (грн.);

азам - коэффициент замещения углеводородного топлива, для отопления -озаМ1 = 0,85, для горячего водоснабжения азам2 =1;

Ев Ц ~ учитывает сумму экономии средств на топливо на]-ой котельной;

т т

У; — стоимость выбрасываемого в атмосферу ¡-го загрязняющего вещества, грн./год;

М; — масса выбрасываемого загрязнителя в атмосферу, т.

За счет снижения выбросов загрязняющих веществ и изменения потребления топлива экономический эффект, получаемый при замещении углеводородного топлива тепловой энергией солнца с учетом предотвращенного экологического ущерба при снижении выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух и потребленного топлива всеми котельными Балаклавского района по расчетам в ценах 2012 - 2013гг. составил 29 365 617 грн./год.

Реализация разработанного автором технического решения экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта на основе использования пространства рекультивируемого карьера для сезонного аккумулирования солнечной энергии позволит организовать централизованную систему экологически безопасного альтернативного теплоснабжения вместо традиционных теплогенерирующих объектов, снизить антропогенное воздействие систем традиционного теплоснабжения, снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух, что позволит повысить уровень экологической безопасности региона.

ВЫВОДЫ

В диссертации решена задача развития теоретических основ обоснования параметров технического решения экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта на основе рекультивируемого карьера.

1. На основании обобщения и анализа изученности проблем антропогенного влияния традиционного теплоснабжения на состояние окружающей среды получила дальнейшее развитие классификация факторов, определяющих влияние теплогенерирующих объектов, в которой в отличие от существующих, комплексно учитываются природно-ресурсные факторы (изьятие минеральных, водных и земельных ресурсов и внесение продуктов сгорания, сточных вод, шлаков и др.) и антропогенные, объединяющие технико-технологические (повышение качества традиционного топлива, организационные и др.) и эколого-технологические (установка пыле- и газоочистного оборудования и др.) и эколого-мотивационные факторы (развитие альтернативных ресурсосберегающих энергоэффективных объектов), на основе которых определены направления развития экологически безопасных энергоэффективных теплогенерирующих объектов;

2. Основываясь на результатах исследования существующих методических подходов и методов антропогенного воздействия объектов теплоэнергетики на окружающую среду уточнен методический подход к исследованию параметров экологически безопасного теплогенерирующего объекта, который позволил разработать математическую модель теплогенерирующего объекта (сезонного аккумулирования солнечной энергии); выполнить исследование динамики градиента температур солевого раствора в заполненном объеме модели аккумулятора при его зарядке посредством плоского солнечного коллектора; и разработать математические модели процесса теплопередачи в системе «солнечный коллектор - теплообменник — солевой емкостной аккумулятор» в рекультивируемом карьере.

3. На основании натурных и экспериментальных исследований

подтверждено, что климатические условия благоприятны для использования гелиосистем на всей территории Севастопольского региона, что позволило с учетом модели тепловых потерь в окружающую среду, разработать математическую модель теплогенерирующего объекта, создаваемого при рекультивации карьеров на основе теории «солнечного соляного пруда» -аккумулятора солнечной энергии в солевом растворе, который заполняет свободный объем отработанного карьера, обеспечивающего экологическую безопасность и энергоэффективность объектов системы теплоснабжения городского хозяйства.

4. На основании натурных исследований, выполненных на разработанной экспериментальной установке определены параметры тепловых процессов в сезонном аккумуляторе (расход воды, протекающей через систему; температуру воды на входе и выходе из коллектора; температура солевого раствора на дне ванны - аккумулятора; солнечная радиация, измеренная в плоскости коллектора; скорость движения воздуха у поверхности коллектора; температура воздуха), что позволило обосновать параметры технического решения по внедрению экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта на базе рекультивируемого карьера.

5. Усовершенствованы схемы технического решения теплогенерирующего объекта в рекультивируемом карьере: структурно-функциональная (имеет террасную структуру, гидроизолирующий слой стенок и дна и несколько слоев с различной соленостью для подавления тепловой конвекции и аккумулирования тепла, в верхней части которой размещены модули гелиополя из плоских и фокусирующих гелиоколлекторов) и тепловая (позволяющая рассчитать перемещения тепловых потоков между компонентами, которые вначале генерируются в гелиополе затем аккумулируются в сезонном аккумуляторе и передаются к потребителю).

6. Усовершенствован методический подход к оценке экономического эффекта от внедрения экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта с учетом предотвращенного экологического ущерба от снижения загрязнения атмосферного воздуха, который позволяет определить суммарный экономический эффект, получаемый при использовании для теплоснабжении экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта при рекультивации карьера (по расчету в ценах 2012-2013гг. составил 29 365617грн./год). Разработанные параметры технического решения экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта позволяют обосновать получение тепловой энергии и снижение ущерба окружающей среде за счет рекультивации отработанного карьера для обеспечения экологической безопасности в регионе.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в специализированных изданиях:

1. Буркова Е.В. Оценка возможности сезонного аккумулирования солнечной энергии в выработанных карьерах / В.В. Макаров, Е.В. Буркова // Вщновлювана енергетика. - 2008. — №3 (14) - С. 38-41 .Личный вклад автора: обоснована возможность создания сезонного аккумулятора солнечной энергии мощностью до 25 МВт на основе выработанных карьеров.

2. Буркова Е.В. Методика расчета тепловой схемы гелиостанции с использованием сезонных аккумуляторов / В.В. Макаров, Е.В. Буркова // Вщновлювана енергетика. - 2009. - №1 (16) - С. 36-40. Личный вклад автора: разработана структурно-функциональная схема тепловой гелиостанции с использованием сезонного аккумулятора на основе отработанного карьера.

3. Буркова Е.В. Исследования параметров солнечного коллектора, интегрированного в модель сезонного аккумулятора / Е.В. Буркова, В.В. Макаров // Вщновлювана енергетика. - 2010. - №2 (21) - С. 23-27. Личный вклад автора: определены параметры солнечного коллектора в процессе натурного эксперимента в климатических условиях Севастопольского региона.

4. Буркова Е.В. Исследование тепловых потерь и распределение температур на модели аккумулятора солнечной энергии в естественных условиях / В.В. Макаров, Е.В. Буркова, Д.В. Бурков II Вщновлювана енергетика.

— 2011. — №3 (26) — С. 32-36. Личный вклад автора: проанализировано распределение температур и определены тепловые потери для модели аккумулятора тепловой энергии с солевым раствором.

5. Буркова Е.В. Экологическая рекультивация отработанных карьеров путем создания тепловых гелиостанций / В.В. Макаров, Е.В. Буркова, Д.В. Бурков // Альтернативная энергетика и экология. - 2013. - №3 (121) - С. 61-65. Личный вклад автора: проведен расчет предотвращенного эколого-экономического ущерба при внедрении сезонных аккумуляторов теплоты.

6. Буркова Е.В. Система сезонного аккумулирования солнечной энергии в выработанных карьерах / В.В. Макаров, Е.В. Буркова // Вестник СевГТУ: механика, энергетика, экология: сб. научн. трудов. — Севастополь, 2009. - № 97.

- С. 201-203. Личный вклад автора: предложена структурно-функциональная схема сезонного аккумулятора теплоты на примере Кадыковского карьера. Оценены затраты, проведена экологическая оценка проекта.

7. Буркова Е.В. Экспериментальные исследования температурных параметров на модели «гелиостанция - аккумулятор» / Е.В. Буркова // Вестник СевНТУ: механика, энергетика, экология: сб. научн. трудов. - Севастополь, 2012.-№ 132,- С. 185-189.

8. Буркова Е. Принципы создания сезонных аккумуляторов солнечной энергии в выработанных карьерах / Владимир Макаров, Елена Буркова // Конструкторско-технологические аспекты информатики в промышленности. — Lublin: Lubelskie Towarzystwo Naukowe, 2009. - С. 35-43. Личный вклад автора: обоснована возможность создания сезонного аккумулятора солнечной энергии на основе выработанных карьеров с целью решения экологических проблем.

Материалы, тезисы конференций

9. Буркова Е.В. Оценка возможности сезонного аккумулирования солнечной энергии в отработанных карьерах / В.В. Макаров, Е.В. Буркова // Естественные и антропогенные аэрозоли: 7-я междунар. конф., 28 сентября - 2 октября 2010 г.: Сб. трудов. - Санкт-Петербург, 2011. - С. 535-541. Личный вклад автора: предложена изоляция стенок и дна отработанного карьера, для исключения просачивания раствора в прилегающие слои почвы.

10. Буркова Е.В. К вопросу снижения потребления природного газа за счет гелиотеплоэнергетической станции / В.В. Макаров, Е.В. Буркова // Энергомашиностроение: мат-лы межд. науч.-техн. конф., 17-20 мая 2006 г. /

Севастополь, СевНТУ. - 2006. - С. 39-40. Личный вклад автора: проведен расчет расхода природного газа в отопительный сезон и снижение загрязнения атмосферы с учетом изменения' пЬтребления природного газа.

11. Буркова Е.В. Создание автоматизированной гелиоаккумулирующей станции для теплоснабжения / В.В. Макаров, Е.В. Буркова // Автоматизация: проблемы, идеи, решения: мат-лы межд. науч.-техн. конф., 12-17 сентября 2006 г. / Севастополь, СевНТУ. - 2006. - С. 38-39. Личный вклад автора: проведен анализ применения гелиостанции для теплоснабжения.

12. Буркова Е.В. Создание экологически - безопасных тепловых гелиостанций в карьерах / В.В. Макаров, Е.В. Буркова // Проблемы охраны труда и техногенно-экологической безопасности: мат-лы XI всенарод. науч.-техн. конф., 5-9 октября 2006 г. / Севастополь, СевНТУ, 2006. - С. 10-11. Личный вклад автора: обоснована идея гелитеплостанции на базе карьера с целью снижения вредного воздействия на экосистему приморских городов.

13. Буркова Е.В. Использование отработанных карьеров с целью создания гелтоаккумулирующей станции / Е.В. Буркова, В.В. Макаров // Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта: мат-лы конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 12-16 мая 2008 г. / Севастополь — СевНТУ, 2008. — С. 162-163. Личный вклад автора: собраны и проанализированы данные по солнечной радиации в ясные дни на горизонтальной поверхности для г. Севастополя.

14. Буркова Е.В. Создание экологически чистых тепловых гелиостанций в карьерах / Е.В. Буркова // Биосфера XXI века: мат-лы I всеукр. конф. молодых ученых, аспирантов магистрантов и студентов, 12-15 февраля 2008 г. / Севастополь СевНТУ. - 2008. - С. 85-87.

15. Буркова Е.В. Исследование тепловых потерь и распределение температур на модели аккумулятора солнечной энергии в естественных условиях / В.В. Макаров, Е.В. Буркова // Вщновлювана енергетика XXI столггтя: Матер ¡ал и ХН-й м1жнар. конф., 12-16 вересня 2011р. - Крим, 2011. - С. 236-238. Личный вклад: разработана схема тепловых потерь от аккумулятора тепла.

16. Буркова Е.В. Тепловые характеристики системы «гелиоколлектор -двухфазный солевой аккумулятор» в климатических условиях Севастопольского региона / Е.В. Буркова // Вщновлювана енергетика XXI стагиття: Матер1али ХШ-й \«жнар. конф., 10-14 вересня 2012 р. - Крим, 2012. - С. 262-266.

АННОТАЦИЯ

Буркова Е.В. Обоснование параметров экологически безопасных, энергоэффективных, теплогенерирующих объектов при рекультивации карьеров. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.19 — экологическая безопасность строительства и городского хозяйства. — Национальная академия природоохранного и курортного строительства МОН России, Симферополь, 2014.

Диссертация посвящена вопросам снижения антропогенного воздействия систем теплоснабжения городского хозяйства на основе реализации экологически безопасных технических решений энергоэффективных теплогенерирующих объектов при рекультивации отработанных карьеров

Получила дальнейшее развитие классификация факторов, определяющих влияние теплогенерирующих объектов, в которой в отличие от существующих, комплексно учитываются природно-ресурсные факторы (изъятие минеральных, водных и земельных ресурсов и внесение продуктов горенья, сточных вод, шлаков и др.) и антропогенные, объединяющие технико-технологические (повышение качества традиционного топлива, организационные и др.) и эколого-технологические (установка пыле- и газоочистного оборудования и др.) и эколого-мотивационные факторы (развитие альтернативных ресурсосберегающих энергоэффективных объектов), на основе которых определены направления развития экологически безопасных энергоэффективных теплогенерирующих объектов;

Уточнен методический подход к исследованию параметров экологически безопасного теплогенерирующего объекта, который позволил разработать математическую модель теплогенерирующего объекта (сезонного аккумулирования солнечной энергии); выполнить исследование динамики градиента температур солевого раствора в заполненном объеме модели аккумулятора при его зарядке посредством плоского солнечного коллектора; и разработать математические модели процесса теплопередачи в системе «солнечный коллектор - теплообменник — солевой емкостной аккумулятор» в рекультивируемом карьере. Разработана математическая модель теплогенерирующего объекта, создаваемого при рекультивации карьеров на основе теории «солнечного соляного пруда» - аккумулятора солнечной энергии в солевом растворе, который заполняет свободный объем отработанного карьера, обеспечивающего экологическую безопасность и энергоэффективность объектов системы теплоснабжения городского хозяйства. Усовершенствованы структурно-функциональная схема, которая имеет террасную структуру, гидроизолирующий слой стенок и дна и несколько слоев с различной соленостью для подавления тепловой конвекции и аккумулирования тепла, в верхней части которой размещены модули гелиополя из плоских и фокусирующих гелиоколлекторов; и тепловая схемы технического решения теплогенерирующего объекта, представляющая расчет перемещения тепловых потоков между компонентами, которые вначале генерируются в гелиополе, затем аккумулируются в сезонном аккумуляторе и передаются потребителю.

Усовершенствован методический подход к оценке экономического эффекта от внедрения экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта с учетом предотвращенного экологического ущерба от снижения загрязнения атмосферного воздуха в системе традиционного теплоснабжения при рекультивации отработанного карьера. Разработанное техническое решение позволяет получить объемы тепловой энергии при экономии углеводородного топлива, снизить воздействие на окружающую среду за счет рекультивации отработанного карьера и эксплуатации экологически безопасного энергоэффективного теплогенерирующего объекта в сравнении с традиционными устройствами сжигания органического топлива, что повышает уровень экологической безопасности в регионе.

Ключевые слова: экологическое состояние, энергоэффективность,

экологическая безопасность, теплогенерирующий объект, технические решения, карьер, соляной пруд, рекультивация карьеров, гелиоколлектор.

АНОТАЦ1Я

Буркова О.В. Обгрунтування параметр1в еколопчно безпечних, енергоефективних, теплогенеруючих об'екпв при рекулътивацп кар'ер1в. — Рукопис.

Дисертащя на здобутгя наукового ступеня кандидата техшчних наук за спещальшстю 05.23.19 - еколопчна безпека бущвництва 1 мкького господарства - Нацюнальна академш природоохоронного та курортного буд!вництва МОН Роен, Симферополь, 2014.

Дисертащя присвячена питаниям зниження антропогенного впливу систем теплопостачання мкького господарства на основ1 реалшщ? еколопчно безпечних техшчних р1шень енергоефективних теплогенеруючих об'етв при рекультиващ!' вщпрацьованих кар'ер1в

Отримала подальший розвиток класифжащя фактор1в, що визначають вплив теплогенеруючих об'екпв, в як1Й на В1дмшу вщ кнуючих, комплексно враховуються природно-ресурсш чинники I антропогешп, об'еднуюч1 техшко-технолопчш та еколого-технолопчш та еколого-мотивашйш чинники (розвиток альтернативних ресурсозбер1гаючих енергоефективних об'екпв), на основ1 яко"1 визначено напрями розвитку еколопчно безпечних енергоефективних теплогенеруючих об'сгпв. Уточнено методичний пщхщ до дослщження параметр1в еколопчно безпечного теплогенеруючого об'екту, який дозволив розробити математичну модель теплогенеруючого об'екту (сезонного акумулювання сонячноТ енергп) 1 розробити математичш модел! процесу теплопередача в систем! «сонячний колектор - теплообмшник - сольовий емшений акумулятор» в рекультивуемому кар'ерь

Удосконалено структурно-функщональну схему, яка мае терасну структуру, пдрензолгоючий шар стшок 1 дна, I кшька шар1в з р1зною солошстю для придушення теплово'1 конвекцп 1 акумулювання тепла; 1 теплову схему техшчного ршення теплогенеруючого об'екту, що представляе розрахунок перемщення теплових потокт м1ж компонентами.

Удосконалено методичний пщхщ до оцшки економ1чного ефекту вщ впровадження еколопчно безпечного енергоефективного теплогенеруючого об'екта при рекультиващ! вщпрацьованого кар'еру з урахуванням запоб'1гапня еколопчного збитку вщ зниження забруднення атмосферного повпря в систем! традицшного теплопостачання. Розроблене техшчне ршення дозволяе отримати значш обсяги тепловоТ енергп при економн вуглеводневого палива, знизити збиток навколишньому середовищу за рахунок рекультиващТ вщпрацьованого кар'еру та експлуатацн еколопчно безпечного енергоефективного теплогенеруючого об'екта в пор!внянш з традицшними джерелами, що пщвищуе р1вень еколопчжи безпеки в репош.

Ключовг слова-, еколопчний стан, енергоефектившеть, еколопчна безпека, теплогенеруючий об'ект, техшчш ршення, кар'ер, соляний ставок, рекультивац1я кар'ер1в, гелюколектор.

SUMMARY

Burkova E.V. Ground of parameters for environmentally safe energy-efficient heat-generating facilities in recultivation of pits. — Manuscript

Ph.D. thesis in Engineering Science by background 05.23.19 - ecological safety of building and municipal economy- National Academy of Environmental Protection and Resort Development of MES of Russian Federation, Simferopol, 2014.

Dissertation is devoted to improving the ecological condition of populated locality in the urban heating sector, to development of theoretical bases reasons for the technical decision for environmentally safe, energy-efficient, heat-generating facility based on recultivation of pits.

Classification of factors has gained further development that determine the heat-generating objects effect, in which unlike existing, natural and resource factors (withdrawal of mineral, water and land resources and introduction of products of burning, sewage, slags, etc.) and anthropogenous, uniting technical and technological (improvement of quality of traditional fuel, organizational, etc.) and environmental and technologic are in a complex considered (installation a heat - and the gas-purifying equipment, etc.) and environmentally oriented (development of alternative resource-saving power effective objects), on which the directions of the development of environmentally safe, energy-efficient, heat-generating facilities.

Methodical approach to research of parameters of ecologically safe heat-generating object which allowed to develop mathematical model of the heat-generating object (seasonal accumulation of solar energy) is specified; to execute research of dynamics of a gradient of temperatures of salt solution in the filled accumulator model volume at its charging by means of a flat solar collector; and to develop mathematical models of process of a heat transfer in system "a solar collector - the heat exchanger - salt capacitor the accumulator" in a recultivated pit.

The mathematical model of the heat-generating object is created at recultivation of pits on the basis of the theory of "a solar salt pond" - the accumulator of solar energy in salt solution which fills the free volume of the fulfilled pit ensuring environmentally safe and energy efficiency of objects of system of heat supply of municipal economy is developed.

The structurally functional scheme which has terrace structure, the waterproofing layer of walls and a bottom and some layers with various salinity for suppression of thermal convection and heat accumulation is improved; modules of Heliopolis from the flat and focusing solar collectors; and thermal schemes of a technical solution of the heat-generating object, representing calculation of movement of thermal streams between components which are generated in Heliopolis in the beginning, then accumulate in the seasonal accumulator and are transferred to the consumer are placed in its top part.Methodical approach to estimate the amount of damage prevention of air pollution by calculating the replacement rate of hydrocarbon fuels in traditional heating system, to determine reducing environmental damage if used for heating of environmentally safe energy-efficient heat-generating object is improved.

Developed technical solution allows to obtain significant amounts of thermal energy in the hydrocarbon fuel savings, reduce damage to the environment due to reclamation quarries and operation of environmentally safe energy-efficient heat generating facility compared to traditional sources, that increases the level of environmental safety in the region.

Keywords: ecological state, energy efficiency, environmental safety, heat generating facilities, technical solutions, pit, salt pond, recultivation of pits, solar collector.

Подписано к печати 10.10.2014 г. Формат 60 х 84 1/16. Усл. печ. л. 0,95. Заказ № 107 п. Тираж 100 экз. Напечатано с оригинал-макета в Издательстве ОАО «Форма» 295022, г. Симферополь, ул. Горького, 8.