Одним из перспективных научно-технических направлений, реализация которого может дать значительный эффект является использование низкопотенциальной теплоты окружающей среды (воды, грунта, воздуха) с помощью теплонасосных установок (ТНУ). Тепловые насосы, как и другие альтернативные способы получения энергии, существенно экономят расходы на электроэнергию по сравнению с централизованными системами. Так, например в ТНУ при расходе единицы электрической энергии производится 3-4 эквивалентные единицы тепловой энергии,следовательно, их применение в несколько раз выгоднее, чем прямой электрический нагрев. Они успешно конкурируют и с топливными установками.
На огромной территории Республики Казахстан насчитывается более миллиона рассредоточенных жилых домов и производственных объектов, требующих успешного решения вопросов их отопления в условиях дефицита местного и дороговизны привозного топлива. Эта проблема усугубляется постоянным ростом цен на энергоносители (с вступлением Казахстана в ВТО они могут значительно возрасти), что приводит к необходимости активизации внедрения возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в частности энергии Солнца, ветра и низкопотенциальные источники теплоты (НИТ). Последнее предусматривает использование тепловых насосов или их комбинацию с другими видами энергии.
В условиях наметившейся переориентации теплоэнергетического хозяйства республики на развитие низкотемпературных децентрализованных и смешанных систем теплоснабжения роль тепловых насосов возрастает, что требует разработки новых научно обоснованных подходов к их широкому применению в различных областях экономики и природно-климатических условиях.
Энергетическая целесообразность применения тепловых насосов в качестве энергоисточников убедительно доказана результатами большого числа научных исследований [1,2,3 и др.] и опытом эксплуатации миллионов тепловых насосов в промышленно развитых странах мира.
Казахстан пока существенно отстает в этой сфере, хотя имеется огромный потенциал низкотемпературных ресурсов, которые можно использовать для теплоснабжения. Потенциал геотермальных тепловых водных ресурсов Казахстана оценивается в 520 МВт (без использования тепловых насосов) или 4300 МВт (при использовании тепловых насосов) [4]. Однако, по данным IGM consulting company, доля возобновляемых источников энергии в энергопотреблении Казахстана ничтожно мала, и составляет 0,02% [5].
Изучение пространственных и временных особенностей изменчивости температуры воздуха на территории РК имеет большое значение не только для разработки региональных сценариев будущих изменений климата, но также для решения ряда практических задач, связанных с рациональным использованием энергетических ресурсов окружающей среды. Эта особенно актуально при обосновании и правильном выборы теплонасосных установок, работающих на низкопотенциальных источниках тепловой энергии.
Казахстан представляет собой государство, расположенное на северо-западе Азии и на юго-востоке Европы. Территория Казахстана расположена между 40°66' - 55°26' северной широты и 46°27' - 87°20' восточной долготы. Природные и климатические условия Казахстана в значительной мере определяются его глубоким материковым расположением.
Температурный режим на территории республики формируется в результате воздействия большого числа независимых и малозависимых факторов: притока теплоты от солнца, ветровых потоков, прямой и рассеянной солнечной радиации, времени года, географического положения, наличия источников испарения воды, количества выпадающих осадков, отвода теплоты (погашаемой почвой) и т.п.
Средняя температура января составляет от −23°C до −2°C, средняя температура июля от +17°C до +30°C. Лето по всей стране жаркое и засушливое. Температура воздуха в это время года может достигать отметки +49°C. Зима в стране ясная и холодная, температура может достигать ниже −50°C.
Большая протяженность исследуемой территории Казахстана с востока на запад обуславливает неравномерное поступление теплоты на поверхность и приводит к формированию в ее пределах различных природных зон.
В зависимости от изменения температуры атмосферного воздуха, глубины залегания грунтовых вод, глубины промерзания грунтов, а также согласно экономико- географическому и природному районированию территория Республики Казахстан разделена на пять климатических зон:
- зона Западного Казахстана - в его состав входят: Актюбинская область, Западно- Казахстанская область, Мангистауская область и Атырауская область;
- зона Восточного Казахстана - в его состав входит укрупнённая Восточно- Казахстанская область;
- зона Южного Казахстана - в его состав входят: Алматинская область, Жамбылская область, Южно-Казахстанская область и Кызылординская область;
- зона Северного Казахстана - в его состав входят: Северо-Казахстанская область, Костанайская область, Павлодарская область, Акмолинская область и столица страны — г. Астана;
- зона Центрального Казахстана - в его состав входит укрупнённая Карагандинская область.
Исходным материалом для исследования ритмики температуры послужили данные среднемесячных и среднегодовых температур воздуха за весь период непрерывных инструментальных наблюдений по 65 метеостанциям.
Для изучения изменения температуры воздуха нами были использованы архивные данные научно-прикладного справочника по климату СССР (НпСК) [6], в котором приводятся климатические показатели для определенного числа метеостанций, а также ВНИИГМИ-МЦД и глобальный архив CDAS (Climate Data Assimilation System), которые содержит суточные метеорологические данные по станциям и находится в свободном доступе в сети Интернет [7]. Данные по температуре за 1980-2010 гг. были получены в Алматинском филиале Казгидромета.
Для решения ряда практических задач, связанных с рациональным использованием энергетических ресурсов окружающей среды составлена карта районирование территории Казахстана по характеру многолетних колебаний температуры - разделение территории на районы (зоны) с более или менее однородными климатическими условиями.
Обработанные нами большое число статистических данных и количественных показателей изменчивости температуры по территории Казахстана позволило нам установить и детализировать вероятное положение границ схемы районирования.
Районирование проведено при соблюдении следующих условий:
- учета большой протяженности исследуемой территории Казахстана с востока на запад обуславливающей неравномерное поступление теплоты на поверхность и приводящей к формированию в ее пределах различных природных зон;
- согласно экономико-географическому и природному районированию территория Республики Казахстан разделенной на пять климатических зон.
При установлении границ районов колебаний температуры использовались результаты теоретических и прикладных исследований по использованию тепловых насосов по сочетанию источниками низкопотенциальной теплоты с нагреваемой в тепловом насосе средой: грунт — вода; вода — вода; воздух — вода; воздух — воздух; грунт — воздух; вода — воздух.
Учитывая районы более или менее однородными климатическими условиями, а также для решения ряда практических задач, связанных с рациональным использованием энергетических ресурсов окружающей среды на территории республики по характеру многолетних колебаний температуры, выделены четыре зоны со средней температурой отопительного сезона (рис.1):
- зона с температурой воздуха от +0,1оС до + 6,0оС;
- зона с температурой воздуха от - 0,1оС до - 4,0оС;
- зона с температурой воздуха от – 4,0оС до - 7,0оС;
- зона с температурой воздуха от - 7,0оС и более.
Из приведенных на рисунке 1 зон, наибольший интерес для использования атмосферного воздуха как источника энергии представляет зона со средней температурой воздуха отопительного периода от +0,1оС до + 6,0оС, которая проходит по территории районов южного и западного Казахстана. В этой зоне наиболее целесообразным является применение тепловых насосов «воздух-вода», позволяющих создать локальные системы отопления и горячего водоснабжения рассредоточенных жилых зданий с приемлемыми технико-экономическими показателями.
Практическая значимость результатов работы:
-разработанная карта районирования территории Казахстана и выявленные пространственные температурные закономерности могут быть использованы для решения ряда практических задач, связанных с рациональным использованием энергетических ресурсов окружающей среды. В частности, эта карта позволит правильно выбрать тип теплонасосных установок, работающих на низкопотенциальных источниках тепловой энергии.
Литература
- Пармухина Е.Рынок геотермальных тепловых насосов. Перспективы развития.//ТехСовет.- 2010.- №4. С.12-14
- The possible role and contribution of geothermal energy to the mitigation of climate change Ingvar B. Fridleifsson [etc] //IPCC Scoping Meeting of Renewable Energy Soures, Proceedings, Luebeck, Germany, 20-25 January 2008.- Luebeck.-2008 p 59-80
- Rybach L. Status and prospects of geothermal heat pumps (GHP) in Europe and worldwide; sustainability aspects of GHPs. International course of geothermal heat pumps, 2002
- “Зеленая” экономика в Казахстане. Аналитический обзор наиболее перспективных отраслей зелёной экономики в РК. [Электронный ресурс]/ Режим доступа http://www.palata.zhkh.kz/?p=1520
- Отчет: «Исследование отрасли альтернативной энергетики Республики Казахстан» IGM consulting company. По заказу АО «Национальный инновационный фонд» 1.11.2008.
- Научно-прикладной справочник по климату СССР: Сер.3. многолетние данные. Вып.18, Казахская ССР. Часть 1-6. Книга 1/Гос.ком. СССР по гидрометеорологии. - Л: Гидрометеоиздат,
- Глобальный архив CDAS [Электронный ресурс] /Режим доступа http://go.mail.ru/search?q=Climate+Data+Assimilation+System%2C+Kazahstan
Рисунок 1 - Карта районирования природно-климатических зон Казахстана по среднестатистической температуре отопительного сезон.