Техническое обеспечение систем водоподготовки для цеха марикультуры

Условия климата на побережье северо-западной части Японского моря определяют ряд проблем развития промышленной марикультуры в Приморском крае, важнейшей из которых является энергообеспечение современных технологий культивирования морских организмов в гидротехнических сооружениях, расположенных на островных территориях и побережъе. Индустриализация аквахозяйств марикультуры требует достаточно высоких энергозатрат [1]. Большинство марихозяйств расположены в прибрежных районах и островных территориях залива Петра Великого (Японское море) и удаленны от сетей традиционной энергетики. В настоящее время для автономного энергообеспечения производственных объектов (цехов, заводов) марикультуры используют топливо-органические энергоресурсы, которые при сжигании оказывают вредное воздействие на окружающую среду. Одним из перспективных путей решения проблемы уменьшения или полного сокращения вредных выбросов является использование систем, генерирующих тепловую или электрическую энергию, работающих с использованием экологически чистых возобновляемых природных источников энергии (ВИЭ), например, ветра и солнца.

По поступлению солнечной энергии Приморский край занимает одно из первых мест в России [2,3]. Ресурсы возобновляемых источников энергии, в частности солнечной, в районах расположения аквахозяйств марикультуры можно оценить по средним многолетним данным о продолжительности солнечного сияния. Число солнечных дней в году, для прибрежных районов акваторий залива Петра Великого, составляет до 300 дней. Продолжительность солнечного сияния 2000;2200 часов в год определяет поступление солнечной энергии 1100 — 1300 кВт•ч/(м2•год) [3].

Муссонный климат на побережье Приморского края и островных территориях залива Петра Великого определяет среднемесячное значение скорости ветра и составляет для побережья 5,1−7,8 м/с, а для островных территорий залива Петра Великого 4,8−12,4 м/с, при среднегодовых значениях 5,7 м/с. и 7,5 м/с соответственно[4].

По оценкам ряда исследователей ветровые и солнечные ресурсы в Приморском крае можно успешно использовать для получения тепловой и электрической энергий с применением солнечных водонагревательных установок коллекторного типа (СВНУ), фотоэлектрических и ветровых электрогенераторов для систем горячего водоснабжения и отопления различных административных, бытовых и сельскохозяйственных объектов [5,6,7].

Экономическая оценка различных схем комбинированного теплоснабжения показывает, что в условиях климата южного Приморья ежегодные затраты использования гелиосистемы с тепловым насосом и длительным аккумулированием тепловой энергии (геаккумулятор) для промышленного объекта составляют 56 руб./МДж, тогда как стоимость тепловой энергии от электробойлера — более 450 руб./МДж [8].

В Институте проблем морских технологий ДВО РАН разработана функционально-технологическая схема энергообеспечения промышленного объекта (цеха) культивирования беспозвоночных гидробионтов марикультуры, в которую входят модульные тепловые и электрические генерирующие системы, использующие экологически чистые солнечные и ветровые возобновляемые энергоресурсы (ВИЭ).

Цех (объект) с гидротехническими системами инкубации и выращивания морских гидробионтов (бассейны), представляет собой одноэтажное здание размером 12×24м по наружному периметру (общая площадь 290 м2), высота стены 6 м без учета крыши. Ограждающие конструкции (стены и крыша) выполнены из сэндвич-панелей толщиной 0,125 м, пол неутепленный, в виде бетонной стяжки на грунте, толщиной 0,1 м. В здании цеха расположены: резервная емкость для морской воды, связанная трубопроводом с бассейнами различного объёма для культивирования гидробионтов, теплообменник для нагрева (охлаждения) воды, модульные системы фильтрационной очистки циркуляционного водного технологического потока для каждого бассейна, система отопления воздуха цеха, вспомогательные механизмы, системы контроля воды в бассейнах и всех модульных подсистем водоподготовки, блок центрального управления. Общий объем используемой технологической морской воды в системе 200 м³ (суточная замена воды всей системы 20 м3).

Вне помещения цеха расположены устройства забора и сброса воды с механическими фильтрами, блок тепловой рекуперации (утилизатор тепла) технологической морской воды, солнечная нагревательная установка (СНУ) с солнечными коллекторами и грунтовым аккумулятором длительного хранения тепла и холода, система аккумулирования тепла (холода) с использованием поверхностных вод прилегающей акватории, солнечная фотоэлектрическая установка (ФЭУ) для выработки электроэнергии требуемой на освещение, работу исполнительных механизмов, приборов контроля и автоматики. Резервный электрогенератор используется для обеспечения работы низкотемпературного теплового насоса (ТН). В разработанной комбинированной схеме энергообеспечения при нехватке теплоэнергии для отопления (зимний период) или охлаждении воды (летний период) в гидросистемах бассейнов используется резервный реверсивный низкотемпературный тепловой насос (ТН) (Рис.1). В районах территориального расположения аквахозяйств марикультуры с высоким ветровым потенциалом (островные территории) для выработки электроэнергии вместо ФЭУ применяется ветроэнергетическая установка (ВЭУ).

Модульные системы прямого нагрева теплообменника за счет солнечной энергии (гелиосистема с геоаккумулятором), отбора тепла или холода из прилегающей морской акватории, тепловой насос и система отопления воздуха здания цеха заполнены незамерзающим теплоносителем.

Гелиоустановка может работать в прямом режиме нагрева циркуляционной и проточной морской воды в бассейнах (контур С) (рис.1). Температура воды в бассейнах регулируется смесительными термоклапанами после термоводоподготовки в отдельном контуре (контур А) и подачей проточной воды из акватории (контур Е). Забор морской воды из акватории в резервную емкость и бассейны и её сброс из гидротехнической системы цеха функционирует непрерывно. Использование в технологической схеме водоподготовки (рис.1) утилизатора тепла позволяет снизить затраты теплоты для нагрева морской воды в системе до 70% в зимний и до 50% в теплый периоды года. Обеспечение необходимых экологических и технологических параметров морской воды, используемой в бассейнах для биотехнологий культивирования гидробионтов и в резервной емкости, осуществляется с помощью систем фильтрационной очистки (контура К, Е). При заборе морской воды и сбросе используются системы механической фильтрации и обеззараживания (УФ — обработка воды).

Система нагрева (охлаждения) воды для бассейнов и отопления воздуха помещения цеха (объекта) автоматизирована и работает в замкнутом циркуляционном режиме.

Рис. 1 Функционально-технологическая схема комбинированной системы водоподготовки и энергообеспечения автономного комплекса марикультуры: 1 — управляющий клапан; 2- насос циркуляционный; 3- теплообменник; 4- зонды сектора нагрева; 5- зонды сектора охлаждения; контур Ациркуляционный термостатированный, подпитки бассейнов, заполнении, подогрева и водообмена резервной емкости; контур В — нагрева-охлаждения бассейнов, резервной емкости, термостатированный (предохранение от перегрева-переохлаждения контура А); контур С — солнечного нагрева и ночного охлаждения, термостатированный в режиме прямого солнечного нагрева; контур Д — отбор тепла и холода поверхностных вод прилегающей акватории; контур Е — циркуляция свежей воды, водообмен бассейнов, рекуператор для утилизации тепла и разбавление сбросной воды; контур К — фильтрационная очистка, экологическая нормализация воды в бассейнах; контур М — отопление (охлаждение) воздуха здания цеха.

Вт/ м2, (1).

где: qколичество теплоты, проходящей через 1 м² поверхности ограждения,.

t= tвнtн — нормативный температурный перепад между расчетными температурами внутреннего воздуха и наружного воздуха, С. — общее сопротивление теплопередаче Для оценки мощности теплового источника необходимого для теплоснабжения объекта (здание цеха) следует оценить его суммарные тепловые потери, которые складываются, из тепловых потерь через ограждающие конструкции, затрат тепловой энергии на нагрев вентиляционного воздуха в помещении цеха и на подогрев воды в бассейнах. В связи, с тем, что работа заключается в исследовании возможности использования возобновляемых источников энергии для теплоснабжения объекта, то для простоты моделирования в расчетах не учитывались теплопоступления от исполнительных механизмов внутри объекта, которые могу быть источниками теплоты, что может снижать общие затраты тепловой энергии необходимой на теплоснабжение.

Показатели удельных тепловых потерь ограждающих конструкций объекта рассчитываются по уравнениям [9]: м2 С/Вт,.

(2).

 — сопротивления теплообмену на внутренней и наружной поверхностях ограждения, (м2С/Вт); - термическое сопротивление материальных слоев ограждающей конструкции, (м2 С/Вт); в, н — коэф. теплообмена на внутренней и наружной поверхностях ограждения, (Вт/м2С); i — толщина слоя материала в ограждении, м; i — коэф. теплопроводности материала слоя, (Вт/мС).

Суммарные тепловые потери объекта через ограждающие конструкции составят:

кВт/С (3).

Расход тепловой энергии на нагрев вентиляционного воздуха определяется:

кВт/С (4).

где: tн — среднемесячная температура наружного воздуха, С; tвн — температура воздуха в помещении принята равной температуре воды в бассейнах; С; n — кратность воздухообмена на м2 отапливаемого помещения, м3/(ч•м2); в — теплоемкость воздуха, кДж/кг•С, cв — теплоемкость воздуха, кДж/кг•С; FПплощадь отапливаемого помещения, м3.

Температура воздуха внутри помещения принята равной температуре воды в бассейнах. Воздухообмен в помещении принят 0,5 м3/(м2час). В модельном варианте расчетная мощность тепловых потерь объекта оценивалась при минус 24С (при средней температуре наиболее холодной пятидневки обеспеченность с коэффициентом 0,92 [9]), с учетом подогрева морской воды в бассейнах, составила 23,3 кВт•ч. Так как окна закрыты фильтрами, при расчете принято, что поступлений прямой солнечной радиации и теплоты в здание через оконные проемы нет.

Теплотехническая характеристика обследуемого здания объекта, суммарная площадь ограждающих конструкций, их термические сопротивления и расчетные тепловые потери через данные ограждения представлены в таблице 1.

Таблица 1 Теплотехнические характеристики наружных ограждений здания объекта.

* При расчете тепловых потерь через основание здания пол разбивался на зоны (полоса шириной 2 м) [9].

энергия марикультура водоподготовка В модельном варианте были рассчитаны тепловые затраты на нагрев воды в бассейнах, расположенных в здании цеха культивирования морских гидробионтов. При этом учтены среднестатистические многолетние круглогодичные климатические условия района расположения объекта для конкретного района акватории залива Петра Великого, в частности, района залива Восток (таб.2.) (брались ряды наблюдений температуры воздуха и термического режима морской воды на глубине 10 м за последние 30 лет [11]).

На рисунке 2 представлены данные тепловых потерь здания цеха, доли солнечной энергии в теплоснабжении объекта, вырабатываемой СНУ с площадью по адсорберу 84 м² и геаккумулятором, затраты тепловой энергии на нагрев воды в бассейнах. Тепловые потери объекта, с учетом нагрева морской воды в бассейнах составляют 122 МВт•час/год. Максимальная суммарная мощность тепловых потерь 23,3 кВт в период температур наружного воздуха -240 С (первая — третья декады января).

Геоаккумулятор выполнен в виде скважинного поля. Тепловая емкость геотермального аккумулятора с учетом сезонных потерь для района исследования составляет 105 МВт•час/год. Сектор нагрева геотермального аккумулятора состоит из 12 вертикальных скважинных зондов длиной 60 м. В каждой скважине зонда по два Uобразных теплообменника, при этом возможна совместная и раздельная работа теплообменника в одной скважине (нагрев, охлаждение) (рис.1).

Таблица 2 Температурные режимы в бассейнах и в море (глубина 10 м) и затраты тепловой энергии на нагрев морской воды в бассейнах.

Емкость геотермального сектора охлаждения согласно среднестатистическому значению максимальных температур воды в летние месяцы для залива Восток [10] составит 14,21 МВт•час/год. Среднестатистическая максимальная мощность охлаждения 9,8 кВт. Сектор охлаждения состоит из 5 вертикальных скважинных зондов длиной 60 м.

Расчеты показали, что при заданных режимах нагрева морской воды в бассейнах и ее замены в системе 20 т в сутки солнечная тепловая установка полностью обеспечивает энергетические затраты на нагрев морской воды в бассейнах при среднестатистических тепловых потерях объекта в различные временные периоды года (рис.2).

В данном расчете принята 100% среднестатистическая обеспеченность теплом объекта с учетом прямого нагрева морской воды в бассейнах за счет гелиосистемы при достаточном солнечном сиянии, сезонных потерь в грунтовом аккумуляторе и отбором тепла с помощью утилизатора сбросовых вод из гидросистемы цеха. Для компенсации потерь при отклонении от среднестатистических данных тепло для нагрева воды в бассейнах и отопления воздуха помещения цеха аккумулируется в геоаккумулятор в теплые периоды годового сезона от прилегающей акватории с помощью системы отбора тепла из акватории (контур Д рис.1). Система отбора тепла (холода) из морской акватории работает согласно текущему состоянию скважинных секторов и прогностическому расчету запаса энергообеспечения технологического чикла. Анализ многолетних наблюдений температурного режима вод залива Восток приведенные в работе [10], показали возможность отбора тепловой энергии с поверхности акватории в период со второй декады мая по первую декаду ноября при среднемноголетних температурах поверхностных вод 14−240С и максимальных значениях этого показателя 270 С (август). В холодные сезонные периоды года при недостатке тепла используется дублирующая система генерации тепла теплоснабжения объекта с помощью низкотемпературного теплового насоса (мощностью 10 кВт).

Рис. 2 Количество тепловых потерь объекта (а), доля солнечной энергии в теплоснабжении объекта (б) и затраты теплоты для подогрева морской воды в бассейнах (в)

Выводы

Предлагаемые технологии автономного энергообеспечения цеха (объекта) марикультуры с использованием ВИЭ для регулирования температурными режимами воды в гидротехнических системах культивирования гидробионтов и системы отопления позволяют:

использовать экологически чистые энергоресурсы возобновляемых источников энергии (ветра, солнца) для автономного энергообеспечения систем водоподготовки;

проводить процесс выращивания гидробионтов (ценных пищевых продуктов моря) в круглогодичном цикле в не зависимости от климатических условий региона;

исключить текущие финансовые затраты на традиционные топливо-энергоресурсы;

существенно снизить загрязнение окружающей среды.

Разработанная комбинированная схема (рис.1) энергоснабжения цеха с круглогодичным обогревом бассейнов культивирования морских гидробионтов может быть использованы для автономного обеспечения энергетических потребностей промышленного объекта (цеха) марикульуры в климатических условиях побережья залива Петра Великого (Японское море).

• 1. Молотков В. Е., Волков А. В. Возобновляемые источники энергии в гидротехнических системах культивирования морских гидробионтов // Вестник ДВО РАН № 3. Владивосток, 2008. С. 105−111.
• 2. Безруких П. П. Зачем России возобновляемые источники энергии? // Энергия: экономика, техника, экология. 2002. № 10. С.2−8.
• 3. Волков А. В. Энергия Солнца — перспективный источник энергии для теплоснабжения южной части Дальневосточного региона // Проблемы интеграции малых городов российского Дальнего Востока в экономическое пространство АТР; материалы междунар. науч. -прак. конф. / под ред. В. А. Осипова. Владивосток: Из-во Дальневост. ун-та: Из-во ДВГТУ: Большекаменский ин-т экономики и технологий (филиал), 2009. С. 195−203.
• 4. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сер. 3, ч. 1−6, вып.26. Приморский край. Приморское территориальное управление по гидрометеорологии, 1988. 49 с.
• 5. Ильин А. К., Ковалев О. П. Возможности использования солнечной энергии в Приморском крае // Вестн. ДВО РАН. 1992. № 5/6. С. 63−72.
• 6. Ковалев О. П., Волков А. В., Лощенков В. В. Использование солнечной энергии в Приморском крае // Вестн. ДВО РАН. 2001. № 5. С. 293−298.
• 7. Слесаренко В. В., Княжев В. В. Энергоснабжение с использованием возобновляемых источников энергии в Приморском крае // Вiдновлювана енергетика XXI столiття: материалы 10-й юбилейной междунар. науч. конф., 14−18 сент. 2009 / Ин-т возобновляемой энергетики НАН Украины. Николаев: Крым, 2009. С. 115−118.
• 8. Слесаренко В. В., Копылов В. В., Княжев В. В. Оценка эффективности установок солнечной энергетики в системах теплоснабжения // Вестн. ДВО РАН. 2010. № 3. С.125−130.
• 9. Богословский В. Н., Сканави А. Н. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч. 1. Отопление. М.: Стройиздат, 1990. 344 с.
• 10. Гайко Л. А. Особенности гидрометеорологического режима прибрежной зоны залива Петра Великого (Японское море). Владивосток: Дальнаука, 2005. 150 с.