Тұрмыстық маңайдағы немесе көп деңгейлі ғимараттарды жылыту және санитарлық-гигиеналық ыстық су жүйелеріне арналған маусымдық күн жылу энергиясын сақтау (КЖЭС) технологиясы.

Пререквизиттер

Қазіргі уақытта бөлме жылуымен және ыстық сумен қамтамасыз ету үшін жылу энергия станциялары (ЖЭС) жылу энергиясын жеткізу үшін төмен әрі ескірген аудандық жылумен жабдықтау жүйелерімен қолданады. Жабдықтардың нашарлығы және техникалық қызмет көрсетудің болмауы салдарынан жылу жоғалуының жоғары деңгейінде. Мысалға, көп қабатты тұрғын үйдің орташа жылу тұтынуы жылына шамамен 270 кВт/м2 құрайды, ал батыс елдерінде жылына 120-140 кВт / м2 құрайды.

Соның салдарынан отынның осындай жоғары сұраныстары бұрынғы Кеңес Одағы елдерінде, соның ішінде Қазақстандағы қоршаған ортаның ластануына және халықтың денсаулығына елеулі проблемалар алып келеді.

Ұсынылған технология күн сәулесінің жылу энергиясын тұрғын үйлерге, көп қабатты ғимараттарға, жылыжайларға арналған жылыту және ыстық су жүйелеріне қолдануға бағытталған және орталықтандырылған жылу жүйесі ретінде қарастырылуы мүмкін.

Сонымен қатар, осындай қарқынды жүйелерде пайдалануды қиындататын күн энергиясының қарқындылығы күнделікті және маусымдық өзгерістерімен байланысты мәселелер шешілетін болады. Осылайша, күн энергиясының 70 – 90 пайызы бөлме жылу және ыстық су жүйесімен қамтамасыз болады.

Технологияның қысқаша сипаттамасы

КЖЭС технологиясы келесі құрамдас бөліктерден тұратын болады:

  1. күн коллекторларының жүйесі (КЖ);
  2. энергиясы жоғары тығыз материалдар негізіндегі қысқа мерзімді аккумулятор (ҚМА);
  3. бірыңғай U-типті ұңғымалық жылу алмастырғыш (ҰЖА) негізіндегі ұңғымалы жылу энергия аккумуляторы (ҰЖЭА);
  4. қыздыру және жылу жүйелерінің жылу жүктемесін жеткілікті түрде қамтамасыз етпейтін жағдайда қосымша қазандық орнатылады.

Күн ыстық күндерде күн коллекторларын пайдалану арқылы қыздырылатын жылытқыштар ҚМА-ге, содан кейін ұңғымаға орнатылған U-типті ұңғымалық жылу алмастырғыштар (ҰЖА) көмегімен жер қойнауына ауыстырылады және жерасты сақтау құралы ретінде қызмет етеді. ҰЖЭА өрісі дөңгелек және жоғарғы жағынан оқшауланған. Сонымен қатар, ҰЖА — тар бетіне біріктіріліп, ҚМА -дың қыздырылған сұйықтығы өріс шетіне дейін ҰЖА -ты ортақ айналымдық ойдан бастайды және ҚМА-ке қайта оралады. Осылайша, ҰЖЭА өрісінің температурасы ең жоғарғы шамаға ие және 70С айналасында сақталады. Алдағы суық мезгілде жылуды ҰЖА – ларды пайдалана отырып, ҚМА -ге жібереді, онда температура шамамен 65С-ге тең болады, бұл бөлме жылуына және ыстық су қолданысына заманауи ғимараттар үшін жеткілікті. Алайда, қажет болған жағдайда, қыздырылған сұйықтықтың температурасы қазандықтың / қыздырғыштың қажетті дәрежеге дейін артуы мүмкін. Жыл мезгілінде ыстық су жүйесі үшін энергия тікелей ҚМА -дан босатылады, онда температура 80С кем болмайды. Осылайша, жүйе заманауи ғимараттар (күнделікті ғимараттар) үшін күн энергиясымен жылумен қамтамасыз етудің шамамен 90% (70%) жеткізе алады.

Технологияның функционалдық мақсаты

КЖЭС технологиясы жерасты жылу аккумуляторларында және қысқа мерзімді сақтау аккумуляторларында күн сәулесінен жылу энергиясын коп мөлшерде жылыту және ыстық сумен қамтамасыз ету үшін сақталған жылу энергиясын ары қарай пайдалану үшін жасақталған.

Ұсынылған технология күнделікті және маусымдық өзгерістерге байланысты мәселелерді шешеді, яғни уақыт және ауа-рай жағдайына қарамастан, жыл бойы орталықтандырылған жүйе ретінде жылумен қамтамасыз етеді.

Техникалық нәтиже күннің энергиясының орташа маусымдық пайдалану коэффициентін ұлғайту болып табылады, яғни күн энергиясы есебінен бөлме жылуын және ыстық су жеткізу үшін қажетті жылу энергиясының 70% астамын қамтамасыз етуге мүмкіндік береді.

Технологияны қолдану аймақтары

Ұсынылған технология күннің жылу энергиясын сақтаудың орталықтандырылған жүйесі және оны бөлме жылыту және тұрмыстық ыстық сумен қамтамасыз ету максатында қолданылады.

Технологияның ерекшеліктері мен артықшылықтары

Жобаның нәтижесінде, күн жылу энергиясын сақтау (КЖЭС) жүйесі бөлмені жылыту және тұрғын үйлерді ыстық сумен қамтамасыз етеді.

а) Технологияның артықшылықтарының бірі оның экологиялық қауіпсіздігі, себебі күн энергиясын пайдалану көзделіп отыр. КЖЭС технологиясы экологиялық қауіпті қазба отынында жұмыс істейтін жылу электр станцияларын алмастыра алады.

б) КЖЭС оңай масштабталынады, өйткені КЖЭС технологиясы негізінде орталықтандырылған жылу жүйесіне қосымша ғимараттар қосылған болса, кез-келген Ұұңғыма жылу алмастырғыштары, ҚМА аккумуляторлары және күн коллекторлары негізгі КЖЭС жүйесіне біріктірілуі мүмкін.

в) Жүйе қосымша температура, су деңгейі мен қысым датчиктері, шығын өлшегіш, клапандар мен сорғылардың нәтижелеріне қол жеткізуге болатын интеллектуалды басқару блогымен (IntCU) жабдықталған. Сенсорлардан алынған сигналдарға байланысты клапандарды, жылу алмастырғыштарды, күн коллекторларды басқаруға, өшіру немесе құбырлардағы ағынның бағытын өзгертуге болады.

г) ҚМА — ның көпшілігі нарықта суды сақтау құралы ретінде пайдаланады. Су судың температурасы 25°C-тан 80°C-қа дейін немесе 55 ° C-қа дейін, өзгерген кезде әрбір метр кубқа 225 МДж жылу энергиясын сақтауға болады. Авторлар әзірлеген энегриясы жоғары тығыз материалдарында 20°C-тан 30°C-ге дейін өзгерген кезде әрбір метр кубқа 600 МДж жылу энергиясын сақтауға болады. Сондықтан ЭЖТМ-на негізделген ҚМА–ы кіші көлемде энергияны сақтауға мүмкіндік береді.

д) КЖЭСжүйесінің жұмыс істеу мерзімі 20 жыл және дұрыс орнатылған жағдайда көп жұмыс істей алады.

е) Геотермалдық аккумулятор негізінде маусымдық жылу энергиясын сақтау жылу энергиясын сақтауға арналған резервуар (ЖЭСР) немесе Су негізді энергия сақтауға арналған резервуар (ССАР) секілді ірі кең ауқымды сақтау жүйелерімен салыстырғанда салыстырмалы түрде арзан Тасымалдау ортасы бар ЖЭСР жағдайында су ағып кету проблемалары өте жоғары. ССАР жүйелерінің жұмыс істеуі, (I) жер асты суларының химиялық құрамына байланысты, бұл жиі жүйе арқылы айналатын кезде метал жабдықтары мен құбырлар жүйесін коррозиялауды және (II) сақталған жылу энергиясын жууға болатын жер асты суларының мөлшерін көбейтеді. Тағы бір мәселе (III) — ыстық / суық су ұңғымаларын бітеу болып табылады, себебі топырақ немесе рок әдетте ССАР айналымының ашық сұлбасына енеді.

Энергияны геотермалдық аккумуляторда сақтаған кезде (КЖЭС -дің жағдайы) судың айналымы тұйық циклде жүреді, сондықтан жер асты суларының жүйеде айналымға жіберетін сумен тікелей өзара әрекеттеспейді.

ё) КЖЭС төмен қысымда (1-3 бар) және орташа температурада (25°C -90°C) жұмыс істейді және қоршаған ортаға әсерін тигізетін токсикалық материалдарды пайдаланбайды.

ж) Күн коллекторларының жүйесі жылу алмастырғыш арқылы ҚМА- на қосылған. Мұндай байланыс күн энергиясын өнеркәсіптік қондырғылар мен электр станцияларының қалдық жылуы сияқты төмен әлеуетті жылу көздерінің кез келген басқа көзімен алмастыруға мүмкіндік береді.

Қазақстанның ұқсас стратегиясы немесе ұсыныстары бар қолданыстағы компаниялар мен жобалар:

  • Қазақстанда жылу энергиясының жыл сайынғы ұзақтығы жылына 2200-3000 сағат, ал жобалық қуаттылық — жылына 1 шаршы метр үшін 1300-1800 кВт болғанымен, Қазақстандағы күн энергиясын пайдалану шамалы.
  • 2010 жылы Қазақстанда кремний негізіндегі фотоэлектрлік модульдердің тігінен интеграцияланған өндірісі бойынша жоба іске қосылды. KazSilicon Үштөбе қаласында (Алматы облысы) кремний шығарады.
  • Өскемендегі «Kazakhstan Solar Silicon» ЖШС шикізатты өңдейді және күн панелін шығарады. «Astana Solar» компаниясы PV модульдерін қайта бөлу және жинақтаудың соңғы сатысын жүзеге асырады.
  •  2012 жылдың соңында Жамбыл облысында орналасқан Қордайда қуаты 504 кВт және қуаты 7 МВт болатын алғашқы «Отар» күн электр станциясы пайдалануға берілді.
  •  2013 жылдың 20 желтоқсанында «Қуатты Қазақстанды біріктір!» Жалпыұлттық телекөпір барысында қуаты 2 МВт болатын Қапшағай күн электр станциясы (Алматы облысы, Қапшағай қаласы) іске қосылды. Бұл зауыт күнді қадағалайтын технологияны пайдаланады. Жоба «Самұрық-Энерго» АҚ еншілес компаниясы, «Самұрық — Грин Энерджи» ЖШС жүзеге асырды.

Жоғарыда келтірілген ақпаратқа сәйкес, қазіргі уақытта Қазақстанда КЖЭС -қа ұқсас белсенді жобалар жоқ. Сондықтан КЖЭС технологиясының идеясы рынокта айтарлықтай бәсекелестерге ие емес. Бұрынғы Кеңес Одағы елдерінің нарықтарында жүргізілген осындай талдаулар мұндай технологиялардың жоқтығын көрсетті, бұл бәсекелестердің жоқтығын білдіреді. Еуропалық нарықта жылу сорғысын қолданатын геотермальды магистральдық энергия сақтау құрылғылары бар. Оның бағасы жылу жүктемесіне байланысты 300000-720000 € аралығында.

КЖЭС жүйесінің бағасы көп деңгейлі ғимараттар/шағын ауданның қажетті жылу жүктемесіне байланысты болады. Осыған қарамастан, оның бағасы клиенттер үшін қол жетімді болады, өйткені КЖЭС салыстырмалы түрде арзан аккумуляторларға негізделген және ұзақ мерзімді жұмысқа арналған. Бұл технологияның өтелу мерзімі — 5-6 жыл.

КЖЭС технологиясының негізгі құрамы — ұңғыма жылу алмастырғыштар желісі арқылы құрылған геотермалдық аккумулятор. Демек, технологиялық шығындардың негізгі элементтерінің бірі бұрғылау болып табылады, мысалы, ұңғыманы бұрғылау шамамен 1,5 млн. Теңгені құрайды, ал бізде кемінде 12 геотермиялық жылу алмастырғыштарды бұрғылау қажет. Технологияның өтелу уақытын қысқарту максатында бұрғылау қондырғысын сатып алу жоспарлануда. Сондықтан бұрғылаумен байланысты барлық жұмыстар, атап айтқанда: жердің термиялық қасиеттері мен геологиялық ерекшеліктерін анықтау үшін алдын ала орнату жұмыстары, жерасты аккумуляторын орнату үшін топырақтың әлеуетін бағалау; сондай-ақ жерасты аккумуляторын орнату бойынша одан әрі жұмыс жасайтын болады технологияларды жасаушылар өздері;

Жүйелік есептеулермен қатар, әрбір нақты жағдайда жүйеге енгізілген компоненттердің жалпы санын табу; Энергетикалық орталықты құру және жабдықтау, оның ішінде ҚМА, өлшеу құралдары мен басқару жүйелері бар.

Орнату жұмыстары технологиялық әзірлеушілер мен KunTech серіктес компаниясымен бірге өткізілетіндіктен, технологияны орнату сапасы кепілдендіріледі. Жүйені орнату аяқталғаннан кейін, жүйенің барлық бөліктері дұрыс жұмыс істеу үшін тестіленеді және ықтимал проблемаларды анықтау және жою үшін сынақ орындалады. Осы сатылардан кейін ғана технологиясы клиенттерге берілетін болады.

КЖЭС-ны ғимараттармен немесе тұрғын аудандарымен орнату және біріктіруге жұмсалған уақыт ғимараттардың көлеміне, санына және түріне байланысты. Мәселен, нарықта алғашқы 3 жыл ішінде кең ауқымды объектілерге сұраныс бар болса, белгіленген КЖЭС технологиясының мақсатты саны жылына 3 бірлік болады, ал орташа өлшемді нысандар үшін — жылына 6 бірлік. Технологияның монтаждау дағдыларын меңгергеннен кейін, орнатудың құнын жеңілдету, жеделдету және төмендету есебінен орнатылған жүйелердің саны ірі объектілер үшін жылына 5-6 бірлікке дейін және орта есеппен 8 бірлікке дейін ұлғайтылады.

Сондай-ақ, компанияны одан әрі дамыту және кеңейту үшін жаңа мамандарды даярлау үшін оқыту курстары ұйымдастырылады.

Технологияның инновациялық аспектілері

а) Технологияның айырықша ерекшелігі ҚМА – да энергиясы жоғары тығыз материалдарын (ЭЖТМ) пайдалану болып табылады, олар жоғарыда айтылғандай шағын көлемде және температураның аз болуы кезінде көп энергияны сақтауға мүмкіндік береді. Фазалық өтпелі материалдардың құрамы аймақтың климаттық ерекшеліктеріне және пайдаланушы блогының қажетті қуатына байланысты.

б) Технологияның негізгі компоненті болып табылатын жерасты аккумуляторды күннің жылу энергиясымен зарядтауға және шығаруға болады. Сонымен қатар, жылу сорғы топырақтан жылу алу үшін пайдаланылмайды. Су жылу тасымалдаушысы ретінде қолданылады. Салыстыру үшін геотермиялық жылу сорғысы жүйесі (ГЖСЖ) қарастырылуы мүмкін. Мұнда жылу сорғысы арқылы тұтынуға арналған топырақтың табиғи жылуын шығарады. Алайда мұндай ГЖСЖ тиімсіз, өйткені геотермалдық жылу алмастырғыш айналасындағы жердің температурасы көптеген жылдар бойы бірте-бірте азаяды, бұл жылуды сорғының тиімділігін үнемі жылуды жинаумен және табиғи топырақ температурасын қалпына келтіруге жеткіліксіз уақытты азайтады.

в) жүйенің тағы бір ерекшелігі — жылу алмастырғыштың тұйық циклде айналып өтуі, сондықтан тұтынушылар үшін судың сапа стандарттарына қол жеткізу үшін сүзгілеу және дезинфекциялау құралдарын орнату қажеттілігі жоқ.

Жылу энергиясын сақтаудың энергиясы жоғары материалдардың тығыздығы: ҚМА-да шамамен 330 кДж/кг (көлемі 1-3 м3-ге дейін) және жерасты аккумуляторда 60-70 кДж/кг (шамамен 8000 м3-тан астам). Масштабтау мүмкіндігі, кез келген сандық ұңғымалы жылу алмастырғыштар, ҚМА және күн коллекторлары КЖЭС технологиясының негізінде орталықтандырылған жүйеге жақындаған ғимараттар немесе өндірістік нысандар интеграцияланса, негізгі КЖЭС жүйесіне қосылуы мүмкін. Жылу сорғысы пайдаланылмайды. ЖА-ны күн сәулесінің жылуымен зарядтау және зарядтау үшін қарапайым су жылу тасымалдағыш ретінде пайдаланылады.

Бұл технология жылу энергиясын сақтауға тұжырымдамалық жаңа көзқарас болып табылады. Себебі топырақта жылу энергиясын жерасты сақтау керек. Жерасты аккумулятордың көлемі 8000 м3-тан асады және кейбір жаңа ұңғымаларды бұрғылау арқылы оңай кеңейтілуі мүмкін. ЖА жылулық тасымалдаушы ретінде ұңғымалар желісінің тұйық циклінде айналатын әдеттегі судың көмегімен бірнеше рет зарядталуы және зарядталуы мүмкін.

Күн энергиясын жылытуға және ыстық сумен қамтамасыз ету үшін пайдалану, сонымен қатар энергиямен жабдықтауға тұжырымдамалық жаңа көзқарас болып табылады. Бұл технология көмір немесе газ сияқты зиянды қазба отынмен жұмыс істейтін жылу энергия станцияларын ауыстыруы мүмкін.