Магистерская работа по Архитектура и строительство на тему Оценка эффективности применения различных видов топлива для теплоснабжения индивидуального жилого дома.

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Во многих странах мира резко возросли требования к качеству топлив с точки зрения их экологической безопасности. Вы-сококачественные топлива получают либо путем совершенствования процессов переработки нефти, либо путем перехода на другие виды сырья, в том числе на возобновляемые. Одной из серьезных проблем стало требование уменьшения выбросов парниковых газов, прежде всего, диок-сида углерода. Разрабатываются различные методы его улавливания, а также технологии, способствующие уменьшению выбросов диоксида угле-рода. Общая потребность в органическом топливе в усредненном варианте составит в 2030 г. 440 млн ту.т., в том числе природного газа - 266 млн т у.т., твердого топлива – 161 млн ту.т., мазута – 6 млн т у.т.
Исторические тенденции изменения баланса основных видов энер-горесурсов и ископаемого топлива в мировой экономике демонстри-руют переход от использования исключительно биотоплива (дрова и т.п.), в основном некоммерческого, и возобновляемых источников энер-гии (ветряные и водяные мельницы), доля которых, соответственно, снижалась последние 200 лет, к доминированию в нем угля в результате промышленной революции и изобретения парового двигателя (более 60% в 1900–1940 гг.).
В исторической ретроспективе физический дефицит и/или стоимость топлива не были важнейшим фактором, ограничивающим возможности экономического роста, основную роль в повышении энерговооружен-ности человека играло появление новых, более совершенных, техноло-гий сжигания топлива, позволявших начать использование все новых видов ископаемого топлива, причем, как правило, с большей эффективно-стью.
Целью работы является оценка эффективности применения различ-ных видов топлива для теплоснабжения индивидуального жилого дома.
Для решения поставленной цели были поставлены следующие зада-чи:
1. Выполнить научный аналитический обзор, включающий анализ существующих видов топлива для теплоснабжения индивидуального жи-лого дома и обоснование теплотехнических параметров топлив для тепло-снабжения индивидуального жилого дома;
2. Провести оценку эффективности выбранных видов топлива для теплоснабжения индивидуального жилого дома и разработать механизм по выбору вида топлива для теплоснабжения индивидуального дома;
3. Оценить эколого-экономическую эффективность применяемого ви-да топлива в зависимости от климатических условий использования
Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что впервые проведен анализ топлив, применяемых для теплоснабжения индивидуального дома и предложен механизм по обоснованию выбора вида топлива на основании критериального анализа методом иерархии.


1 Научный аналитический обзор по теме исследований
1.1 Анализ существующих видов топлива для теплоснабжения
индивидуального жилого дома

Отопление - одна из главных составляющих жилого дома. Каждым обладателем индивидуального жилого дома сталкивается с вопросом ор-ганизации системы отопления дома. Если нет центрального отопления, нужно отапливать дом самостоятельно. Сегодня особую популярность набирает такое решение, как устройство автономного отопления, которые дают возможность самостоятельно осуществлять контроль над темпера-турным режимом и расходом топлива. Это также значит, что отопитель-ный сезон начинается и заканчивается в удобное для вас время. Кроме это-го, автономная система освобождает от зависимости и помех, которые мо-гут возникать в системах центрального отопления.
И тут возникает вопрос, какой способ обогрева подойдет лучше все-го?
Этот вопрос - по выбору оптимального энергоносителя (вида топли-ва) для отопления частного дома, коттеджа – также имеет большое количе-ство решений. С учетом конкретных климатических условий, расположе-ния дома, выбранной системы отопления, уровня желаемого температур-ного комфорта, удобства обслуживания процесса отопления; цены и воз-можности выполнения различных операций, связанных с процессом отоп-ления, уровня желаемой автономности и резервирования теплоснабжения по энергоносителю, и многим другим факторам. Но, основными критери-ями являются цена на разные энергоносители (виды топлива) и их доступ-ность для каждого конкретного случая.
В итоге, выбор оптимального энергоносителя и отопительного обо-рудования для конкретного случая – это компромисс между желанием по-лучить определенный результат (по уровню комфорта и затратам средств) и готовностью чем-то для этого пожертвовать. Неудобства, связанные с использованием определенного вида топлива, которые легко переносятся молодыми и здоровыми людьми (например, при заготовке, хранении и ис-пользовании угля, дров) представляют серьезную проблему для людей пожилых или с ограниченными физическими возможностями. И темпера-турные колебания в доме в течение суток, свойственные котлам с периоди-ческой загрузкой топлива, удовлетворяют не всех. Поэтому далее рас-смотрены некоторые факторы и свойства, присущие сравниваемым энер-гоносителям [1-4].
Если вы находитесь в лесном регионе или дрова доступны в прода-же, если у вас есть место для хранения дров и вы в состоянии, и готовы по-тратить дополнительные усилия и время на выполнение несложных функ-ций истопника, то, скорее всего, – дрова.
Особенности применения энергоносителей:
Дрова – куски дерева, предназначенные для сжигания в печи.
Зольность дров (особенно нехвойных пород), крайне низка (около 1,5%), поэтому проблем с утилизацией не будет. К тому же для некоторых грунтов древесная зола является прекрасным минеральным удобрением.
Конечно, при обслуживании котла – загрузка дров, чистка теплооб-менника, выгрузка золы, вы не сможете избежать некоторого дополни-тельного загрязнения вашей топочной, но это загрязнение гораздо мень-ше, чем при использовании угля.
Торфяные брикеты – это еще один вид твердого топлива для котлов, печей. Торфобрикеты производятся прессованием обезвоженного фрезер-ного торфа. В торфе содержится большое количество углерода, благодаря которому торфяные брикеты становятся высококалорийным топливом.
В то же время торф содержит мало вредных негорючих остатков и примесей, незначительное количество серы, благодаря чему брикеты из торфа имеют высокие показатели экологичности. Время горения брикетов торфяных для отопления из торфа 4-6 часов и более (в зависимости от объема закладки и отопительного прибора).
Как и другие топливные брикеты, торфобрикеты легко разжигаются, компактны в хранении. Золу, получаемую от их сгорания, можно исполь-зовать как удобрение.
Цена торфяных брикетов по сравнению с традиционными видами топлива относительно невысока, однако по своим характеристикам торфя-ные брикеты не уступают им, поэтому по соотношению «цена-качество» использование их может быть выгодным.
Топливные брикеты (евродрова) – это современное, удобное твердое топливо для всех видов печей, котлов, каминов. Изготовлены из прессо-ванных древесных опилок и стружки. Не содержат никаких добавок и кле-ящих веществ, древесные топливные брикеты -100% экологически чистый продукт. 1 тонна (1,5 м³) топливных брикетов даёт количество тепла, эк-вивалентное 5 кубометрам березовых дров естественной сушки.
Евродрова удобнее и выгоднее дров и угля, потому, что: по тепло-отдаче на единицу веса древесные топливные брикеты превосходят обыч-ные дрова в 2-3 раза и практически равны каменному углю. Длительность горения и тления – в 2-3 раза выше обычных дров. Это всегда готовое к использованию топливо – не надо ничего пилить, колоть, сушить.
Евродрова безопаснее – горят без запаха, не стреляют и не искрят, практически не дают дыма, копоти, угарного газа и других вредных ве-ществ, в отличие от дров или угля. Не взрывоопасны при хранении, в от-личие от газа, дизельного топлива. При сгорании евродрова (топливные брикеты) образуют минимум золы – в 20 раз меньше дров и в 40 раз меньше угля. В результате значительно облегчается чистка печи или ками-на. Золу можно использовать как удобрение.
Отверстия в евродровах позволяют создавать тягу внутри брикета, способствуя горению без принудительной вентиляции, что даёт возмож-ность применять его в топках с низкой тягой.
Современные технологии направлены на использование безопасных, экономичных и высокоэффективных энергоресурсов. Ежегодно в России все больше частных лиц и предприятий отказываются от дорогостоящих энергоносителей, склоняясь на сторону пеллет.
Что из себя представляют топочные пеллеты.
Это специальные гранулы однородной плотности и одинакового размера, которые изготавливаются из отходов сельскохозяйственной и де-ревообрабатывающей отрасли. Сырье сушится, измельчается и прессуется. Благодаря такому подходу, удается добиться стабильности горения на протяжении длительного отрезка времени.
Топливные пеллеты для котлов отличаются характеристиками, где многое зависит от технологического процесса изготовления гранул и ис-пользуемого материала. По эксплуатационным параметрам древесные гранулы намного выгоднее дров:
• высокие показатели теплоотдачи;
• экологичность;
• простота транспортировки и удобство хранения;
• низкая зольность;
• доступная цена пеллет.
Применение экотоплива из стружки экономически выгодно. По срав-нению с электроэнергией, углем, газом и дизельным топливом пеллеты рентабельнее в три-четыре раза. Также следует учитывать экономию и удобство на стадии погрузки, доставки и складирования.
Каменный уголь – удобный, экологически чистый вид топлива, об-ладающий рядом преимуществ по сравнению с использованием сортового угля.
Более высокая плотность и пониженное содержание влаги
Легче контролировать расход и обслуживать процесс горения в пе-чи. Нет спекаемости угля в слое из–за более равномерного распределения измельченного зольного остатка в брикетах.
Цена угольного камня невысокая, поэтому можно сразу же совер-шить оптовую закупку.
Каменный уголь – это наиболее экономичный вариант, так как он может долго храниться на складе.
Брикет более проницаем при горении, чем монолитный кусок угля. Брикет сгорает полностью, и вы получаете всю тепловую энергию, заклю-ченную в нем. Следствие: экономия топлива и повышение КПД теплоагре-гатов до 30%, снижение зольности.
При сгорании в печи не образуется шлаковых отложений, только легко разрушающийся пепел. Это значительно облегчает удаление отхо-дов.Выбор типа источника теплоты зависит от вида топлива, его номи-нальной теплопроизводительности, которая должна быть больше расчет-ных теплопотерь дома на 15–20%, функционального назначения. Ограж-дающие конструкции наиболее современных малоэтажных домов при вы-соком термическом сопротивлении имеют весьма низкую теплопоглоща-ющую способность, вследствие чего они характеризуются малой тепло-устойчивостью, а тепловой режим в них подвержен колебаниям при воз-действии переменных метеорологических факторов и нестабильной подаче теплоты [11].
Топочные мазуты марок 40 и 100 изготовляют из остатков перера-ботки нефти. В мазут марки 40 для снижения температуры застывания до 10°С добавляют 8-15% среднедистиллятных фракций, в мазут марки 100 дизельные фракции не добавляют. Для котельных топлив низшая теплота сгорания QH=39900-41580 дж/кг, при ρ=940-970 кг/м3 [6-10].
Кокс каменноугольный – это твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путём коксования каменного угля при температу-рах 950-1100 °С без доступа воздуха. Кокс содержит 96-98 % С, осталь-ное Н, S, N, O. Пористость 49-53 %, истинная плотность 1,80-1,95 г/см³, кажущаяся плотность ≈ 1 г/см³, насыпная масса 400-500 кг/м³, золь-ность 9-12 %, выход летучих веществ 1 %. Влажность при тушении водой и инертным газом соответственно 2-4 % и не более 0,5 %. Пре-дел прочности при сжатии 15-25 МПа, при срезе (характеризует устой-чивость к истиранию) 6-12 МПа, теплота сгорания 29-30 МДж/кг.
Горючие сланцы также как и бурые угли, содержат горючую массу с большим выходом летучих, причем их, так называемое, сапропе-литовое происхождение, с сохранением значительной части высоконасы-щенных соединений, позволяет получать из них значительные количества (до 22 % к рабочему топливу) смолы, близко напоминающей нефть. В не-которых случаях производство такой искусственной нефти оказывается рентабельным. В США, например, готовятся к производству жидкого топ-лива, взамен нефтяного, из горючих сланцев в количествах, удовлетворя-ющих основное потребление страны. Как топливо горючие сланцы обла-дают рядом недостатков, прежде всего высокой зольностью (до70 %).
Газы горючие – этот вид топлива представлен главным образом природными горючими газами, которые добываются из скоплений при-родного газа и передаются магистральными газопроводами по всей стране. Природные газы состоят в основном из метана (92-98 %), осталь-ные этан, пропан, азот и углекислота.
Большое место в объеме промышленных горючих газов занимают так называемые попутные газы, сопровождающие добычу нефти и отделя-емые от нее в специальных сепарационных установках. Обычно на каждую тонну добытой нефти приходится от 2-3 до сотен м3 газов.
Промышленные газы искусственного происхождения (газогенера-торные, нефтепереработки, колошниковые, коксовые) имеют местное зна-чение и используются внутри предприятий.
По данным Международного энергетического Агентства, в 2004 г. возобновляемые источники энергии (без ГЭС) в суммарном энергопо-треблении составляли 13,5 %. По прогнозам Европейского сове-та по воз-обновляемой энергетике (EREC) к 2040 г. за счет ВИЭ будет покрываться почти половина мирового потребления первичной энергии, и 25% будет составлять доля энергии биомассы [12].
По имеющимся оценкам, технический потенциал возобновляемых ис-точников энергии составляет порядка 4,6 млрд т усл. топлива в год, то есть в пять раз превышает объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России, а экономический потенциал определен в 270 млн т усл. топлива в год, что несколько более 25% от годового по-требления. В реальности картина совершенно другая. В 2001 году доля возобновляемой энергетики в производстве электроэнергии составила около 0,5% от общего производства, или 4,2 млрд. кВт ч, а объем замеще-ния органического топлива — около 1% от общего потребления первич-ной энергии, или около 10 млн т усл. топлива в год [14 ].
К нетрадиционным возобновляемым источникам энергии относятся: торф; энергия биомассы: отходы (сельскохозяйственные, лесного комплек-са, твёрдые и жидкие коммунально-бытовые и промышленные отходы), энергетические плантации (сельскохозяйственные культуры, древесно-кустарниковая и травянистая растительность); энергия ветра; энергия солнца; энергия водных потоков на суше (гидроэлектростанции, мощно-стью менее 1 МВт: миниГЭС, микроГЭС); средне и высокопотенциальная геотермальная энергия (энергия тепла земли): гидротермальные и паро-гидротермальные источники (самоизливающиеся и залегающие на глу-бине), сухие, глубоко залегающие горные породы; энергия морей и океа-нов: приливы и отливы, течения, волны, температурный градиент, гради-ент солености; низкопотенциальная тепловая энергия (почвы и грунта, зданий и помещений, сельскохозяйственных животных) [15].
Использовать технологию производства древесно-угольных брике-тов каталитического горения для генерации тепловой энергии в турбинном цикле на фреонах. Это предложение уже разрабатывалось ЭНИНом в 90-е гг. по заказу Министерства Обороны. Сама технология приготовления древесно-угольных брикетов была разработана тоже в ЭНИНе во время Великой Отечественной войны профессором М.Б. Равичем. Гипотетические запасы древесного угля в нашей стране самые большие в мире, т.к. на 1 человека приходится 5 га леса. Только по санитарным рубкам на человека приходится 10 м³ в год; в уголь при пиролизе древесины переходит 12%, т.е. не менее 1т угля в год. К этому стоит прибавить, что в России ежегод-но образуется 200 млн. м³ отходов и столько же древесного мусора, что эквивалентно 0,3 т угля на человека в год. При сжигании полученного топлива образуется примерно 10705 кВт-ч тепловой энергии. Этой энер-гии достаточно для отопления жилища в течение 220 холодных суток для одного человека в неутеплённом доме, т.е. население России полностью обеспечено необходимым теп- лом за счет лесных ресурсов. В лаборато-рии 0403 ЭНИН-а по заказу Министерства Обороны России – ЗАО «НПО «Проектспецтехника»» были проведены исследования, на основе которых разработаны отопительные устройства для использования в специальных мобильных контейнерах для проживания людей. Кроме отходов деловой древесины и отходов от санитарных рубок, сырьём для предложенной технологии могут служить отходы с баз по растариванию сортового угля, который в большом количестве производится для нужд металлургии и в качестве топлива для каминов. Пиролизованные отходы сельского хозяй-ства, такие как солома, костра, ореховая скорлупа, также могут быть сы-рьём [16]. Сырьём также может быть и пиролизованный торф, по запасам которого наша страна занимает первое место в мире. Окисление древесно-угольных брикетов в любом случае даёт около 7000 ккал/кг (28000 кДж/кг или 8 кВт-ч тепловой энергии). Примерно такое же количество энергии да-ёт окисление каменных углей высшего сорта Донецкого или Кузнецкого бассейнов. Себестоимость 1 кВт*ч тепловой энергии, по- лученного при горении брикетов каталитического окисления, равна примерно 1 рублю. Следовательно, такая технология генерации электроэнергии уже сейчас становится более конкурентоспособной по сравнению с другими схемами получения электроэнергии.