автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Теоретические основы и технологии извлечения геотермальной энергии с использованием абсорбционных тепловых насосов

На правах рукописи

Г

Смирнов Станислав Сергеевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АБСОРБЦИОННЫХ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Специальность 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск, 2011

005004454

Работа выполнена на кафедре «Теплогазоснабжение и экспертиза недвижимости» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северо-Кавказский государственный технический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Стоянов Николай Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кураков Юрий Иванович

кандидат технических наук, ^оцгмТ Руденко Николай Николаевич

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» г. Краснодар

В 40:ОС

Защита диссертации состоится «16» декабря 2011 г. на заседании диссертационного Совета Д 212.304.08 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской обл., ГСП-1, ул. Просвещения, д. 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте ФГ БОУ ВПО ЮРГТУ www.npi-tu.ru

Автореферат разослан «14» ноября

Ученый секретарь диссертационного Совета Д.212.304.08

кандидат технических наук, доцент

2011 г.

Скубиенко С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы. Запасы основных видов органического топлива в недрах Земли ограниченны и Россия, не смотря на свои огромные запасы топлива, стоит, как и другие государства, перед задачей более экономного использования топлива и поиска альтернативных источников энергии. Использование возобновляемых источников энергии (геотермальной и солнечной) может позволить снизить расход топлива на 5-10%. В настоящее время можно считать, что целый ряд экономических и социальных факторов будут способствовать усилению интереса отдельных граждан, сельскохозяйственного, коммунально-бытового и курортно-оздоровительиого секторов народного хозяйства России к приобретению и эксплуатации агрегатов и установок, использующих возобновляемые источники энергии. Так же Федеральный закон Российской Федерации № 261-ФЗ 23 ноября 2009 года «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» определяет создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности.

Большинство технологий и технических средств, используемых для преобразования нетрадиционных возобновляемых видов энергии (ВИЭ), не оказывают вредного воздействия на окружающую среду и могут считаться экологически чистыми. Выработка энергии на базе этих источников позволяет замещать значительные количества дефицитного органического топлива, сократить объемы перевозок топлива в отдаленные регионы, исключить образование и негативное воздействие продуктов сгорания на среду обитания. В настоящее время многие виды ВИЭ уже конкурентоспособны на энергетическом рынке, особенно геотермальная энергетика.

Существенным недостатком использования термальных установок в различных практических целях является как их низкая удельная теплоироиз-водительность, так и сложный химический состав подземных вод (значение рН, степень минерализации, ионно-солевой и газовый состав и др.), затрудняющий непосредственное практическое использование. Отработанные термальные воды содержат часто высокие концентрации мышьяка, бора, различных металлов, это представляет важную проблему, связанную с природоохранными мероприятиями.

Кроме того, распределение гидротермальных источников не соответствует плотности населения, в связи с преимущественным расположением высокопотенциальных гидротермических источников в зонах высокой геологической активности. Транспортирование же низкопогенциапьной тепловой энергии па большие расстояния экономически не оправдано, что предполагает для окупаемости проекта выработку электроэнергии как наиболее мобильного источника энергии и развитие теплопотребляющей инфраструктуры вокруг источника (теплицы, зарыбленные водоемы, бальнеологические объек-

ты и жилые дома). Однако создание такой инфраструктуры требует значительных капитальных вложений.

Таким образом, проблема может быть также решена использованием петротермальной энергии.

Тематика диссертации удовлетворяет Федерально-целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» научно-исследовательские работы по лоту «Работы по проведению проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области энергетики и энергосбережения по критической технологии «Технологии новых и возобновляемых источников энергии».

Объект исследования. Петротермальная энергия. Геотермальная скважина и работа абсорбционного теплового насоса на геотермальной энергии для тепло- холодоснабжения объектов жилищно-коммунального хозяйства. Совместная работа в пиковых режимах с традиционными источниками энергии.

Изучаемые явления. Геотермальный потенциал скважин. Распределение температуры в грунтах скважины при извлечении геотермальной энергии. Абсорбционные тепловые насосы. Температурные режимы использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения. Совместная работа в пиковых режимах с традиционными источниками энергии.

Цель исследования. Эффективное извлечение геотермальной энергии с помощью абсорбционных тепловых насосов, внедрение которых внесет значительный вклад в развитие экономики страны.

Задачи исследования:

- анализ и оценка геотермического потенциала;

- разработка методов извлечения и использования низкопотенциального тепла геотермальной скважины для систем тепло- холодоснабжения;

- разработка математической модели извлечения геотермальной энергии;

- разработка методики расчета извлечения геотермальной энергии;

- разработка программ расчета извлечения геотермальной энергии;

- согласование режимов извлечения и использования геотермальной энергии;

- оценка экологической, энергетической и экономической эффективности извлечения и использования геотермальной энергии.

Научная новизна выполненной рабогы заключается и следующем:

- разработаны новые способы извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения; при извлечении пегротер-мальной энергии глубинных скважин;

- построена математическая модель извлечения геотермальной энергии глубинных земных пород, учитывающая нестационарность тепловых процессов в скважине;

- предложена новая методика расчета извлечения геотермальной энергии;

- предложена новая методика расчета использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения;

- теоретически обоснованна и разработана высокоэффективная конструкция теплогенератора для совместной работы в пиковых режимах.

Достоверность научных положений и полученных в работе результатов основана на корректности постановки задач исследования и принятых упрощающих допущений; подтверждается применением физически обоснованных математических моделей и подтверждением их адекватности данными других авторов, а также достаточно широкой публикацией результатов работы и их обсуждением на научных конференциях различного уровня.

Практическая значимость. Результаты научных исследований включены в отчет о научно-исследовательской работе по государственному контракту от 22 июня 2007 г. № 02.516.11.6059 «Технология извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло-холодоспабжения» Шифр «2007-6-1.6-13-02-016» (Акт внедрения).

Результаты исследования внедрены на предприятии ООО Фирма «Эко-логия-Термо» г. Ставрополь (конструкция разработанного высокоэффективного котла. Акт внедрения).

Результаты исследования используются в учебном процессе при подготовке специалистов в Северо-Кавказском государственном техническом университете по дисциплине «Использование вторичных энергоресурсов и возобновляемых источников энергии» у студентов специальности 270109.65 — Теплогазоснабжение и вентиляция (разработаны методические указания).

Эколого-социальная и экономическая эффективность. Эффективность работы определяется целым рядом технических, экономических и социально-экологических факторов.

Технические факторы определяются полученными характеристиками:

- температурой теплоносителя (не ниже 85 °С), позволяющей использовать тепло для систем тепло- холодоснабжения объектов жилищно-коммунального хозяйства;

- тепловой мощностью скважины (до 1,2 МВт при глубине до 3000 м), достаточной для тепло- холодоснабжения небольшого поселка.

Экономические факторы определяются единовременными капитальными затратами, эксплуатационными затратами и сроком окупаемости капитальных затрат.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на ежегодных научно-технических конференциях по результатам научно-исследовательской работы профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Северо-Кавказского государственного технического университета и региональных научно-технических конференциях

«Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону», международных научно-технических конференциях;

Работа проводилась по планам госбюджетных и хоздоговорных НИР Северо-Кавказского государственного технического университета.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

- способы извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения;

- математическая модель извлечения геотермальной энергии глубинных земных пород;

- новая методика расчета извлечения геотермальной энергии;

- новая методика расчета использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения.

- согласование режимов извлечения и использования геотермальной энергии.

Работу можно охарактеризовать, как комплекс научно-обоснованных техническо-экономических и технологических решений по совершенствованию технологии извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения, внедрение которой может внести значительный вклад в повышение энергоэффективности использования геотермальной энергии.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы и ее результатов полностью отражено в 9 публикациях: в журналах, рекомендуемых ВАК - 3, в том числе 1 патент, в центральном журнале - 1 статья; в других изданиях - 2 статьи; сделано 9 докладов на международных и Российских научно-технических конференциях различного уровня, по которым опубликованы материалы докладов.

Структура и объем работы: введение, 5 глав, заключение, список литературы из 105 наименований и приложения. Общий объем диссертационной работы 127 е., включая 3 таблиц и 16 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ъ<1 введении показана актуальность работы, научная новизна, практическая значимость диссертационной работы, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Глава 1. Анализ методов технико-экономической и экологической оценки излечения и использования геотермальной энергии

Теплоэнергетический комплекс РФ: состояние, влияние на окружающую среду и перспективы развития

Экономическое развитие России, как и других стран мира, в значительной степени зависит от выбора энергетической стратегии на ближайшие 30 -50 лет. Разработанная стратегия развития энергетики до 2020 года, к сожале-

пию, не учитывает в должной мере роль ВИЭ, что является серьезной ошибкой и способно привести в будущем к сдерживанию развития экономики страны.

В настоящее время наиболее используемыми в нашей энергетике являются мазут, газ и уголь. Рхли делать ставку на интенсификацию добычи угля для покрытия дефицита -топлива, то необходимо в 3 раза увеличить его объем производства, при этом выбросы вредных газов возрастут при выработке энергии в 10 раз по сравнению с использованием газа в качестве топлива. Газ, в свою очередь, в нашей стране сегодня стоит почти в 4 раза меньше, чем за рубежом. Поэтому, выгоднее продавать его по мировым ценам, а на вырученные средства покупать энергию.

Развитие атомной энергетики является стратегически важным, но требует решения множества проблем, в том числе по обеспечению безопасности, особенно в части утилизации отходов и ликвидации последствий аварий.

Таким образом, долгосрочная стратегия развития энергетики страны должна обеспечивать независимость от органического топлива и экологическую чистоту. Другими словами, ВИЭ в перспективе должны внести значительный вклад не только в региональную энергетику, но и стать определяющими в энергетическом балансе в целом.

Темпы развития альтернативных ВИЭ в развитых странах мира столь высоки, что к 2050 году они способны будут заместить до 70 % традиционного энергоснабжения.

На основе прогнозного анализа развития топливно-энергетического комплекса можег быть сделан вывод, что вопрос освоения ВИЭ становится в XXI веке определяющим во внешней политике, поскольку страны, освоившие ВИЭ, получат очевидные и значительные экологические и экономические преимущества. И можно считать развитие ВИЭ вопросом государственной безопасности.

Анализ методик оценки и районирования геотермальных ресурсов

Потенциальные геотермальные ресурсы характеризуют тепловой потенциал толщи пород на прогнозируемую глубину бурения до 10 км. Плотность распределения ресурсов определяется исходя из предпосылки, что массив можно охладить до температуры окружающей среды.

Петрогеотермальные ресурсы. Оценка и районирование

Прогнозные- петрогеотермальные технически доступные ресурсы геотермального теплоснабжения рассчитываются в двух режимах, определяемых потребителем: режим 70/20 °С - для горячего водоснабжения (ГВС) и 90/40 °С - для отопления.

Для обеспечения температуры теплоносителя, равной 90 °С, средняя температура массива должна быть не менее 100 °С, а заданная температура на верхней границе ресурсного интервала - не менее 50 °С.

Общие потенциальные ресурсы геотермальной характеризуют сырьевую базу геотермальной энергетики. Их общий тепловой потенциал эквивалентен 1 702 трлн. т у. г. Подсчитанные прогнозные, технически доступные ресурсы геотермальной энергии для нужд теплоснабжения 70/20 °С

составили 56,9 трлн. т у. т., в том числе для нужд отопления - 30,5 трлн. т у. т. Энергетический потенциал технически доступного, экономически целесообразного и экологически чистого альтернативного источника энергии для нужд теплоснабжения составляет 44,6 трлн. т у. т. (режим 70/20 °С), в том числе для отопления - 16,4 трлн. т у. т.

Анализ геотермических режимов и тепловых потоков земных недр

В пределах континентов А. А. Смысловым намечено несколько типов областей (блоков земной коры), в разной мере благоприятных для использования тепла Земли в практических целях (с учетом современного уровня технических средств):

1) малоперспективные (до глубины 3-5 км); со стационарным режимом, нормальным тепловым потоком (д < 60 мВт/м2) и геотермическим градиентом (я>~а(1 Т < 20 °С/км) (фундамент древних платформ, палеозойской складчатой области и др.); . .

2) ограниченно перспективные; охлаждающиеся блоки (д к 80 мВт/м2; £га(1Т> (20 ч- 30) °С/км) (области кайнозойского оледенения и др.);

3) перспективные; с эволюционным верхнекоровым разогревом осадочных отложений и заключенных в них подземных вод, температура которых на глубинах 1,5 - 2,5 км достигает 50 - 100 °С при весьма значительной площади их распространения (д = (40 ч- 60) мВт/м2; gradT > (20 ч- 30) °С/км ) (чехол молодых платформ и др.);

4) весьма перспективные; области с разогревом благодаря притоку глубинного тепла и его экранизации слабодитифицирозанными осадочными отложениями (д - (60 ч- 80) мВт/м2; '¿гас!Т > (30 ч- 50) °С/км) (рифтовые впадины, межгорные и краевые впадины в регионах с орогенным режимом и др.);

5) перспективные; разогревающиеся блоки без проявлений магматизма (д > 80 мВт; &ас1Т > (25 ч- 30) °С/км) в пределах рифтовых структур и современных орогенов;

6) наиболее перспективные; с современными проявлениями вулканизма и гидротермальной деятельности {д > 70 мВт/м2; %гас1Т= (25 ч- 90) °С/км).

Формулирование возможных направлений решения задачи

Исходя из выполненного анализа способов извлечения и использования геотермальной энергии (фонтанный, коллекторный, скважинный), определен наиболее предпочтительный. Технический результат достигается за счет того, что охлажденный теплоноситель подается в обсадную трубу, а нагретый -поднимается по концентрично опущенной в обсадную трубу трубе и передает тепло потребителю при помощи теплового насоса. Тепло у потребителя в теплый период используется для нужд холодоснабжения.

На рисунке 1 представлена схема устройства для извлечения тепла земных недр по предлагаемому способу.

гГ

^дгасИ

Рисунок 1 - Способ извлечения геотермального тепла:

1 - скважина с обсадной трубой; 2 - подъемная труба; 3 - тепловой насос; 4 - потребитель тепла; 5 - потребитель холода; ¿гай I - температурный градиент; £ - глубина скважины

Па рисунках 2 и 3 представлены функциональные схемы использования тепла земных недр для тепло- и холодоснабжения при помощи абсорбционного теплового насоса (АБТ'Н). Схемы включают в себя следующие элементы: геотермальную скважину (1); тепловой насос (2), включающий: генератор (Г), испаритель (И), конденсатор (Кд), абсорбер (Аб); теплообменник системы горячего водоснабжения (3); потребитель тепла (4'1; потребитель холода (5).

Для нужд теплоснабжения в холодный период (производственные нужды и коммунально-бытовые (отопление, вентиляция и горячее водоснабжение)) вода после подогревателя системы горячего водоснабжения (3) подается в испаритель (И) теплового насоса, а из него обратно в скважину (1), а нагрев воды для системы теплоснабжения (4) осуществляется в конденсаторе (Кд).

и <7,

С, и

С, Н

Аб

1

Кд

к-

Рисунок 2 - Схема использования геотермальной энергии с помочью теплового насоса в холодный период

Рисунок 3 - Схема использования геотермальной энерг ии с помочыо теплового насоса в теплый период

Для нужд теплоснабжения в теплый период (производственные нужды, коммунально-бытовые (горячее водоснабжение) и холодоснабжение) вода после подогревателя системы горячего водоснабжения (3) используется у потребителя (4), а затем подаегся в конденсатор (Кд) теплового насоса, а из пего обратно в скважину (1), а охлаждение воды для системы холодоснабжения (5) осуществляется в испарителе (И).

Существенной новизной технологической схемы является то, что для работы абсорбционного теплового насоса используется тепло скважины, т. е. не используются посторонние источники энергии (электроэнергия или газовый нагрев).

В результате анализа методов технико-экономической и экологической оценки извлечения и использования геотермальной энергии сделаны следующие основные выводы. С целью снижения потребления невозобновляе-мых источников энергии встает проблема вовлечения в хозяйственный оборот геотермальных источников. И здесь на первое место выходят проблемы повышения экологических и технико-экономических показателей извлечения и использования геотермальной энергии.

Известен ряд методов и отработанных технологий,, позволяющих обеспечить решение поставленных задач. При этом, как полагают специалисты, будущее принадлежит именно комбинированным комплексам, т. к. ни одна из технологий не позволяет в полной мере решить поставленные задачи.

На основе проведенного обзора в работе рассматриваются следующие вопросы:

- разработка математической модели извлечения геотермальной энергии;

- разработка новой методики расчета извлечения геотермальной энергии;

- разработка новой нрограмы расчета извлечения геотермальной энергии;

- согласование режимов извлечения и использования геотермальной энергии и исследование комбинированных методов теплоснабжения в пиковых режимах;

- оценка экологической, энергетической и экономической эффективности извлечения и использования геотермальной энергии.

Глава 2. Разработка общей методики проведения исследований

Анализ методик расчета температурного режима геотермальной скважины

Известно аналитическое решение уравнения теплопроводности полубесконечного массива грунта, включающего цилиндрическую стенку (скважину), с граничным условием первого рода на поверхности грунта с произвольным распределением температуры стенки для стационарного температурного поля. Решение получено на основе стационарного температурного поля, удовлетворяющего уравнению Лапласа в цилиндрической системе ко-

ординат, путем определения стационарною температурного поля грунта с заданным законом изменения температуры скважины но глубине в виде интеграла Лапласа. Решение данного интеграла представлено функциями Бесселя первого и второго рода. Найденное решение может быть использовано при определении температурного поля двух скважин с учетом их температурного взаимодействия.

Известны также методы расчета температуры циркуляционного потока, основанные на «квазистациопариом» теплообмене между затрубным потоком и окружающим массивом (Дж. Егер, И. Л. Чарпый и др.), которые предназначены для оценки температуры раствора с продолжительностью 1,3 - 2 цикла циркуляции, основанные на упрощенном графоаналитическом методе.

Для оценки тепловых возможностей скважин, основой для которой являются методы расчета выходной температуры теплоносителя и извлекаемой мощности в системах коаксиального типа Калининым М.И. и Барановым A.B. использованы аналитические зависимости, связанные с вычислением коэффициента нестационарного теплообмена.

Однако в случае использования геотермальной энергии но предлагаемому способу требуется решение более сложной задачи нестационарного многомерного температурного поля, связанной с продолжительным (в течение отопительного периода) отбором тепла и для скважин существенно большей глубины.

Предварительный анализ процесса передачи геотермальной тепловой энергии к поверхности наружной грубы скважины за счет теплопроводности грунта показывает, что это нестационарный процесс, т. к. вертикальный тепловой поток глубинного тепла очень мал и не превышает 0,04 ^ 0,12 Вт/м2. Поэтому горизонтальные тепловые потоки от грунта к боковой поверхности скважины обеспечиваются, в основном, за счет объемной теплоемкости грунта, которая достаточно велика. '

Ö результате температурное поле н грунте вблизи скважины будет переменным по времени и но глубине скважины, а процесс переноса геотермальной тепловой энергии к скважине может рассматриваться как нестационарная теплопроводность из неограниченного цилиндрического массива грунта к центру геотермальной скважины.

Разработка математической модели извлечения геотермальной

Схема и температурный график этого процесса для расчетного участка /' в момент времени j представлены на рисунке 4. Для элементарного цилиндрического слоя грунта dr,v на переменном радиусе от оси скважины

дифференциальное уравнение нестационарной теплопроводности в цилиндрическом массиве грунта на расчетном участке после некоторых упрощений будет иметь вид:

К I к

= <71---------'■■

3* IК

где - текущая средняя температура грунта на расчетном участке, "С; г -

текущее время для этого участка, с; а = ^ - коэффициент температуро-

с.тр.т

проводиости грунта, м2/с; Я - коэффициент теплопроводности грунта, Вт/(м К).

Уравнение (1) дополнено уравнением плотности теплового потока в грунте у поверхности наружной трубы скважины:

— • (2) Лг м

гДе С?,'и <2%. 1 - общее среднее количество тепловой энергии, переданное

от грунта к поверхности наружной трубы скважины от начального момента времени г=0 до текущего момента времени г/ или г ,, отнесенное на 1 погонный метр высоты грунта, Дж/'м .

После преобразований, получены уравнения:

Ц 2«г1сгРтЪ -«? )*««. (3,4)

Рисунок 4 — Схема и температурный график плотности потока геотермальной тепловой энергии

Решение уравнений (2), (3) и (4) для определения распределения тем-

в явном виде невоз-

ператур в призабойной зоне скважины и величины с/'''

можно. Поэтому поставленная задача решается методом последовательного приближения с применением конечно-разностных схем. На рисунке 5 представлена принятая конечно-разностная схема по координатам Л-г, для расчетного участка / для определения дифференциалов температуры по радиусу скважины и по времени.

Глава 3. Разработка программы количественной оценки геотермального потенциала скважины

Схема расчетного участка геотермальной скважины представлена на рисунке 6. Принятые обозначения на рисунке 6:

</,„, £/,„ - внутренний и наружный диаметр внутренней подъемной трубы скважины, м; ¿1',,., а^ - внутренний и наружный диаметр наружной опускной трубы скважины, м; И',. - скорость движения горячей воды теплосети во внутренней трубе и в кольцевом пространстве опускной трубы, м/с;

т - расход сетевой воды в скважине, кг/с; /7Г| , /?Г| - температура прямой сетевой воды в подъемной трубе в начале и в конце расчетного участка, С; *7Г2,_,.у > '-/гг,, _ то же в кольцевом пространстве опускной трубы;

'7Г2, . ~ средняя температура прямой и обратной сетевой воды на расчетном участке. х

А/? - конечное приращение относительного радиуса цилиндрического слоя грунта вокруг трубопровода; т - число равных конечных приращений, на которые разбивается текущий относительный радиус цилиндрического слоя грунта вокруг трубопровода

Рисунок 5 -Конечно-разностная т—1,у-1 схема по координатам Л - г, для расчетного участка /

г = 0

Полученная математическая модель теплообмена в геотермальной скважине требует при расчете, проведения множества итераций, поэтому разработана программа расчета на ЭВМ, разбитая на модули.

По разработанным на алгоритмическом языке Visual Basic программам был выполнен расчет зависимости тепловой мощности скважины от градиента (рисунок 7), а также выполнен прогноз мощности скважины при работе за сезон на основе построения линии тренда (рисунок 8). Для анализа были взяты следующие характеристики скважины и теплосети: градиент температуры — 0,12 и 0,09 °С/м; массовый расход теплоносителя — 3 и 7 кг/с; температура обратной воды теплосети - 10 и 30 °С.

а) - Схема текущего расчетного участка б) - Схематический график изменения темпе-геотермальной скважины /' в момент ратуры грунта в призабойной зоне скважины: 1 времени у; - внутренняя подъемная труба скважины, 2 —

наружная опускная груба скважины; 3 - грунт в призабойной зоне скважины; 4 - граница зоны влияния скважины на температуру фунта в слое I. в момент времени у . Рисунок 6 - Схема расчетного участка геотермальной скважины (а) и схематический график изменения температуры грунта в призабойной зоне скважины

Рисунок 7 Зависимости тепловой мощности скважины

Рисунок 8 - Прог ноз линий тренда зависимости тепловой мощности скважины при работе за сезон

В первоначальный момент мощность скважины может достигать 6 МВт, а затем экспоненциально приближается к устойчивому значению от 1 до 2 МВт при эксплуатации до 250 часов. При длительной эксплуатации за отопительный сезон на основании построения прогнозной линии тренда мощность скважины составляет от 0,cS до 1,2 МВт. Таким образом, для оценочных расчетов при внедрении предлагаемой схемы извлечения и использования геотермальной энергии может быть принято среднее значение мощности ] МВт. Следует учитывать, что наилучшие показатели получены при высоких значениях градиента температуры и массового расхода теплоносителя, и минимальном значении температуры обратной сетевой воды. Однако температурный градиент не может рассматриваться как фактор варьирования,

поскольку место использования скважины определяется потребностью в данной местности в энергоресурсах.

Результаты расчета удовлетворительно согласуются с данными предварительных расчетов, выполненных автором для Прасковейского месторождения и результатами расчетов, выполненных Калининым М.И. н Барановым A.B., что подтверждает адекватность разработанной математической модели.

ГЛАВА 4. Исследование режимов работы абсорбционных тепловых насосов совместно с системами тепло- холодоснабження

Характеристики абсорбционных тепловых насосов

Приведены характеристики АБТН отечественного и зарубежного производства и проанализирована возможность их применения.

Опыт использования АБТН

Даны примеры эффективного использования АБТН в мировой практике.

Анализ режимов работы абсорбционных тетовых насосов совместно с системой теплоснабжения

В зависимости от потребителя могут применяться различные схемы использования геотермальной энергии:

а) в районах, с незначительными нагрузками, рекомендуется схема с параллельной подачей воды на тепло- или холодоснабженис и горячее водоснабжение;

б) в районах, где потребность в энергии превышает тепловой потенциал геотермальной скважины, рекомендуется схема с параллельной подачей воды на тепло или холодоснабжение и горячее водоснабжение с пиковым догревом отопительной воды.

Для этих целей автором разработан теплогенератор для пикового дог-рева воды. Предложенные технические решения позволяют: повысить КПД теплогенератора при минимальном увеличении сопротивления газового тракта, за счет применения турбулизирующих вставок, нодоохлаждаемых передней и задней крышек и подогрева воздуха; снизить напряжения в конструкции теплогенератора при температурных деформациях; снизить затраты на теплоизоляционные материалы.

Глава 5. Расчет ориентировочной экономической эффективности от внедрения новой технологии на основе научного прогнозирования на время разработки, освоения и срока морального старения

На основании методики расчета технико-экономической эффективности энергосберегающих технологий, выполнен расчет окупаемости затрат по проекту с учетом «будущей» стоимости денег, т.е. с учетом дисконтирования.

Получены следующие показатели тсхннко-экономнческой эффективности внедрения проекта. Эффективность работы определяется целым рядом технических, экономических и социально-экологических факторов.

Технические фактор)»! определяются полученными характеристиками:

- температурой теплоносителя (пе ниже 85 °С), позволяющей использовать тепло дня систем тепло- холодоснабжения объектов жилищно-коммунального хозяйства;

- тепловой мощностью скважины (до 1,2 МВт при глубине до 3000 м), достаточной для тепло- холодоснабжения небольшого поселка.

Экономические факторы определяются единовременными капитальными затратами, эксплуатационными затратами и сроком окупаемости капитальных затрат:

- единовременные капитальные затраты сокращаются с 55,5 млн. руб./МВт при использовании гидротермальных источников до 3,75 млн. рубУМВт при использовании предлагаемого способа для законсервированных скважин, и до 45 млн. руб./МВт при использовании предлагаемого способа для вновь разрабатываемых скважин, в связи с отсутствием необходимости развития инфраструктуры, потребляющей низкопотепциалыгое тепло при использовании гидротермальных источников;

- снижение эксплуатационных затрат должно составить до 1,76 млн. руб./МВт от снижения расходов на топливо; потребление электроэнергии снижается с 250 до 20 кВт/МВт но сравнению с технологией коллекторного сбора геотермальной энергии при помощи парокомпрессориых тепловых насосов;

- сроки окупаемости капитальных затрат могут составить от 1,5 лет при использовании существующих скважин, до 18 лег - при бурении новых скважин, которые являются более предпочтительными, чем при использовании гидротермальных источников.

Основные результаты и выводы.

На базе теоретических разработок, анализа и обобщения литературных и фондовых источников можно сделать следующие выводы:

- дап анализ и оценка геотермического потенциала, который позволил установить перспективность использования геотермального потенциала как экологически чистого и возобновляемого источника энергии. Выработаны методы извлечения и использования низкопотенциального тепла геотермальной скважины для систем тепло- холодоснабжения. Предложенные способы могут конкурировать с известными способами использования гидротермальных энергоресурсов, т. к. не требует развития инфраструктуры, потребляющей низкопотенциапыюе тепло вблизи скважины, а также с технологиями геотермального теплонасосного теплоснабжения коллекторного сбора тепла, т. к. потребляется значи тельно меньше электроэнергии для работы;

- разработана математическая модель извлечения геотермальной энергии, в которой введены упрощающие условия, позволившие разработать методику расчета извлечения геотермальной энергии. Разработана методика расчета извлечения геотермальной энергии, основывающаяся на методе последовательного приближения с применением конечно-разностных схем, на основе которой разработана программа расчета извлечения геотермальной энергии;

- рассмотрены вопросы согласование режимов извлечения и использования геотермальной энергии для нужд систем теплоснабжения. Даны рекомендации по выбору схем при необходимости покрытия пиковых нагрузок. Автором разработана конструкция высокоэффективного теплогенератора для этих целей;

- произведена оценка экологической, энергетической и экономической эффективности извлечения и использования геотермальной энергии. Теоретические и практические результаты работы использованы в учебном пособии для студентов специальности 290700 (270109) «Теплогазоснабжение и вентиляция», что позволит развивать и совершенствовать экологическое мышление и технологическую подготовку будущих специалистов в области теплоснабжения. Дана технико-экономическая оценка эффективности внедрения предложенной технолог ии извлечения и использования геотермальной энергии для нужд тепло- холодоснабжсиия из существующих скважин и вновь разрабатываемых.

В приложении приведены табличные данные расчетов, акты внедрения.

Основные положения диссертации изложены в опубликованных работах:

Публикации в периодических научных и научно-технических изданиях, в которых рекомендуется публикация основных результатов докторских диссертаций (по решению ВАК Минобразования России)

1. Стоянов, Н. И. Математическая модель извлечения геотермальной энергии. Научно - исследовательский журнал "Вестник" Северо-Кавказского государственного технического университета. [Текст] /11. И. Стоянов, И. А. Гейвандов, С. С. Смирнов. Ставрополь, 2010. - С. 139-147. Личный вклад автора - разработана математическая модель.

2. Смирнов, С. С. Исследование режимов работы абсорбционных тепловых насосов совместно с системами тепло-холодоснабжения. Научно - исследовательский журнал "Вестник" Северо-Кавказского государственного технического университета. [Текст] / С. С. Смирнов. Ставрополь, 2011.

3. Патент 2 290 571 РФ, (Л, МП К Г2411 1/00. Котел жаротрубно-дымогарный / Н. И. Стоянов, С. С. Смирнов - 2005113113/06; Заявлено 29.04.05; Опубл. 27.12.06, Бюл. 38. Патентообладатель Г'ОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет». Личный вклад автора - предложена идея температурных компенсаций.

Публикации в ведущих научных изданиях

4. Стоянов, Н. И. Технология использования геотермальной энергии с помощью абсорбционных тепловых насосов. [Текст] / Н. И. Стоянов, И. А. Гейвандов, С. С. Смирнов // Энергоэффективность и энергосбережение в Ставропольском крае / под. науч. ред. В. П. Ермакова; Российское агентство поддержки малого и среднего бизнеса. - М.: Альфа-Ком, 2009. - С. 97-100. Личный вклад автора синтез технологических процессов.

Другие издания

5. Стоянов, Н. И. Технология извлечения и использования геотермальной энергии для систем тспло-холодоснабжения [Текст] / И. А. Гейвандов, А. И. Воронин, В В. Бо-гачев. С, С. Смирнов и др. // Отчет о научно-исследовательской работе по государственному контракту от 22 нюня 2007 г. № 02.516.11.6059 Депонир. во ВНИЦ N ГР

01910021861. Инв. К 02910028347, 2008. Личный вклад шпора в результаты работы - разработана математическая модель, выполнена технико-экономическая оценка.

6. Стоянов, Н. И. Исследование режимов работы абсорбционного теплового насоса в технологической схеме извлечения и использования геотермальной энергии. [Текст] / Н. И. Стоянов, С. С. Смирнов, С. Ф. Шведов // Научно - исследовательский журнал «Всстник СевКавГТУ». Ставрополь, 2009. - С. 77-80. Личный вклад автора ~ выполнено обоснование применения для сопместпой системы тспло-холодоснабжения.

Материалы и тезисы докладов Международных и Российских конференций

7. Смирнов, С. С. Эффективность децентрализованных систем теплоснабжения. [Текст] / С. С. Смирнов, 11. И. Стоянов // Материалы международной научно!! студенческой конференции «Научный потенциал студенчества - будущему России». Ставрополь 2007. - С. 162-163. Личный вклад автора - выполнено обоснование применения для совместной системы тспло-холодоснабжсния.

8. Смирнов С. С. Исследование режимов работы.абсорбционных тепловых насосов в системах тепло - холодоснабжеиия. [Текст] / С. С. Смирнов // Материалы V международной научной конференции «Научный потенциал XXI века». Ставрополь, 2011. - 136 с. Личный вклад автора - выполнено теоретическое исследование технологических циклов.

9. Смирнов, С. С. Эффективность использования в теплоснабжении блочных котельных. [Текст] / С. С. Смирнов, Л. С. Писклов // Материалы И международной научной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества - будущее России» Сев-КавГТУ. Ставрополь 2008. - С. 221-222. Личный вклад автора - выполнено обоснование применения для совместной системы тспло-холодоснабжсния.

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 09.11.2011 Формат 60x84 1/16 Усл. псч. л. - 1,2 Уч.- изд. л. - 1 Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ № 392 Тираж 100 экз. ФГБОУ ВПО « Северо-Кавказский государственный 'технический университет» 355028, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2.

Издательство ФГБОУ ВПО «Сеперо-Кавгаский государственный технический университет» Отпечатано в типографии СеиКавГТУ

|0)

Введение.

Глава 1. Анализ методов технико-экономической и экологической оценки извлечения и использования геотермальной энергии.

1.1 Теплоэнергетический комплекс РФ: состояние, влияние на окружающую среду и перспективы развития.

1.2 Анализ методик оценки и районирования геотермальных ресурсов.

1.2.1 Анализ использования глубинных водоносных пластов.

1.2.2 Анализ использования тепла сухих горячих пород.

1.3 Анализ геотермических режимов и тепловых потоков земных недр.

1.3.1 Анализ геотермальных ресурсов Ставропольского края

1.4 Формулирование возможных направлений решения задачи

1.4.1 Разработка способа извлечения геотермального тепла.

1.4.2 Разработка способа использования геотермального тепла.

1.4.3 Разработка рабочих гипотез, построение моделей объекта исследований, обоснование допущений.

Актуальность темы. Президент Российской Федерации и Правительство России придают большое значение развитию энергетики и энергосбережению в России. Основой служит Закон Российской Федерации «Об энергосбережении», утвержденный Президентом РФ 3 апреля 1996 года № 28 ФЗ. В развитие его были разработаны и утверждены Основные направления энергетической политики Российской Федерации на период до 2010 года, а также Федеральная Целевая Программа (ФЦП) «Энергоэффективная экономика» на 2002 - 2005 годы и на перспективу до 2010 года.

В августе 2001 года Правительством Российской Федерации была утверждена Федеральная Целевая Программа «Юг России», в которой поставлены конкретные задачи как по развитию электроэнергетики в целом, так и по использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на Юге России. В ФЦП отмечается, что Юг России обладает огромными ресурсами возобновляемых источников энергии. Особое значение при этом отводится вопросам защиты окружающей среды для рекреационно-туристических и са-нитарно-курортных зон региона, в которых эти вопросы могут решаться за счет использования ВИЭ.

Федеральный закон Российской Федерации N 261-ФЗ 23 ноября 2009 года «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» определяет создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Регулирование в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности основывается на следующих принципах:

1) эффективное и рациональное использование энергетических ресурсов;

2) поддержка и стимулирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности;

3) системность и комплексность проведения мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности;

4) планирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности;

5) использование энергетических ресурсов с учетом ресурсных, производственно-технологических, экологических и социальных условий.

Программа призвана обеспечить реализацию энергетической стратегии государства, и предусматривает участие федеральных органов исполнительной власти и органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации в разработке и реализации мероприятий, направленных на решение проблем топливно-энергетического комплекса и обеспечение его эффективности. Учитывая географическое положение России, теплоэнергетика приобретает статус одной из наиболее жизненно важных отраслей. Запасы основных видов органического топлива в недрах Земли ограниченны и Россия, не смотря на свои огромные запасы топлива, стоит, как и другие государства, перед задачей более экономного использования топлива и поиска альтернативных источников энергии. Использование возобновляемых источников энергии (геотермальной и солнечной) может позволить снизить расход топлива на 5 - 10 % [1-6].

В настоящее время можно считать, что целый ряд экономических и социальных факторов будут способствовать усилению интереса отдельных граждан, сельскохозяйственного, коммунально-бытового и курортно-оздоровительного секторов народного хозяйства России к приобретению и эксплуатации агрегатов и установок, использующих возобновляемые источники энергии. К этим факторам следует отнести: резкий рост цен на энергоносители; повышение законодательных требований к охране окружающей среды; реальную возможность использования высвобождающихся мощностей оборонных предприятий для производства на высоком технологическом уровне агрегатов нетрадиционной энергетики по программам конверсии; намечаемые изменения в налоговой и кредитной политике по отношению к пользователям, производителям и разработчикам новой техники, в том числе нетрадиционной энергетики.

За последнее десятилетие был также значительно усилен международный акцент на экологический аспект использования энергии, особенно с точки зрения выбросов ССЬ в атмосферу. Дальнейший рост производства при соблюдении международных соглашений может осуществляться только при условии структурных изменений в энергетике. Подобное понимание общепланетарной экологической проблемы было и остается важнейшим фактором дальнейшей повсеместной реализации различных вариантов и схем использования альтернативных источников энергии, включая геотермальную энергию.

Большинство технологий и технических средств, используемых для преобразования нетрадиционных возобновляемых видов энергии (ВИЭ), не оказывают вредного воздействия на окружающую среду и могут считаться экологически чистыми. Выработка энергии на базе этих источников позволяет замещать значительные количества дефицитного органического топлива, сократить объемы перевозок топлива в отдаленные регионы, исключить образование и негативное воздействие продуктов сгорания, в том числе золы, оксидов азота и серы, на среду обитания. В настоящее время многие виды ВИЭ уже конкурентоспособны на энергетическом рынке, особенно геотермальная энергетика.

Существенным недостатком использования гидротермальных установок в различных практических целях является как их низкая удельная тепло-производительность, так и сложный химический состав подземных вод (значение рН, степень минерализации, ионно-солевой и газовый состав и др.), затрудняющий непосредственное практическое использование. Отработанные термальные воды содержат часто высокие концентрации мышьяка, бора, различных металлов, это представляет важную проблему, связанную с природоохранными мероприятиями.

Кроме того, распределение гидротермальных источников не соответствует плотности населения, в связи с преимущественным расположением высокопотенциальных гидротермических источников в зонах высокой геологической активности. Транспортирование же низкопотенциальной тепловой энергии на большие расстояния экономически не оправдано, что предполагает для окупаемости проекта выработку электроэнергии как наиболее мобильного источника энергии и развитие теплопотребляющей инфраструктуры вокруг источника (теплицы, зарыбленные водоемы, бальнеологические объекты и жилые дома). Однако создание такой инфраструктуры требует значительных капитальных вложений.

Использование тепла сухих горячих пород позволит снизить эксплуатационные затраты по сравнению с использованием термальных вод.

Указанный технический результат может достигаться за счет применения абсорбционного теплового насоса, что позволяет снизить эксплуатационные расходы, включая энергозатраты.

Технология извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло-холодоснабжения предназначена для использования возобновляемых источников энергии на объектах жилищно-коммунального хозяйства в отдаленных районах, в которые затруднена или экономически нецелесообразна подача традиционных энергоресурсов. При этом технология «не при-вязна» к гидротермальным источникам. Разработанная технология может конкурировать с известными способами использования гидротермальных энергоресурсов, т. к. не требует развития инфраструктуры, потребляющей низкопотенциальное тепло вблизи скважины, а также с технологиями геотермального теплонасосного теплоснабжения коллекторного сбора тепла с парокомпрессорными тепловыми насосами, т. к. потребляет значительно меньше электроэнергии для своей работы.

Цель исследований. Эффективное извлечение и использование геотермальной энергии с помощью абсорбционных тепловых насосов.

Задачи исследования связанны с разработкой технологии извлечения и использования геотермальной энергии для нужд тепло- холодоснабжения:

- анализ и оценка геотермического потенциала;

- разработка методов извлечения и использования низкопотенциального тепла геотермальной скважины для систем тепло- холодоснабжения;

- разработка математической модели извлечения геотермальной энергии;

- разработка методики расчета извлечения геотермальной энергии;

- разработка программ расчета извлечения геотермальной энергии;

- согласование режимов извлечения и использования геотермальной энергии;

- оценка экологической, энергетической и экономической эффективности извлечения и использования геотермальной энергии.

Изучаемые явления. Геотермальный потенциал скважин. Распределение температуры в грунтах скважины при извлечении геотермальной энергии. Абсорбционные тепловые насосы. Температурные режимы использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения.

Объект исследования. Петротермальная энергия. Геотермальная скважина и работа абсорбционного теплового насоса на геотермальной энергии для тепло- холодоснабжения объектов жилищно-коммунального хозяйства.

Используемые средства. Данные по геотермическому потенциалу скважин. Пакет прикладных программ для программирования и статистической обработки результатов экспериментов.

Методы исследования. В работе использованы методы теории подобия, интегрального и дифференциального исчисления, математической статистики, методы оптимизации и системный анализ, а также наряду с аналитическими методами в исследованиях применялось компьютерное моделирование.

Научная новизна исследования:

- разработаны новые способы извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения при извлечении петротер-мальной энергии глубинных скважин;

- построена математическая модель извлечения геотермальной энергии глубинных земных пород, учитывающая нестационарность тепловых процессов в скважине;

- предложена новая методика расчета извлечения геотермальной энергии;

- предложена новая методика расчета использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения.

- теоретически обоснованна и разработана высокоэффективная конструкция теплогенератора для совместной работы в пиковых режимах.

Достоверность научных положений и полученных в работе результатов основана на корректности постановки задач исследования и принятых упрощающих допущений; подтверждается применением физически обоснованных математических моделей и удовлетворительным соответствием аналитических расчетов с данными, полученными экспериментально на опытных и пилотных установках другими исследователями, а также достаточно широкой публикацией результатов работы и их обсуждением на научных конференциях различного уровня.

Практическая значимость. Результаты научных исследований включены в отчет о научно-исследовательской работе по государственному контракту от 22 июня 2007 г. № 02.516.11.6059 «Технология извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло-холодоснабжения» Шифр «2007-6-1.6-13-02-016» (Акт внедрения).

Результаты исследования внедрены на предприятии ООО Фирма «Эко-логия-Термо» г. Ставрополь (конструкция разработанного высокоэффективного котла. Акт внедрения).

Результаты исследования используются в учебном процессе при подготовке специалистов в Северо-Кавказском государственном техническом университете по дисциплине «Использование вторичных энергоресурсов и возобновляемых источников энергии» у студентов специальности 270109.65 - Теплогазоснабжение и вентиляция (разработаны методические указания).

Эколого-социальная и экономическая эффективность.

Эффективность работы определяется целым рядом технических, экономических и социально-экологических факторов.

Технические факторы определяются полученными характеристиками:

- температурой теплоносителя (не ниже 85 °С), позволяющей использовать тепло для систем тепло- холодоснабжения объектов жилищно-коммунального хозяйства;

- тепловой мощностью скважины (до 1,2 МВт при глубине до 3000 м), достаточной для тепло- холодоснабжения небольшого поселка.

Экономические факторы определяются единовременными капитальными затратами, эксплуатационными затратами и сроком окупаемости капитальных затрат:

- единовременные капитальные затраты сокращаются с 55,5 млн. руб./МВт при использовании гидротермальных источников до 3,75 млн. руб./МВт при использовании предлагаемого способа для законсервированных скважин, и до 45 млн. руб./МВт при использовании предлагаемого способа для вновь разрабатываемых скважин, в связи с отсутствием необходимости развития инфраструктуры, потребляющей низкопотенциальное тепло при использовании гидротермальных источников;

- снижение эксплуатационных затрат должно составить до 1,76 млн. руб./МВт от снижения расходов на топливо; потребление электроэнергии снижается с 250 до 20 кВт/МВт по сравнению с технологией коллекторного сбора геотермальной энергии при помощи парокомпрессорных тепловых насосов;

- сроки окупаемости капитальных затрат могут составить от 1,5 лет при использовании существующих скважин, до 18 лет - при бурении новых скважин, которые являются более предпочтительными, чем при использовании гидротермальных источников. Проведенный инвестиционный анализ характеризует достаточную привлекательность для инвесторов.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

- способы извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения;

- математическая модель извлечения геотермальной энергии глубинных земных пород;

- новая методика расчета извлечения геотермальной энергии;

- новая методика расчета использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения.

- согласование режимов извлечения и использования геотермальной энергии.

Работу можно охарактеризовать, как комплекс научно-обоснованных техническо-экономических и технологических решений по совершенствованию технологии извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло- холодоснабжения, внедрение которой может внести значительный вклад в повышение энергоэффективности использования геотермальной энергии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе: 2 статьи в реферируемом научно-техническом журнале; 1 статья в центральном журнале; 2 статьи в других изданиях; 1 авторское свидетельство и патент; сделано 9 докладов на международных и российских научно-технических конференциях различного уровня, по которым опубликованы материалы докладов.

Автор выражает благодарность за помощь в работе коллегам по кафедре «Теплогазоснабжение и ЭН» ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» Гейвандову И. А. и Аборневу Д. В.

Заключение

На базе анализа и обобщения литературных и фондовых источников связанных с разработкой технологии извлечения и использования геотермальной энергии для нужд тепло- холодоснабжения:

- дан анализ и оценка геотермического потенциала, который позволил установить перспективность использования геотермального потенциала как экологически чистого и возобновляемого источника энергии;

- выработаны методы извлечения и использования низкопотенциального тепла геотермальной скважины для систем тепло- холодоснабжения. Предложенные способы могут конкурировать с известными способами использования гидротермальных энергоресурсов, т. к. не требует развития инфраструктуры, потребляющей низкопотенциальное тепло вблизи скважины, а также с технологиями геотермального теплонасосного теплоснабжения коллекторного сбора тепла, т. к. потребляется значительно меньше электроэнергии для работы;

- разработана математическая модель извлечения геотермальной энергии, в которой введены упрощающие условия, позволившие разработать методику расчета извлечения геотермальной энергии;

- разработана методика расчета извлечения геотермальной энергии, основывающаяся на методе последовательного приближения с применением конечно-разностных схем;

- разработана программа расчета извлечения геотермальной энергии «Скважина», которая включает в себя подпрограмму «Расчет нестационарной теплопроводности грунта в призабойной зоне» и является частью полной программы «Скважина»;

- рассмотрены вопросы согласование режимов извлечения и использования геотермальной энергии. Даны рекомендации по выбору схем при необходимости покрытия пиковых нагрузок. Автором разработана конструкция высокоэффективного котла. Предложены технические решения, которые позволяют: повысить КПД теплогенератора при минимальном увеличении сопротивления газового тракта, за счет применения турбулизирующих вставок, водоохлаждаемых передней и задней крышек и подогрева воздуха; снизить напряжения в конструкции теплогенератора при температурных деформациях; снизить затраты на теплоизоляционные материалы;

- произведена оценка экологической, энергетической и экономической эффективности извлечения и использования геотермальной энергии. По результатам расчета на математических моделях определена возможность извлечения и использования теплоты из геотермальной скважины, глубиной до 3000 м, с мощностью до 1,2 МВт. Проведен мониторинг геотермальных скважин Ставропольского края с целью оценки возможности их использования по предлагаемой технологии. Теоретические и практические результаты работы использованы в учебном пособии для студентов специальности 270109 «Теплогазо-снабжение и вентиляция», что позволит развивать и совершенствовать экологическое мышление и технологическую подготовку будущих специалистов в области теплоснабжения [34]. Дана технико-экономическая оценка эффективности внедрения предложенной технологии извлечения и использования геотермальной энергии для нужд тепло- холодоснабжения из существующих скважин и вновь разрабатываемых. Эффективность способов определяется снижением себестоимости тепло- холодоснабжения объектов за счет сокращения затрат на топливо. Годовой экономический эффект от сокращения затрат на топливо на одной скважине глубиной до 3 км составляет до 2116 тыс. руб. Срок окупаемости затрат может составить от 1,5 лет при использовании существующих скважин, до 18 лет - при бурении новых скважин [96].

1. Дворов, И. М. Геотермальная энергетика.-М.: Наука, 1976.

2. Башмаков, И.А. Региональная политика повышения энергетической эффективности: от проблем к решениям. Текст. / И. А. Башмаков Часть 1 и 2. М.: Центр по эффективному использованию энергии (ЦЭНЭФ), 1996.

3. Энергоаудит: Сб. методических и научно практических материалов. Часть 1 и 2 Текст. / Под ред. К. Г. Кожевникова, А. Г. Вакулко. - М.: Некоммерческое партнерство «Энергосбережение». 1999.

4. Дворов, И. М. Освоение внутриземного тепла. Текст. /. М. Дворов, В. И. Дворов М. : Наука, 1984.

5. Мангушев, К. И. Проблемы развития геоэнергетики мира. Текст. / К. И. Мангушев. М. : Наука, 1981.

6. Дворов, И. М. Термальные воды и их использование Текст. / И. М. Дворов, В. И. Дворов. М. : Просвещение, 1976. - 127 с.

7. К вопросу об экономике использования нетрадиционных источников энергии Текст. / Э. Э. Шпильрайн. М. : Энергоатомиздат, Теплоэнергетика, 1989, №4.-С. 37 - 39.

8. Берман, Э. Геотермальная энергия Текст. / Э. Берман. М. : Мир, 1978. -416 с.

9. Голицын, М.В. A.M. Голицын, Н.М. Пронина Альтернативные энергоносители Текст. / A.M. Голицын, Н.М. Пронина. Москва 2004.

10. Дядыкин, Ю. Д. Извлечение и использование тепла земли Текст. / Ю. Д. Дядыкин // Изд во Моск. гос. горн, ун - та 2001 №9 - С. 28 - 42.

11. Энергетика мира (Переводы докладов XXII конгресса МИРЭК).

12. М.: Энергоатомиздат, 1989.

13. Тезисы докладов Всероссийской научно-практической конференции "Энергоресурсосбережение в строительстве и жилищно-коммунальном комплексе"-2005 (Ярославль, 5-6 октября 2005 г.).

14. Горелик, Я. Б. Стационарные температурные поля вокруг скважины Текст. / Я. Б. Горелик, М. И. Дзик // Энергетика. Известия Академии наук. -1994.-№2.- С. 147- 154.

15. Справочник промышленного оборудования. Статьи, обзоры, информация E-mail: red@vvt.ru. № 2 сентябрь-октябрь 2004.

16. Кузьмина, Т. Г. Современные абсорбционные машины BROAD в системах кондиционирования, отопления и тригенерации Текст. / Т. Г. Кузьмина, Д. М. Соломонов // АВОК. 2006. № 1. - С. 30 - 31.

17. Крюков, А. П. Абсорбционные чиллеры нагрева горячей водой компании SANYO Текст. / А. П. Крюков // АВОК. 2002. -№ 5. С. 48.

18. Матросов, А. В. Абсорбционные чиллеры SANYO Текст. / А. В. Матросов // АВОК. 2002. № 5. - С. 60.

19. Богуславский, Э. И. Тепловые ресурсы недр России Текст. / Э. И. Богуславский // Теплоэнергетика. 2004. № 6. - С. 25 - 32.

20. Забарный, Г. М. Ресурсы и тепловой потенциал перспективных для промышленного освоения месторождений термальных вод Закарпатской области Текст. / Г. М. Забарный, А. В. Шурчкое, А. А. Задорожная. Н. : Институт технической теплофизики НАНУ, 1997. - 150 с.

21. Натанов, X. X. Подготовка геотермальных вод к использованию Текст. / X. X. Натанов. М. : Стройиздат, 1983. - 80 с.

22. Горная энциклопедия Текст. / Под ред. Е. А. Козловского / М. : Советская энциклопедия, 1984. -688 с

23. Справочник инженера по бурению Текст. / Под ред. В. И. Мище-вича, Н. А. Сидорова. М. : Недра, 1973.

24. Вадецкий, Ю. В. Бурение нефтяных и газовых скважин Текст. / Ю. В. Вадецкий. -М.: Недра, 1978.

25. Калинин М. И. Метод расчета глубинных теплообменников для геотермального теплоснабжения. Текст. / М. И. Калинин, А. В. Баранов. Разведка и охрана недр, N6, 2003, С. 53-60.

26. Алхазов, А. Б. Геотермальная энергетика: проблемы, ресурсы, технологии, Текст. / 2004.

27. Галимова, J1. В. Абсорбционные холодильные машины и тепловые насосы. Текст. 1997.

28. Гельперин, Н. И. Тепловой насос. JI. // Госнаучтехиздат Ленхим-сектор. 1931.

29. Быков, А. В., Калнинь И. М. Холодильные машины и тепловые насосы. Текст. / А. В. Быков, И. М. Калнинь М. : Агропромиздат, 1988.

30. Теплоснабжение Текст. / Под ред. А. А. Ионина. М. : Стройиз-дат , 1982.-366 с.

31. Шпильрайн, Э. Э. Нетрадиционная энергетика в рамках государственной научно-технической программы «Экологическая чистая энергетика» Текст. / Э. Э. Шпильрайн, Н. Л. Кошкин, О. С. Попель // Теплоэнергетика 1994 , № 2. М. : Энергоатомиздат. - С. 92 - 94.

32. Лариков, Н. Н. Теплотехника М.: Стройиздат 1985. 432 С.

33. Ковалев, В. В. Методы оценки инвестиционных проектов Текст. / В. В. Ковалев. М. : Финансы и статистика, 2000. - 144 с.

34. Александров, Н. Е. А. И. Богданов, К. И. Костин Основы теории тепловых процессов и машин. Текст. / А. И. Богданов, К. И. Костин. 2006. -С. 571.

35. Абдурафиков, М. Р., Ильин Р. А.(АГТУ, г. Астрахань). Эффективность использования ГТУ в теплоэнергетике. Материалы Всероссийской научной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества будущему России». Ставрополь, 2006.

36. Васильев, Г. П., Шилкин Н.В. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах // АВОК, 2003, №2.

37. Курносов, А. Т. Современные и перспективные теплогенераторы. Воронеж: ВГУ, 1985.

38. Литягин, А. Ю. Применение теплонасосных систем. Текст. / А. Ю. Литягин, Д. В. Аборнев // Материалы международной научной студенческой конференции «Научный потенциал студенчества будущему России». Ставрополь 2007.

39. Везиришвили, Е. И., Меладзе, Н. В. Энергосберегающие теплона-сосные системы тепло и хладоснабжения. Текст. / Е. И. Везиришвили, Н. В. Меладзе М. : Издательство МЭИ, 1994.

40. Безруких, П. П. Зачем России возобновляемые источники энергии. // Энергия: экономика, техника, экология. 2002. С. №10

41. Орехов, И. И., Тимофеевский Л. С., Караван С. В. Абсорбционные преобразователи теплоты. Текст. / И. И. Орехов, Л. С. Тимофеевский, С.

42. B. Караван. // Л. : Химия, 1989.

43. Шмуйлов, Н. Г. Абсорбционные бромистолитиевые холодильные и теплонасосные машины. М. : Цинтихимнефтемаш. 1983.

44. Бараненко, А. В. Абсорбционные бромистолитиевые преобразователи теплоты нового поколения. Текст. / А. В. Бараненко, А. В. Попов, Л.

45. C. Тимофеевский, О. В. Волкова// Холодильная техника, 2001. №4.

46. Горшков, В. Г. Использование абсорбционных тепловых насосов для горячего водоснабжения ОАО «Чебоксарский агрегатный завод», Текст. / В. Г. Горшков, С. В. Осипович г. Чебоксары. // Энергоэффективность. Опыт. Проблемы. Решения, 2003. №3.

47. Правила технической эксплуатации тепловых энергоустановок. Госэнергонадзор Минэнерго России Текст. М. : ЗАО «Энергосервис», 2003.-264 с.

48. Внутренние санитарно-технические устройства. Справочник проектировщика. В 3 ч. 4.1. Отопление Текст. / В. Н. Богословский, Б. А. Крупнов, А. Н. Сканави и др.; Под ред. И. Г. Староверова и Ю. И. Шиллера. М. : Строй-издат, 1990.-344с.

49. Гейвандов, И. А. Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии на автономных малых электростанциях Текст. / И. А. Гейвандов, Н. И. Стоянов // Научные школы и научные направления Сев-КаГТУ. Ставрополь, 2001.

50. Смирнов, С. С. Эффективность использования в теплоснабжении блочных котельных. Текст. / С. С. Смирнов, А. С. Писклов // СевКавГТУ. Ставрополь 2008. С. 221-222.

51. Гейвандов, И. А. Перспективные направления развития систем теплоснабжения Текст. / И. А. Гейвандов, Н. И. Стоянов, М. Д. Эдельштейн // Научные школы и научные направления СевКаГТУ. Ставрополь, 2001. -162 с.

52. Гейвандов, И. А. Анализ и оценка конструкций и методы расчета современных теплогенераторов малой мощности Текст. / И. А. Гейвандов, Н. И. Стоянов, В. В. Богачев, Д. В. Кремлев // Научные школы и научные направления СевКаГТУ. Ставрополь, 2001.

53. Стоянов, Н. И. Интенсификация теплообмена в дымогарных трубах отопительных теплогенераторов Текст. / Н. И. Стоянов, А. И. Воронин, Д. В. Кремлев, И. Ю. Саклаков // Научные школы и научные направления СевКаГТУ. Ставрополь, 2001.

54. Стоянов, Н. И. Технология извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло-холодоснабжения (разделы 5, 11) Текст. /

55. И. А. Гейвандов, А. И. Воронин, В. В. Богачев, С. С. Смирнов и др. // Отчет о научно-исследовательской работе по государственному контракту от 22 июня 2007 г. № 02.516.11.6059 Депонир. во ВНИЦ N ГР 01910021861. Инв. N 02910028347, 2008.

56. Эстеркин, Р. И. Котельные установки. Курсовое и дипломное проектирование Текст. / Р. И. Эстеркин. Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 279 с.

57. Кутателадзе, С. С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление.//Справочное пособие. Москва 1990-365 с.

58. Смирнов С. С. Исследование режимов работы абсорбционных тепловых насосов в системах тепло холодоснабжения. Текст. / С. С. Смирнов // Материалы V международной научной конференции «Научный потенциал XXI века». Ставрополь, 2011. - 136 с.

59. Богусловский, Э. И. Технико экономическая оценка освоения тепловых ресурсов недр. - Л. Лен. Ун - т 1984.

60. Стоянов, Н. И. Энергосбережение со студенческой скамьи Текст. / Н. И. Стоянов, В. А. Костин // Энергетика и энергосбережение в Ставропольском крае. Научно практический сборник МО РФ, СевКавГТУ и МинПТ СК. Ставрополь: СевКавГТУ, 2001. - 151 с

61. Правила учета тепловой энергии и теплоносителя Текст. / П-683. Главэнергонадзор М. : Изд-во МЭИ, 1995. - 68 с.

62. Стоянов, Н. И. Энергосбережение (Энергоаудит; Использование вторичных энергоресурсов и возобновляемых источников энергии): Монография Текст. / Н. И. Стоянов. Ставрополь: ГОУ ВПО «СевероКавказский государственный технический университет», 2008. - 161 с.

63. Геотермические исследования в Средней Азии и Казахстане Текст. / Под ред. А. В. Щербакова и В. И. Дворова. М. : Наука, 1985

64. Алексеев, В. В. Экология и экономика энергетики. Текст. / В. В. Алексеев // М. : Знание, 1990. - 64 с.

65. Киселев, Г. В. Экология и экономика энергетики. Текст. / Г. В. Киселев // М. : Знание, 1990. - 64 с.

66. Маммаев, О. А. Особенности формирования геотермальных аномалий восточного Предкавказья. Текст. / О. А. Маммаев, Ш. А. Магомедов, Б. О. Маммаев // II Международная конференция «Возобновляемая энергетика: Проблемы и перспективы». Махачкала, 2010

67. Rybach, L. Ground-Source Heat Pump Systems The European Expperience / L. Rybach, B. Sanner // Geo-Heat Center Quarterly Bulletin. 2000. Vol. 21. № 1. Klamath Falls. OR. P. 16 26.

68. Алхазов, А. Б. Геотермальная энергетика: проблемы, ресурсы,технологии. Текст. / А. Б. Алхазов // М.: Физматлит, 2008. 376 с.

69. Калинин, М. И. Метод расчета глубинных теплообменников для односкважинной технологии геотермального теплоносителя. Текст. / М. И. Калинин, А. В. Баранов // Охрана и разведка недр. 2003. № 6. С.53 60.

70. Федякине, В. Я. Исследование режимов совместной работы теплового насоса с вертикальным грунтовым теплообменником. Текст. / В. Я. Федякин, М. А. Утемесов, Л. Н. Федин, Д. Л. Горбунов // Теплоэнергетика. 1997. №4. С. 21-23.

71. Шпильрайн, Э. Э. Проблемы и перспективы возобновляемой энергии в России. Текст. / Э. Э. Шпильрайн // Перспективы энергетики. 2003. Т.7. С. 393 -403.

72. Алхасов, А. Б. Конвективный теплообмен между вертикальной скважиной и водоносным горизонтом Текст. / А. Б. Алхасов, М. М. Рамазанов, Г. М. Абасов // Известия РАН. Энергетика. 2009. № 6. С. 144 -150.

73. Проселков, Ю. М. Теплопередача в скважинах. Текст. / Ю. М. Проселков // М.: Недра, 1986. 252 с.

74. Гнатусь, Н. А. Петрогеотермальные ресурсы как новый вид энергии XXI века Маркшейдерия и недропользование. Текст. / Н. А. Гнатусь, С. А. Некрасов, С. А. Воронина // М.: № 3(41), 2009.

75. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников в России. Текст. / Под общей ред. П. П. Безруких. СПб.: Наука, 2002. 314 с.

76. Богуславский, Э. И. Перспективы развития геотермальной технологии. Текст. / Э. И. Богуславский, Л. А. Певзнер, Б. Н. Хахаев // Разведка иохрана недр, №7-8, 2000, С. 43 -48.

77. Васильев, Г. П. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах. Текст. / Г. П. Васильев, Н. В. Шилкин // АВОК, №2, 2003, С. 52 60.

78. Калинин, М. И. Геотермальное теплоснабжение центральных регионов России с использованием мелких и глубоких скважин. Текст. / М. И. Калинин, Б. Н. Хахаев, А.В. Баранов // Электрика, №4, 2004, с. 8 13.

79. Hellstrom, G. PC-programs and modeling for borehole heat exchanger design. / G. Hellstrom, B. Sanner // International Summer School of Geothermal Energy. Bad Urach, 2001, P. 35 -44.

80. Dipippo, R. Geothermal Power Plants: Principles, Applications, Case Studies and Environmental Impact. / R. Dipippo // 2 nd edition, 2007

81. Schlager, N. Alternative Energy. / N. Schlager, J. Weisblatt // Thomson Gale, 2007.

82. Sanner, B. Exsamples of GSHP and UTES System in Germany. / B. Sanner // Proceedings World Geothermal Congress 2005, Antalya, Turkey, 2005 -14 p.