CC BY
9Статья поступила в редакцию 01.07.13. Ред. рег. № 1700
The article has entered in publishing office 01.07.13 . Ed. reg. No. 17004
УДК 620.383; 621.472
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ БЕЗОТХОДНОГО ГЕЛИОБИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА В АРИДНОЙ ЭКОСИСТЕМЕ
А.М. Пенджиев, М.А. Пенжиев
Туркменский государственный архитектурно-строительный институт Туркменистан, 744025, Ашхабад, ул. Б. Аннанова, д. 1 Тел.: (99312) 37-09-50, е-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 08.07.13 Заключение совета экспертов: 15.07.13 Принято к публикации: 22.07.13
В статье рассматривается безотходный гелиобиотехнологический комплекс (БГК), который представляет собой замкнутую экологически чистую систему и включает в себя гелиобиотеплицу для выращивания тропических и субтропических культур с одновременным содержанием птиц и животных. Поддержание микроклимата в течение года осуществляется с помощью теплонасосной установки, которая позволяет производить отопление в зимнее время и охлаждение в летнее, необходимость которого вызвана климатическими условиями Туркменистана, имеющими резко континентальный характер. Работа теплового насоса осуществляется с помощью газомоторного привода на основе выработанного газа с помощью биогазовой установки, которая использует отходы жизнедеятельности растений, птиц и животных, находящихся в гелиотеплицах. При сжигании газа в газомоторном приводе теплового насоса отходы углекислого газа (CO2) подаются в теплицу для интенсификации процесса фотосинтеза у растений и выращивания биологических активных добавок. Продукт фотосинтеза растений в виде кислорода О2 поступает в газомоторный привод теплового насоса и используется в процессе жизнедеятельности птицами и животными.
Использование БГК позволяет существенно сократить расходы топливно-энергетических ресурсов в пределах 70100% за счет использования теплонаносной системы теплохладоснабжения, биогазовой установки и производства биологических активных добавок и хлорококковых водорослей (спириллы, сценедесмус, хлорелла и многие др.). Экономия топлива способствует уменьшению выбросов в окружающую среду.
Ключевые слова: биотехнология, гелиотеплица, тепловой насос, энергоэффективность, биологические активные добавки, хлорококковые водоросли, хлорелла, спирилла, сценедермус, пустыня, сельское хозяйство, безотходный комплекс.
ENERGY EFFICIENCY OF WASTELESS HELIO-BIOTECHNOLOGY COMPLEX
IN ARID ECOSYSTEM
A.M. Penjiyev, M.A. Penjiyev
Turkmen State Institute of Architecture and Civil Engineering 4/1 Solar, m. Bekrova, Ashkhabad-32, 744032, Turkmenistan Tel.: (99312) 37-09-50, e-mail: [email protected]
Referred: 08.07.13 Expertise: 15.07.13 Accepted: 22.07.13
Wasteless helio-biotechnological complex (WHC) is presented in the paper. It represents a closed ecologically pure system and includes helio-biogreenhouse for cultivation of tropical and subtropical cultures with the simultaneous breeding of birds and animals. Maintenance of microclimate within a year is carried out using thermal pump installations, which allow producing heat during winter time and cold in summer, which is necessary due to climatic conditions of Turkmenistan having sharply continental character. The work of the thermal pump is carried out using gas-engine drive based on the produced gas with the help of biogas installation, which uses waste of vital activity of plants, birds and animals being in helio-greenhouse. At gas burning in gas-engine drive of the thermal pump the carbonic gas (CO2) is supplied to the greenhouse for intensification of photosynthesis process of plants. The product of the plants photosynthesis (oxygen О2) goes to the gas-engine drive of the thermal pump, and is used during vital activity of birds and animals.
Use of WHC allows essentially reducing the charges of fuel and energy resources within 70-100 % due to use of the thermal pumping system of heat and cold supply and biogas installation and manufacture of biologically active additives сhlorococcophyceae, protococcophyceae, ^loretta, spirulina, scenedesmus and many other. The economy of fuel promotes reduction of emissions into environment.
Keywords: biotechnology, helio-biogreenhouse, thermal pump, energy efficiency, biological active additives, сhlorococcophyceae, protococcophyceae, сhlorella, spirulina, scenedesmus, desert, agriculture, wasteless complex.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
I
Максат Ахмедович Пенжиев
Сведения об авторе: образование высшее, окончил Туркменский государственный институт нефти и газа, энергетический факультет, по специальности инженер-механик, работает в проектном учреждении «Ашпроект».
Область научных интересов: биотехнологии, энергоэффективность, экосистемы, освоение пустынь, сельское хозяйство, безотходные технологии.
Публикации: 10.
Актуальность проблемы
Туркменистан с первых лет независимого развития активно участвует в решении глобальных, региональных и национальных экологических проблем, ратифицировав ряд природоохранных конвенций ООН.
Он одним из первых в 1996 г. ратифицировал Конвенцию ООН по борьбе с опустыниванием, приступив уже через год к реализации собственного Национального плана действий по охране окружающей среды. По инициативе Президента Туркменистана Гурбангулы Бердымухамедова, в стране разрабатывается ряд масштабных природоохранных проектов, которые вносят весомый вклад в сохранение окружающей среды и рациональное природопользование как на национальном, так и международном уровне. В стране накоплен бесценный опыт по предотвращению деградации земель и борьбе с опустыниванием. В этой многовекторной и масштабной работе охрана окружающей среды и рациональное природопользование являются приоритетными направлениями государствен-ной экологической политики Туркменистана.
3 мая 2013 г. Президент Туркменистана Гурбан-гулы Бердымухамедов принял исполнительного секретаря Конвенции ООН по борьбе с опустыниванием (КБО ООН) Люка Гнакаджу, прибывшего в Ашхабад с рабочим визитом. В ходе встречи были затронуты проблемы, остро стоящие на повестке дня глобального человеческого развития, признана проблема опустынивания и освоения. Важным шагом в общей борьбе с опустыниванием, засухой и, как следствие, деградацией земель стало принятие Конвенции ООН по борьбе с опустыниванием -одного из трех имеющих особое значение международных договоров об окружающей среде, которые сегодня ратифицировали около 200 стран. Созданная в целях объединения усилий государственных и
общественных организаций на международном, региональном, национальном и местном уровнях, Конвенция предлагает комплексный подход к решению данной проблемы и смягчению негативного влияния опустынивания и засух на страдающие от них государства.
В рамках встречи Президент Гурбангулы Берды-мухамедов и его гость обменялись мнениями о ходе продвижения совместных проектов и программ по борьбе с опустыниванием, перспективах проведения конференций международного уровня, а также обсудили вопросы улучшения мелиоративного состояния земель и системы водосбережения в стране.
Подчеркнув важность реализуемых Туркменистаном масштабных проектов национального и регионального значения, важнейшим из которых является строительство Туркменского озера «Алтын Асыр» в самом центре Каракумов, исполнительный секретарь КБО ООН поблагодарил Президента Гурбангулы Бер-дымухамедова за его лидерскую позицию в вопросах борьбы с опустыниванием. Гость отметил, что целенаправленная деятельность в данном направлении является важным фактором устойчивого развития, и богатый опыт нашей страны может стать предметом детального изучения для государств, столкнувшихся с этой проблемой. Туркменистан по праву может гордиться достигнутыми успехами в экологическом восстановлении пустынных земель и предотвращении процесса опустынивания.
Тема экологического благополучия не раз поднималась главой Туркменского государства на всемирных форумах, в том числе в ходе сессий Генеральных Ассамблей ООН и состоявшейся в Рио-де-Жанейро в июне прошлого года Конференции ООН по устойчивому развитию. С высокой трибуны Всемирного саммита «Рио+20» Президент Туркменистана озвучил ряд важных международных инициатив, предлагающих принципиально новый, комплексный подход к природоохранной политике.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Поддержав все выдвинутые туркменским лидером предложения, г-н Люк Гнакаджа выразил глубокую заинтересованность в организации и дальнейшем углублении и неуклонном наращивании многолетнего продуктивного сотрудничества, всецело отвечающего интересам благополучия всего человечества и Целям Тысячелетия ООН.
«Присоединившись к ряду самых значимых природоохранных конвенций ООН, Туркменистан и впредь будет принимать самое активное участие в международных усилиях на этом стратегически важном направлении. Мы предлагаем свое видение решения имеющихся и предотвращения возможных проблем, оказывающих негативное влияние на весь процесс глобального человеческого развития, - подчеркнул лидер нации. - В числе первостепенных задач, требующих безотлагательного решения, мы считаем такие, как сохранение уникальных, но чрезвычайно уязвимых экосистем, принятие скорейших мер по минимизации негативного воздействия на окружающую среду нанесенного ранее экологического ущерба, повышение экологического воспитания и образования и, конечно же, установление самого тесного международного сотрудничества» [Газета «Нейтральный Туркменистан» 4 мая
2013 г.].
J
По характеру рельефа основная часть территории Туркменистана (более 80%) представляет собой равнину, занятую пустынями и полупустынями. Здесь расположена величайшая в нашей стране пустыня - Каракумы. Горы, занимающие примерно 8% общей площади, расположены преимущественно на юге, юго-востоке и востоке страны.
Каракумы занимают пространство площадью 9 350 тыс. км2 - от Амударьи на востоке до Балхан на западе и от предгорий Копетдага и Паропамиза на юге до дельтовых староречий Амударьи на севере. Эту обширную территорию делят на Заунгузские и Низменные Каракумы.
Туркменистан обладает более 40 млн. га пастбищных угодий в аридной зоне горных регионов, на которых содержатся более 17 млн. голов овец, коз, крупнорогатого скота, верблюдов. Пастбищные технологии выращивания животных вследствие использования природных кормовых ресурсов являются наиболее рентабельными и позволяют обеспечивать население Туркменистана отечественными мясными продуктами, а также сырьем для легкой промышленности (шерсть, кожа и т.д.) [1, 11-13].
Важнейшим средством интенсификации производства пастбищных комплексов и улучшения социально-экономических условий жизни сельских товаропроизводителей (удаленных от энергосистемы) является возобновляемая энергетика.
При наличии ресурсов с помощью этих экологически чистых источников энергии можно решать локальные проблемы энергообеспечения в Туркменистане в пустынных районах, в которых проживают животноводы, буровики, железнодорожники и т.д.
Учитывая вышеизложенное, в статье авторы рассматривают разработанный безотходный (БГК), возможности комплексного подхода ВИЭ с использованием современных инновационных технологий и партнерства в поиске различных форм управления охраной окружающей среды в контексте социально-экономи-ческих и бытовых вопросов пастбищных хозяйств пустынь, а также совместных решений экологических проблем в области безотходных хозяйств со странами СНГ и другими странами мира.
Безотходный гелиобиотехнологический комплекс
В Туркменистане имеются довольно широкие возможности применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для автономных потребителей, особенно в сельской местности. В сфере сельскохозяйственного производства применение нетрадиционных источников энергии и энергосберегающих установок (теплонаносные установки, биогазовые и др.) позволят решить проблему развития животноводства, птицеводства и сельского хозяйства. В удаленных от источников энергоснабжения районах использование возобновляемых источников энергии является практически единственной альтернативой и позволяет значительно улучшить социально-быто-вые условия населения. Туркменистан активно поддерживает и участвует в программах мирового сообщества по сокращению антропогенного воздействия на окружающую среду, снижению вредных выбросов в атмосферу, являющихся одной из главных причин глобального потепления климата [12, 13].
Схема БГК
Разработанный авторами автономный безотходный гелиобиотехнологический комплекс (БГК), состоящий из комбинированной гелиобиотеплицы, теплонасосной и биогазовой установок, электрогенератора и жилого помещения, предназначен для одновременного производства животноводческой или птицеводческой и сельскохозяйственной продукции. Весь процесс производства происходит по замкнутому циклу, в котором все биологические и технологические отходы непрерывно перерабатываются и вновь используются [3, 4, 8, 13]. На рис. 1 наглядно показан процесс производства сельскохозяйственной продукции и утилизации отходов.
Данная компоновка комплекса способствует существенному снижению расхода органического топлива, уменьшению вредных выбросов в атмосферу, улучшению социально-бытовых условий обслуживающего персонала и успешному решению продовольственной программы.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Рис. 1. Схема безотходного гелиобиотехнологического комплекса: 1 - гелиобиотеплица (ГБТ), 2 - теплонасосная установка (ТНУ), 3 - газомоторный привод (ГМП), 4 - биогазовая установка (БГУ), 5 - электрогенератор (ЭГ), 6 - жилищное помещение (ЖП) Fig. 1. Scheme of heliobiotechnological wasteless complex: 1 - helio-biogreenhouse (ГБТ), 2 - heat pump installation (ТНУ), 3 - gas-motor drive (ГМП), 4 - biogas installation (БГУ), 5 - electric generator (ЭГ), 6 - living premises (ЖП)
Основные элементы БГК
Основным элементом данного комплекса является гелиобиотеплица, в которой одновременно производится растительная и птицеводческая продукция. Для стимулирования жизнедеятельности растений и птиц и повышения их продуктивности необходимо в гелиотеплице создать благоприятный микроклимат, который должен отвечать всем зоогигиеническим требованиям в течение всего года. Птицы особенно чувствительны к изменениям микроклимата в помещении, что сказывается на яйценоскости, количестве яичной массы на одну курицу в день и расхода комбикорма на 1 кг яичной массы.
На рис. 2 показано влияние температуры воздуха в птичнике на продуктивность кур и потребление ими кормов [4, 5]. Согласно НТП-СХ4-69, расчетные параметры воздуха должны соответствовать следующим условиям: температура (12-16) °С, относительная влажность (60-70)% и скорость движения воздуха (0,3-0,6) м/с. Допустимые концентрации углекислоты в принципе не должны превышать (1,82,0) л/м3, аммиака 0,01 мг/л и сероводорода 0,005 мг/л [1, 3-5, 8, 10].
Основными показателями климата в культивационном отсеке, где находятся растения, являются температура и влажность воздуха. Температурный режим определяется системой отопления и действия солнечной радиации. Влажность воздуха обуславливается интенсивностью испарения с поверхности почвы и испарением воды растениями. Влажность зависит от температуры воздуха и с увеличением температуры она повышается.
Рис. 2. Влияние температуры воздуха в БГК на продуктивность кур и потребление ими кормов: ♦ - яйценоскость, %; ■ - количество яичной массы на одну курицу в день, г; - расход комбикорма на 1 кг яичной массы, кг Fig. 2. Influence of air temperature in БГК on efficiency of hens and consumption of forages: ♦ - egg production, %; ■ - egg weight on one hen per day, g; - expense of mixed fodder on 1 kg of egg weight, kg.
Важным параметром для стимулирования жизнедеятельности растений является газовый состав. Поскольку в процессе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и солнечный свет, а выделяют кислород, необходимо, чтобы отсек имел остекленную ограждающую поверхность и углекислый газ подавался с отсека, где находятся птицы, а кислород поступал от растений птицам. Кроме того, куры в процессе жизнедеятельности выделяют большое количество тепла, которое в зимнее время дополнительно поступает на отопление теплицы. В табл. 1 показано количество тепла, углекислоты и водяных паров, выделяемых птицей, согласно НТП-СХ4-69 [3-5, 7, 10-15].
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Таблица 1
Количество тепла, углекислоты и водяных паров, выделяемых взрослой птицей (по НТП-СХ4-69) [7]
Table 1
Quantity of heat, carbonic acid and water steams allocated with an adult bird (on НТП-СХ4-69) [7]
Количество, выделяе-
мое на 1 кг живой
Ь массы птицы
Виды и возрастные группы птиц Живая маооа птицы, свободного тепла, кДж/ч углекислоты, л/ч водяных паров, г/ч
При содержании:
в клетках
куры яичных пород 1,5-1,7 28,5 1,7 5,1
напольном
куры яичных пород 1,5-1,7 33,1 2,0 5,8
куры мясных пород 2,5-3,0 30,2 1,8 5,2
индейки 6,3 28,1 1,7 5,0
утки 3,5 20,1 1,2 3,6
бпол - бт.п. - бор. - Q п
(1)
бпол- - QT.np. - Qo p. - Q п
(2)
Таким образом, одновременное содержание птиц и растений в гелиотеплице позволяет в той или иной мере регулировать газовый состав воздуха, его температуру и влажность. Проведенные расчеты показывают, что для создания оптимального температурного режима в комбинированной гелиотеплице в течение всего года необходим дополнительный обогрев, особенно в холодные зимние периоды, и охлаждение в летнее время.
Теплотехнические расчеты гелиобиотеплицы
Для зимних условий тепловой баланс комбинированной гелиотеплицы описывается следующим уравнением:
Рис. 3. Количество тепла в безотходном БГК (4-10 мес. с затенением) Fig. 3. Quantity of heat in heliobiotechnological wasteless complex (4-10 months with shadow)
Как видно из номограммы, в зимний период для пригорода Ашхабада требуется незначительное дополнительное отопление, однако в летний период требуется существенное охлаждение гелиобиотепли-цы. Поэтому в летние месяцы необходимо предусмотреть затенение для снижения тепловой нагрузки на систему охлаждения. Применение затенения позволяет почти в 2 раза снизить тепловую мощность, особенно поступающую от солнечной радиации в жаркие летние периоды. Расчет проводился для комбинированной гелиотеплицы, где одновременно выращивались лимоны в одном отсеке на площади 80 м2, а в другом содержались куры в количестве 580 шт. Это сооружение односкатного типа с продольной осью восток-запад, прозрачная поверхность которого ориентирована на юг (рис. 1). Основная часть покрытия представляет собой прозрачную остекленную поверхность, расположенную под углом 45° к горизонту, а вспомогательная непрозрачная расположена под углом 20°. Птицы, находящиеся в гелиотеплице, представляют собой биогенератор тепла, и за счет этого тепла можно частично покрыть тепловые потери в зимнее время. Расчеты показывают, что при температуре окружающей среды (-10 °С) за счет солнечной энергии и тепла птиц можно поддерживать температуру воздуха в теплице не ниже (+10С). Согласно [3, 4], температура внутри теплицы за счет тепловыделения птиц может быть определена по формуле:
где Qпол - тепло, необходимое для отопления; Qтп -тепловые потери через ограждение; Qс.р - тепловой поток от солнечной радиации; Qпт - тепло, выделяемое птицами.
Для летнего периода тепловой баланс имеет следующий вид:
12
Т =■
1 В
378 + _ Тн X KF m
1+-Xk.F.
m
(3)
где Qт.пр - теплоприток от окружающей среды.
На рис. 3 показана номограмма потребления тепла в гелиобиотеплице при одновременном содержании птиц и растений для зимнего периода и количества выделяемого тепла в летнее время.
где т - масса всех птиц; ¥) - площадь ограждающих конструкций; К - коэффициент теплопередачи ограждающих конструкций; Тв, Тн - температуры внутреннего и наружного воздуха соответственно.
Кроме того следует иметь в виду, что продукты жизнедеятельности птиц содержат вредные газы, такие как аммиак (КН3) и сероводород (Н28), которые также могут быть утилизированы при производстве удобрений, необходимых растениям в виде аммиачной селитры и др. Другая часть продуктов жизнедеятельности птиц и растений в виде отходов
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
подается в биогазовую установку для производства газа метана (СН4), который в дальнейшем используется в качестве горючего газа. В биогазовой установке происходит метановое сбраживание биологических отходов в анаэробных условиях, при этом качество удобрений значительно улучшается, устраняется неприятный запах и предотвращается заражение людей и птиц патогенными микроорганизмами, которые погибают в процессе метанового брожения. В качестве биогазовой установки была принята установка с биореактором секционного типа, разработанная в НПО «Солнце» АН ТССР [8, 1315], которая объединяет в себе биореактор объемом 20 м3, регулярно заполняемый отходами жизнедеятельности птиц и растений. С помощью микроорганизмов происходит непрерывный процесс анаэробного метанового сбраживания с выходом горючего газа метана. Вырабатываемый газ подается в газгольдер объемом 2 м3, который служит накопителем газа. Система автоматики постоянно поддерживает необходимую температуру для оптимального процесса брожения. Обычно процесс метанового брожения отходов в мезофильном режиме производится при температуре 35 °С, термофильном при 55 °С.
Технологические характеристики биоотходов
Некоторые технологические показатели процесса переработки биологических отходов в мезофильном режиме приведены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты исследования технологических показателей процесса метанового брожения биологических отходов на опытно-промышленной биогазовой установке с использованием солнечной энергии [8]
Table 2
Investigation results of technological indicators of methane fermentation process of biological wastes at experimental-industrial biogas installation using solar energy [8]
Показатель процесса Значение
Суммарный выход биогаза, м3 298
Удельный выход биогаза, м3/кг 0,44
Содержание метана в биогазе, об % 64,06
Суммарный выход метана, м3 255
Степень конверсии абсолютно сухого органического вещества в биогаз, % 46,6
Биологический выход метана, м3/кг 0,28
Интенсивность метаногенерации, 10-4 м3/кг сут. 4,86
Производительность биореактора, м3/сут 11,37
Мощность биореактора, м3/сут 20,72
Интенсивность работы биореактора, м3/м3 сут. 0,57
Для поддержания оптимального температурного режима в течении года как в гелиобиотеплице, так и в биогазаовой установке были использована тепло-насосная установка, разработанная авторами в НПО «Солнце» АН ТССР [2-8,12,13].
Энергоэффективность теплового насоса
Опыт мировой практики показывает, что наиболее перспективной областью применения тепловых насосов является сельское хозяйство. Это объясняется тем, что многие объекты рассредоточены по территории, в связи с чем отсутствует возможность их подключения к сетям централизованного теплоснабжения, а с другой стороны имеются различные местные вторичные энергоресурсы. Защищенный грунт требует огромного количества тепловой энергии. Затраты на технический обогрев составляют 40-65% себестоимости продукции, поэтому при проектировании теплично-парниковых хозяйств первостепенное внимание следует уделять выбору наиболее рациональных источников технического обогрева, обосновывая его сравнительным технико-экономическим расчетами. Наибольшее распространение на сегодняшний день получили отопительные устройства четырех типов - печное отопление, отопление от районной котельной, квартирное отопление и электрический обогрев с помощью калориферов. Был проведен анализ различных систем отопления по расходу условного топлива. Сравнение было проведено с теплонасосной системой при различных коэффициентах преобразования, результаты которых представлены на рис. 4.
Рис. 4. График расхода условного топлива
различных систем отопления Fig. 4. Diagram of conditional fuel consumption for different heating systems
Расчеты позволили выявить зону экономической эффективности тепловых насосов по расходу условного топлива по сравнению с традиционными системами отопления. Применение теплонасосной системы теплоснабжения является эффективной с точки зрения тепловой экономичности только в том случае, если выполняется следующее неравенство:
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
вВт.н. < В, (4)
где В - удельный расход топлива на получение единицы тепловой энергии различных систем отопления, кг/кВт-ч.
Из рис. 4 видно, что самым неэкономичным способом отопления, как и следовало ожидать, является печное отопление, которое, однако, получило самое широкое распространение в сельской местности. Так, теплонасосное отопление эффективно по тепловой экономичности по сравнению с печным уже при значении коэффициента преобразования Ктр = 0,75 и более. Самым выгодным, с точки зрения расхода топлива, является отопление от районной котельной. Однако при коэффициенте преобразования Кр = 2,2 и выше отопление с помощью тепловых насосов становится экономически более целесообразным перед всеми рассмотренными традиционными системами отопления. Применение тепловых насосов позволяет снизить суммарные расходы на отопление за счет использования тепла окружающей среды на 60-70%.
Другой важной особенностью тепловых насосов является способность работать в режиме отопления и охлаждения, что способствует обеспечению необходимого температурного режима в гелиобиотеплице и биогазовой установке, а также в жилом помещении в летнее и зимнее время.
Энергосберегающие особенности теплового насоса
Приводом теплонасосной установки в нашем случае служит газомоторный двигатель. Применение газомоторного привода по сравнению с электродвигателем значительно увеличивает эффективность теплового насоса. Так при дополнительном использовании отходящего тепла коэффициент использования тепла составляет Кр = 5,8-7,0 (опытные данные), в то время как с электроприводом этот коэффициент составляет Кр = 2,2-4,5, т.е. в 2-3 раза ниже. Важным фактором при использовании ТНУ является правильный выбор источника низкопотенциального тепла, в качестве которого может быть использована температура окружающего воздуха, тепло грунтового массива, различных водоемов, сбросное тепло промышленных и сельскохозяйственных объектов. В нашем случае используется грунт, куда на глубину 1,0-1,5 м укладывается теплообменник, по которому циркулирует вода, отбирая тепло, запасенное грунтовым массивом, и передавая его испарителю ТНУ, где происходит преобразование в тепло более высокого температурного уровня, необходимое для отопления гелиотеплицы и других объектов в зимнее время. Чем выше температура низкопотенциального источника, тем выше эффективность ТНУ. Экспериментальные исследования, проведенные авторами, показали, что коэффициент использования тепла теплового насоса с электроприводом составил Ктр = = 3,3-3,5. Это означает, что на единицу затраченной тепловой энергии на привод ТНУ можно получить в
3,5 раза больше полезной тепловой энергии, причем на более высоком температурном уровне, за счет утилизации как энергии низкопотенциального источника (окружающий воздух, грунт, водоем, производственные тепловые отходы и др.), так и энергии привода компрессора ТНУ [3].
На рис. 5 показано значение действительного коэффициента преобразования теплового насоса, полученного авторами в зависимости от температуры источника низкопотенциального тепла и температуры потребителя тепловой энергии. Из графика видно, что чем выше температура низкопотенциального источника и чем ниже температура потребителя тепла, тем выше коэффициент использования тепла, и значит можно получить больше полезной тепловой энергии для отопления теплицы и других объектов по сравнению с затраченным на привод компрессора.
Рис. 5. Действительный коэффициент преобразования теплонасосной установки (Ктр) и количество полезного тепла (Кэ) на единицу затраченной энергии Fig. 5. Valid factor of heat pump installation transformation (Ктр) and quantity of useful heat (Кэ) per unit of spent energy
В дальнейшем была проведена доработка ТНУ, связанная с использованием газомоторного привода, поскольку в качестве топлива использовался биогаз, получаемый в биогазовой установке. Продукты сгорания биогаза в газомоторном приводе в виде газа СО2 подавались в гелиотеплицу, где находились растения, а тепло, отведенное системой охлаждения двигателя, использовалось для дополнительного отопления теплицы в зимнее время.
Существенный эффект достигается при использовании ТНУ в летнее время. Из номограммы видно, что в летнее время гелиобиотеплица, в которой находятся птицы и растения, значительно подвержена тепловой радиации как от солнца, так и от самих птиц. В летнее время происходит перегрев гелиотеп-лицы и температура внутри может значительно превышать температуру окружающей среды в летнее время, что будет отрицательно сказываться на со-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
стоянии птиц и растений. Для снижения тепловой нагрузки на гелиотеплицу в летнее время необходимо произвести затенения различными способами (шторы, посадка виноградника и др.), тем самым потребуется ТНУ с меньшей холодопроизводитель-ностью и, следовательно, с меньшим потреблением энергии. Из номограммы видно, что применение затенения позволяет почти в 2 раза снизить тепловой поток от солнечной радиации в летнее время. Применение ТНУ в зимние и летние периоды времени года снижает почти в 2 раза ее срок окупаемости. Сама теплонасосная установка может быть изготовлена на базе серийно выпускаемых холодильных агрегатов, что снижает капитальные затраты и, тем самым, уменьшает стоимость всей ТНУ.
Поскольку для привода теплонасосной установки использовался газомоторный двигатель внутреннего сгорания, то для получения электрической энергии на нем был установлен электрогенератор мощностью 1,5 кВт, который вырабатывал переменный ток напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Полученная электроэнергия использовалась для освещения, питания системы автоматики и вентиляционной системы гелиобиотеплицы. Другая часть электроэнергии поступает в жилое помещение обслуживающего персонала, обеспечивая питанием электрооборудование (холодильник, освещение, телевизор, кондиционер и др.), тем самым значительно улучшая социально-бытовые условия обслуживающего персонала [1-5].
Выводы
Подобная компоновка гелиобиотехнологического комплекса позволяет при содержании птиц и выращивании растений полностью утилизировать все виды биологических и технологических отходов, обходиться без внешнего тепло- хладо- и электроснабжения за счет использования солнечной энергии, теплонасосной, биогазовой установок и электрогенератора. При этом достигается высокая продуктивность, существенная экономия топливно-энергетических ресурсов и обеспечивается хорошая экологическая обстановка. Поскольку данный комплекс представляет собой автономную, технологически замкнутую и экологически чистую систему, это позволяет создавать подобные объекты для выращивания животных, птиц и растений практически по всей территории Туркменистана и других стран. Внедрение безотходных гелиобитехнологических комплексов позволит в кратчайшие сроки решить проблемы агропромышленного комплекса и успешно реализовать программу развития экономики на период до 2020 г. При этом будут одновременно решаться социальные проблемы жителей отдаленных регионов, значительно сократится расход топливно-энергетических ресурсов и уменьшится загрязнение окружающей среды вредными выбросами.
Разработанный безотходный гелиобиотехнологи-ческий комплекс внесет весомый вклад в гармониза-
цию развития общества и окружающей природной среды, сохранение природных экосистем, поддержание их целостности и жизнеобеспечивающих функций для устойчивого развития общества, повышения качества жизни и улучшения здоровья населения, обеспечения экологической безопасности.
Список литературы
1. Бердымухамедов Г.М. Государственное регулирование социально-экономического развития Туркменистана. Том 1. А.: Туркменская государственная издательская служба, 2010.
2. Авлякулиев Дж., Мезилов А., Реджепов К. Эффективность и перспектива использования биогенераторов тепла. Ашхабад, 1985.
3. Байриев А.Ч. Научно-технические основы разработки теплонасосной системы теплохладоснабжения автономных потребителей с использованием нетрадиционных источников низкопотенциального тепла. Ав-тореф. дисс. ... д-ра наук. Ашхабат, 1993.
4. Байриев А.Ч., Пенджиев А.М. Безотходный ге-лиобиотехнологический комплекс. Патент Туркменистана на изобретение № 404, 2007 г.
5. Байриев А. Ч., Пенджиев А. М Безотходный гелио-биотехнологический комплекс с автономным энергоснабжением. Патент Туркменистана на изобретение № 432, 2010 г.
6. Байриев А.Ч., Пенджиев А.М. Безотходный ге-лиобиотехнологический комплекс // Проблемы освоения пустынь. 2005. № 1. C. 45-49.
7. Захаров А.А. Применение тепла в сельском хозяйстве. М.: «Колос», 1974.
8. Келов К. Разработка научных основ технологии метанового сбраживания отходов животноводства и создание биогазовых установок с использованием солнечной энергии. Автореф. дисс. ... д-ра наук. Ашхабат, 1990.
9. Ковалев А.А. Использование отходов животноводства для получения биогаза // Бюлл. Интерсолацен-тра «Возобновляемая энергия». 2001. № 4. С. 1-3.
10. Пенджиев А.М. Агротехника выращивания дынного дерева (Carica papay L.) в условиях защищенного грунта в Туркменистане. Автореф. дисс. ... д-ра наук. М. 2000.
11. Пенджиев А.М. Автономное электро и водоснабжение пустынных пастбищ с использованием солнечных фотоэлектрических установок // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2007. № 9. С. 27-28.
12. Пенджиев А. М. Изменение климата и возможности уменьшения антропогенных нагрузок // Монография. LAMBERT Academic Publishing. 2012.
13. Стребков Д. С., Пенджиев А. М., Мамедсахатов Б. Д. Развитие солнечной энергетики в Туркменистане // Монография. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012.
14. Степанов В. Э. Возобновляемые источники энергии на сельскохозяйственных предприятиях. М.: Агро-промиздат, 1989.
15. Справочник по климату СССР. Вып. 30. Температура, воздуха и почвы. Л.: Гидрометеоиздат, 1967.
Г.-":
— TATA — < >
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
