Оценка масштабов и перспектив использования холода окружающей среды для экономии энергии

  • Андрей [Andrey] Борисович [B.] Гаряев [Garyaev]
  • Юлия [Yulia] Владимировна [V.] Коротке [Korotke]
Ключевые слова: холод окружающей среды, естественное охлаждение, фрикулинг, энергосбережение

Аннотация

Проведены исследования возможности и эффективности полезного использования холода окружающей среды в Российской Федерации в различных сферах деятельности, проанализирована текущая мировая ситуация по данному направлению энергосбережения. Выделены наиболее перспективные направления, для каждого из которых оценена экономия энергоресурсов за счет естественного охлаждения (фрикулинга). Рассмотрено полезное использование природного холода для сжижения природного газа, охлаждения воздуха на входе в компрессор газотурбинных установок, молока в пищевой промышленности и систем термостабилизации центров обработки данных. Для каждого из направлений выполнен литературный обзор проведенных исследований и разработанных проектов. Даны оценки не только положительных аспектов использования естественного охлаждения, но и выделены возможные проблемы и сложности внедрения фрикулинга. Для нефтегазовой промышленности и энергетики проведена оценка эффективного использования натурального холода в уже существующих и эксплуатируемых системах охлаждения. Даны ответы на вопрос о целесообразности полезного использования фрикулинга в данных сферах. Проанализированы способы охлаждения оборудования дата-центров с использованием различных проектных решений. Разработаны схемы, обеспечивающие рассмотренные способы охлаждения. Проведены расчеты энергопотребления при холодоснабжении или подогреве воздуха в различных климатических зонах России. Вычислена экономия энергоресурсов за счет свободного охлаждения в разные периоды года и сделаны выводы об эффективности и целесообразности подобного решения. Представлена схема охлаждения молочного комбината, расположенного в средней полосе России. Создана расчетная имитационная модель физического процесса охлаждения в программной среде Simulink Matlab. Рассчитаны энергозатраты системы охлаждения и соответствующие экономические затраты в схеме. Изучены достоинства и недостатки схемы с технической и экономической сторон вопроса. Выделены возможные варианты модернизации расчетной системы охлаждения завода, способствующие росту экономии электроэнергии при эксплуатации схемы.

Сведения об авторах

Андрей [Andrey] Борисович [B.] Гаряев [Garyaev]

Учёная степень:

доктор технических наук

Место работы

кафедра Тепломассообменных процессов и установок НИУ «МЭИ»

Должность

заведующий кафедрой

Юлия [Yulia] Владимировна [V.] Коротке [Korotke]

Место работы

кафедра Тепломассообменных процессов и установок НИУ «МЭИ»

Должность

аспирант

Литература

1. Бараненко А.В., Таганцев О.М. Состояние и перспективы развития холодильной отрасли России: ХолодЭкспо — Россия: Материалы конф. М., 2009. 2. Global Energy Statistical Yearbook [Электрон. ресурс] https://yearbook.enerdata.ru (дата обращения 30.04.2017).

2. Global Energy Statistical Yearbook [Электрон. ресурс] https://yearbook.enerdata.ru (дата обращения 30.04.2017).

3. Гашо Е.Г., Пузаков В.С. Схемы теплоснабжения: что дальше? // ЭСКО. Города и здания. 2014. № 11, 12 [Электрон. ресурс] http://journal.esco.co.ua/cities/2014_11_12/art200.html (дата обращения 15.04.2017).

4. Альтернативная энергия в Японии [Электрон. ресурс] http://info-japan.ru (дата обращения 29.04.2017).

5. Теплоснабжение домов теплом от дата-центров [Электрон. ресурс] https://rb.ru/story/data-centers-and-heating (дата обращения 20.03.2017).

6. Барсков А. Охлаждение ЦОД: от PUE к WUE // Журнал сетевых решений LAN. 2014. № 1. С. 31—37.

7. Mackay K. Energy Efficient Cooling Solutions for Data Centers. PhD dissertation. Stockholm: Strathclyde University, 2012.

8. Posladek G. An Investigation into Using Free Cooling and Community Heating to Reduce Data Center Energy Consumption. Stockholm: Strathclyde University, 2010.

9. Pervila M. Data Center Energy Retrofits. Helsinki: University of Helsinki, 2013.

10. Чиллеры с естественным охлаждением [Электрон. ресурс] http://www.climaveneta.com. (дата обращения 16.11. 2016).

11. Мальнев В.П. Электрифицированная система охлаждения молока с использованием естественного холода для хозяйств Центральной зоны России: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М.: Россельхозакадемия, 2004.

12. Мусин А.М. Использование естественного холода в автоматизированных системах охлаждения молока // Холодильная техника. 1989. № 1.

13. Коровин Г.С. Разработка и обоснование водооборотного ледяного аккумулятора для молочно-товарных ферм: автореф. дисc. ... канд. техн. наук. Оренбург: Оренбургский гос. аграрный ун-т, 2015.

14. Пат. № 2185578 РФ. Устройство для охлаждения сельскохозяйственной продукции естественным холодом грунта / Ф.Г. Марьяхин и др. // Бюлл. изобрет. 2002. № 20.

15. Мультан А.А. Энергосберегающая комбинированная система охлаждения молока с использованием природного холода и водоледяного аккумулятора // Ползуновский вестник. 2011. № 2/1. С. 204—208.

16. Пат. № 120846 РФ. Устройство для охлаждения молока с аккумулятором холода / А.С. Мокшанов, А.Н. Балалаев // Бюлл. изобрет. 2012. № 28.

17. Margeirsson B. Modelling of Temperature Changes During Transport of Fresh Fish Products. Reykjavík: University of Iceland, 2012.

18. Jihan F.J. Modeling Heat Transfer During Cooling of Ready-to-eat Meat and Poultry Products Using Three-dimensional Finite Element Analysis and Webbased Simulation. Lincoln: University of Nebraska-Lincoln, 2010.

19. Filipsson P. Competitiveness of District Cooling in Energy Efficient Supermarkets. Gothenburg: Chalmers University of Technology, 2011.

20. Grozdek M. Load Shifting and Storage of Cooling Energy through Ice Bank or Ice Slurry Systems —modelling and experimental investigation. Stockholm: Royal Institute of Technology, 2009.

21. Зейгарник Ю.А. и др. Сезонное аккумулирование природного холода // Ползуновский вестник. 2012. № 4. С. 190—195.

22. Тарасова Е.В. Системы кондиционирования воздуха с сезонными аккумуляторами естественного холода: автореф. дисc. ... канд. техн. наук. Тюмень: Дальневосточный федеральный ун-т, 2013.

23. Серенов И.И. Моделирование процесса замораживания при создании различных форм хладоемкой массы водного льда с использованием низкотемпературного потенциала окружающей среды: автореф. дисc. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана,2016.

24. Зверев С.С. Холодильник-аккумулятор естественного холода в условиях Якутии // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2008. № 10. С. 103—108.

25. Снег для летнего охлаждения [Электрон. ресурс] http://advantage-environment.com (дата обращения 01. 11.2016).

26. Снег для охлаждения японского аэропорта [Электрон. ресурс] http://www.treehugger.com (дата обращения 01.11.2016).

27. Снежные хранилища [Электрон. ресурс] http://web-japan.org/trends/11_tech-life/tec140414.html (дата обращения 01.11.2016).

28. Система охлаждения с использованием естественного холода [Электрон. ресурс] http://www.thermonews.ru (дата обращения 01.11.2016).

29. Искусственный фирн и системы кондиционирования [Электрон. ресурс] http://www.c-o-k.ru (дата обращения 01.11.2016).

30. Геотермальные источники [Электрон. ресурс] http://www.nzgeothermal.org (дата обращения 01.11.2016).

31. Система охлаждения аэропорта Арланда [Электрон. ресурс] http://www.swedavia.com/arlanda (дата обращения 01.11.2016).

32. Низкопотенциальные грунтовые воды [Электрон. ресурс] http://www.dslib.net (дата обращения 01.11.2016).

33. Пархомчук В.В., Скринский А.Н. Электронное охлаждение — 35 лет развития // УФН. 2000. Т. 170. № 5. С. 473—493.

34. Пассивное охлаждение ночным воздухом [Электрон. ресурс] http://solarhouses.ru (дата обращения 01.11.2016).

35. Охлаждение ЦОД [Электрон. ресурс] http://telecombloger.ru (дата обращения 01.11.2016).

36. Фрикулинг для охлаждения облачных ЦОД в Дублине [Электрон. ресурс] http://www.aboutdc.ru (дата обращения 01.11.2016).

37. Данилов О. Л. и др. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. М.: Издат. дом МЭИ, 2010.

38. Поручение Президента Российской Федерации № Пр-1294 от 11 июня 2013 г. «Об обеспечении достижения целевых показателей социально-экономического развития Российской Федерации» // Перечень поручений. 2013.

39. Медведков И.С. Низкотемпературные процессы очистки при малотоннажном производстве сжиженного природного газа повышенного качества: автореф. дисc. ... канд. техн. наук. М.: НИУ «МЭИ», 2013.

40. Очков B.Ф. Сохранение и развитие тепловых электростанций или n-генерация // Энергосбережение и водоподготовка. 2017. № 1. С. 50—61.

41. Клименко В.B. и др. Эффективность работ газотурбинных установок в России в меняющихся климатических условиях // Теплоэнергетика. 2016. № 10. С. 14—23.

42. Альрави А.И. Оптимизация параметров ПГУ и систем охлаждения наружного воздуха ПГУ и ГТУ для территорий с жарким климатом: автореф. дисc. ...канд. техн. наук. Иркутск: Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева, 2012.

43. Рабенко B.C., Будаков И.B. Об особенностях эксплуатации энергоблоков ПГУ в климатических условиях России // Энергосбережение и водоподготовка. 2010. № 6. С. 1—5.

44. Хамза Н.Х. Оптимизация впрыска воды в тракт проточной части ГТУ, работающей в условиях Ирака: автореф. дисc. ... канд. техн. наук. Новочеркасск: Новочеркасский политехн. институт им. М.И. Платова, 2015.

45. Zurigat Y., Dawoud B., Bortmany J. On the Technical Feasibility of Gas Turbine Inlet Air Cooling Utilizing Thermal Energy Storage // Intern. J. Energy Research. 2006. V. 30. Pp. 291—305.

46. Ondryas I. e. a. Options in Gas Turbine Power Augmentation Using Inlet Air Chilling // Trans ASME of Eng. for Gas Turbines and Power. 1991. V. 113. Pp. 203—211.

47. Ameri M., Nabati H., Keshtgar A. Gas Turbine Power Augmentation Using Fog Inlet Cooling System // Proc. ESDA04 7 th Biennial Conf., 2004.

48. Mohanty В., Poloso G. Enhancing Gas Turbine Performance by Intake Air Cooling Using an Absorption Chiller // Heat Recovery Syst. 1995. V. 15. Pp. 41—50.

49. Российский рынок коммерческих дата-центров 2013—2017 [Электрон. ресурс] http://www.iks-consulting.ru (дата обращения 05.11.2016).

50. СН 512—78. Инструкция по проектированию зданий и помещений для электронно-вычислительных машин.
---
Для цитирования: Гаряев А.Б., Коротке Ю.В. Оценка масштабов и перспектив использования холода окружающей среды для экономии энергии // Вестник МЭИ. 2018. № 4. С. 58—70. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-4-58-70.
#
1. Baranenko A.V., Tagantsev O.M. Sostoyanie i Perspektivy Razvitiya Holodil'noy Otrasli Rossii: HolodEkspo — Rossiya: Materialy Konf. M., 2009. (in Russian).

2. Global Energy Statistical Yearbook [Elektron. Resurs] https://yearbook.enerdata.ru (Data Obrashcheniya 30.04.2017).

3. Gasho E.G., Puzakov V.S. Skhemy Teplosnab-zheniya: Chto Dal'she? ESKO. Goroda i zdaniya. 2014;11, 12 [Elektron. Resurs] http://journal.esco.co.ua/cities/2014_11_12/art200.html (Data Obrashcheniya 15.04.2017). (in Russian).

4. Al'ternativnaya Energiya v Yaponii [Elektron. Resurs] http://info-japan.ru (Data Obrashcheniya 29.04.2017). (in Russian).

5. Teplosnabzhenie Domov Teplom ot Data-tsentrov [Elektron. Resurs] https://rb.ru/story/data-centers-and-heating (Data Obrashcheniya 20.03.2017). (in Russian).

6. Barskov A. Ohlazhdenie TSOD: ot PUE k WUE. Zhurnal Setevyh Resheniy LAN. 2014;1:31—37. (in Russian).

7. Mackay K. Energy Efficient Cooling Solutions for Data Centers. PhD dissertation. Stockholm: Strathclyde University, 2012.

8. Posladek G. An Investigation into Using Free Cooling and Community Heating to Reduce Data Center Energy Consumption. Stockholm: Strathclyde University, 2010.

9. Pervila M. Data Center Energy Retrofits. Helsinki: University of Helsinki, 2013.

10. Chillery s Estestvennym Ohlazhdeniem [Elektron. Resurs] http://www.climaveneta.com. (Data Obrashcheniya 16.11. 2016). (in Russian).

11. Mal'nev V.P. Elektrifitsirovannaya Sistema Ohlazhdeniya Moloka s Ispol'zovaniem Estestvennogo Holoda dlya Hozyaystv Tsentral'noy Zony Rossii: Avtoref. Diss. ... Kand. Tekhn. Nauk. M.: Rossel'hozakademiya, 2004. (in Russian).

12. Musin A.M. Ispol'zovanie Estestvennogo Holoda v Avtomatizirovannyh Sistemah Ohlazhdeniya Moloka. Holodil'naya Tekhnika. 1989;1. (in Russian).

13. Korovin G.S. Razrabotka i Obosnovanie Vodooborotnogo Ledyanogo Akkumulyatora dlya Moloch-no-tovarnyh Ferm: Avtoref. Diss. ... Kand. Tekhn. Nauk. Orenburg: Orenburgskiy Gos. Agrarnyy Un-t, 2015. (in Russian).

14. Pat. № 2185578 RF. Ustroystvo dlya Ohlazhdeniya Sel'skohozyaystvennoy Produktsii Estestvennym Holodom Grunta. F.G. Mar'yahin i dr. Byull. Izobret. 2002;20. (in Russian).

15. Mul'tan A.А. Energosberegayushchaya Kombinirovannaya Sistema Ohlazhdeniya Moloka s Ispol'zovaniem Prirodnogo Holoda i Vodoledyanogo Akkumulyatora. Polzunovskiy Vestnik. 2011;2/1:204—208. (in Russian).

16. Pat. № 120846 RF. Ustroystvo dlya Ohlazhdeniya Moloka s Akkumulyatorom Holoda. A.S. Mokshanov, A.N. Balalaev. Byull. Izobret. 2012;28. (in Russian).

17. Margeirsson B. Modelling of Temperature Changes During Transport of Fresh Fish Products. Reykjavík: University of Iceland, 2012.

18. Jihan F.J. Modeling Heat Transfer During Cooling of Ready-to-eat Meat and Poultry Products Using Three-dimensional Finite Element Analysis and Webbased Simulation. Lincoln: University of Nebraska-Lincoln, 2010.

19. Filipsson P. Competitiveness of District Cooling in Energy Efficient Supermarkets. Gothenburg: Chalmers University of Technology, 2011.

20. Grozdek M. Load Shifting and Storage of Cooling Energy through Ice Bank or Ice Slurry Systems — modelling and experimental investigation. Stockholm: Royal Institute of Technology, 2009.

21. Zeygarnik Yu. А. i dr. Sezonnoe Akkumulirovanie Prirodnogo Holoda. Polzunovskiy Vestnik. 2012;4:190—195. (in Russian).

22. Tarasova E.V. Sistemy Konditsionirovaniya Vozduha s Sezonnymi Akkumulyatorami Estestvennogo Holoda: Avtoref. Diss. ... Kand. Tekhn. Nauk. Tyumen':Dal'nevostochnyy Federal'nyy Un-t, 2013. (in Russian).

23. Serenov I.I. Modelirovanie Protsessa Zamorazhivaniya pri Sozdanii Razlichnyh Form Hladoemkoy

Massy Vodnogo L'da s Ispol'zovaniem Nizkotemperaturnogo Potentsiala Okruzhayushchey Sredy: Avtoref. Diss. ... Kand. Tekhn. Nauk. M.: MGTU im. N.E. Baumana, 2016. (in Russian).

24. Zverev S.S. Holodil'nik-akkumulyator Estestvennogo Holoda v Usloviyah Yakutii. Sibirskiy Vestnik Sel'skohozyaystvennoy Nauki. 2008;10:103—108. (in Russian).

25. Sneg dlya Letnego Ohlazhdeniya [Elektron. Resurs] http://advantage-environment.com (Data Obrashcheniya 01. 11.2016). (in Russian).

26. Sneg dlya Ohlazhdeniya Yaponskogo Aeroporta [Elektron. Resurs] http://www.treehugger.com (Data Obrashcheniya 01.11.2016). (in Russian).

27. Snezhnye Hranilishcha [Elektron. Resurs] http://web-japan.org/trends/11_tech-life/tec140414.html (Data Obrashcheniya 01.11.2016). (in Russian).

28. Sistema Ohlazhdeniya s Ispol'zovaniem Estestvennogo Holoda [Elektron. Resurs] http://www.thermonews. ru (Data Obrashcheniya 01.11.2016). (in Russian).

29. Iskusstvennyy Firn i Sistemy Konditsionirovaniya [Elektron. Resurs] http://www.c-o-k.ru (Data Obrashcheniya 01.11.2016). (in Russian).

30. Geotermal'nye Istochniki [Elektron. Resurs] http://www.nzgeothermal.org (Data Obrashcheniya 01.11.2016). (in Russian).

31. Sistema Ohlazhdeniya Aeroporta Arlanda [Elektron. Resurs] http://www.swedavia.com/arlanda (Data Obrashcheniya 01.11.2016). (in Russian).

32. Nizkopotentsial'nye Gruntovye Vody [Elektron. Resurs] http://www.dslib.net (Data Obrashcheniya 01.11.2016). (in Russian).

33. Parhomchuk V.V., Skrinskiy A.N. Elektronnoe Ohlazhdenie — 35 Let Razvitiya. UFN. 2000;170;5:473—493. (in Russian).

34. Passivnoe Ohlazhdenie Nochnym Vozduhom [Elektron. Resurs] http://solarhouses.ru (Data Obrashcheniya 01.11.2016). (in Russian).

35. Ohlazhdenie TSOD [Elektron. Resurs] http://telecombloger.ru (Data Obrashcheniya 01.11.2016). (in Russian).

36. Frikuling dlya Ohlazhdeniya Oblachnyh TSOD v Dubline [Elektron. Resurs] http://www.aboutdc.ru (Data Obrashcheniya 01.11.2016). (in Russian).

37. Danilov O.L. i dr. Energosberezhenie v Teploenergetike i Teplotekhnologiyah. M.: Izdat. dom MPEI, 2010. (in Russian).

38. Poruchenie Prezidenta Rossiyskoy Federatsii № Pr-1294 ot 11 iyunya 2013 g. «Ob obespechenii dostizheniya tselevyh pokazateley sotsial'no-ekonomicheskogo razvitiya Rossiyskoy Federatsii». Perechen' porucheniy. 2013. (in Russian).

39. Medvedkov I.S. Nizkotemperaturnye Protsessy Ochistki pri Malotonnazhnom Proizvodstve Szhizhennogo Prirodnogo Gaza Povyshennogo Kachestva: Avtoref. Diss. ...Kand. Tekhn. Nauk. M.: NIU «MPEI», 2013. (in Russian).

40. Ochkov V.F. Sohranenie i Razvitie Teplovyh Elektrostantsiy ili n-generatsiya. Energosberezhenie i Vodopodgotovka. 2017;1:50—61. (in Russian).

41. Klimenko V.V. i dr. Effektivnost' Rabot Gazoturbinnyh Ustanovok v Rossii v Menyayushchihsya Klimaticheskih Usloviyah. Teploenergetika. 2016; 10:14—23. (in Russian).

42. Al'ravi A.I. Optimizatsiya Parametrov PGU I Sistem Ohlazhdeniya Naruzhnogo Vozduha PGU i GTU dlya Territoriy s Zharkim Klimatom: Avtoref. Diss. ... Kand. Tekhn. Nauk. Irkutsk: Institut Sistem Energetiki im. L.A. Melent'eva, 2012. (in Russian).

43. Rabenko V.S., Budakov I.V. Ob Osobennostyah Ekspluatatsii Energoblokov PGU v Klimaticheskih Usloviyah Rossii. Energosberezhenie i vodopodgotovka. 2010;6:1—5. (in Russian).

44. Hamza N.H. Optimizatsiya Vpryska Vody v Trakt Protochnoy Chasti GTU, Rabotayushchey v Usloviyah Iraka: Avtoref. Diss. ... Kand. Tekhn. Nauk. Novocherkassk: Novocherkasskiy Politekhn. Institut im. M.I. Platova, 2015. (in Russian).

45. Zurigat Y., Dawoud B., Bortmany J. On the Technical Feasibility of Gas Turbine Inlet Air Cooling Utilizing Thermal Energy Storage. Intern. J. Energy Research. 2006; 30: 291—305.

46. Ondryas I. e. a. Options in Gas Turbine Power Augmentation Using Inlet Air Chilling. Trans ASME of Eng. for Gas Turbines and Power. 1991; 113:203—211.

47. Ameri M., Nabati H., Keshtgar A. Gas Turbine Power Augmentation Using Fog Inlet Cooling System. Proc. ESDA04 7 th Biennial Conf., 2004.

48. Mohanty V., Poloso G. Enhancing Gas Turbine Performance by Intake Air Cooling Using an Absorption Chiller. Heat Recovery Syst. 1995; 15: 41—50.

49. Rossiyskiy Rynok Kommercheskih Data-tsentrov 2013—2017 [Elektron. Resurs] http://www.iks-consulting.ru (Data Obrashcheniya 05.11.2016). (in Russian).

50. SN 512—78. Instruktsiya po Proektirovaniyu Zdaniy i Pomeshcheniy dlya Elektronno-vychislitel'nyh Mashin. (in Russian).
---
For citation: Garyaev A. B., Korotke Yu.V. Assessing the Scales and Prospects of Using the Environmental Cold for Energy Saving Purposes. MPEI Vestnik. 2018;4:58—70. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-4-58-70.
Опубликован
2018-08-01
Раздел
Энергетика (05.14.00)