Теплоснабжение зданий с использованием систем утилизации солнечной энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теплоснабжение зданий с использованием систем утилизации солнечной энергии

д.т.н. В.С.Степанов, профессор; к.т. н. И.И.Айзенберг, доцент;

к.т.н. Е.Э.Баймачев

Возобновляемые источники энергии

В г. Иркутске отопительная нагрузка с апреля по октябрь включительно может полностью покрываться за счет утилизации солнечной энергии Одним из путей снижения затрат топлива является использование возобновляемых источников энергии, особенно нетрадиционного типа, которые ранее либо совсем не использовались, либо использовались в очень ограниченных масштабах. К ним относятся солнечная, гидротермальная, приливная энергия, энергия биомассы, низкопотенциальное тепло природного и искусственного происхождения.

Возобновляемые и нетрадиционные виды энергии помимо неограниченности их запасов привлекают внимание также и относительно высокой экологической чистотой по сравнению с традиционными. Последнее обстоятельство особенно важно для региона озера Байкал, если учесть, что этот регион относится к районам с повышенными экологическими требованиями, а большинство расположенных здесь котельных и ТЭЦ работают на угле.

Применение возобновляемых источников энергии, особенно солнечной, является наиболее обоснованным для объектов, оторванных от систем централизованного энергоснабжения: небольших поселков в районе озера Байкал, на севере Иркутской области, Красноярского края, в Саха-Якутии и т. д.

Энергоэффективные здания

Наиболее перспективным представляется использование энергии солнца на цели отопления и горячего водоснабжения в так называемых гелиоактивных зданиях.

Анализ традиционной сибирской архитектуры с точки зрения экономии энергии показывает, что она недостаточно учитывает возможности использования гелиоэнергетических ресурсов и климатические условия региона. Это относится, прежде всего, к ориентации зданий относительно сторон света, а также относительно господствующего направления ветра. Нетрудно заметить, что реальное градостроительство подчинено стремлению располагать оси домов произвольно или в соответствии с рельефом местности (вдоль дорог, берегов рек, протяженных складок местности и т. д.).

Другим важным моментом проблемы энергосбережения в этой сфере является минимизация теплопотерь через ограждающие конструкции зданий. Понятно, что решающая роль здесь принадлежит существующим нормативам по термическому сопротивлению ограждающих конструкций.

В частности при проектировании солнечных домов рекомендуется руководствоваться следующим:

1. учитывать экономию энергии всем зданием (в частности, за счет теплоизоляции);

2. осуществлять расчет будущей экономии энергии, за счет которой должны окупиться затраты на оборудование системы;

3. гарантировать экономичность системы во всех эксплуатационных режимах, применять высококвалифицированное проектирование с инженерными решениями, обеспечивающими эффективную работу систем, при их минимальной стоимости.

Исходя из этих положений, в 1994-2000 годах на кафедре теплогазоснабжения, вентиляции и охраны воздушного бассейна ИрГТУ был разработан ряд проектов энергоактивных зданий. Основой проекта является расчет энергетического баланса энергоактивного дома.

С точки зрения гелиотехники оптимальным, для условий Восточной Сибири, выглядит 2-3-х этажный индивидуальный жилой дом, имеющий пассивные (стены Тромба-Мишеля) (рис. 1) и активные (плоские солнечные коллекторы) элементы систем солнечного теплоснабжения. Стена Тромба-Мишеля размещается на южном и (или) юго-западном фасадах здания. Плоские солнечные коллекторы размещаются на южном скате крыши. Солнечная энергия в течение летнего периода расходуется на горячее водоснабжение (возможно использование солнечного охлаждения), а ее избытки аккумулируются в баке-аккумуляторе, расположенном в подвале, что позволяет эффективно отапливать помещения первого этажа. Зимой солнечная энергия расходуется на отопление и горячее водоснабжение. В случае недостатка, дефицит тепла покрывается либо с помощью бака-аккумулятора, дублирующего источника энергии (электрокалорифера) и теплового насоса. В качестве теплоносителя может использоваться: этиленгликоль в первичном и вода во вторичном контурах установки. Общая площадь отапливаемых помещений - до 100 м2. Помещения в здании распределены таким образом, чтобы на северную и восточную стороны здания приходились вспомогательные помещения, являющиеся тепловым буфером, а жилые помещения сосредотачивались на южном фасаде.

В качестве исходной информации использованы данные источников [2, З], а также результаты экспериментов, проведенных авторами в г. Иркутске на собственной модели солнечного коллектора (рис. 2).

Экспериментальные данные

Отражатели слабо влияют на увеличение приема диффузной солнечной радиации. Нерегулируемые отражатели увеличивают радиационный поток на коллекторе в течение 1,5-2 часов в день, в утренние и вечерние часы могут давать эффект затенения, в другое время - практически не влияют на работу плоского солнечного коллектора, занимая при этом существенную площадь. Отражатели можно рекомендовать к использованию совместно с плоским солнечным коллектором в случаях их работы в качестве одиночной установки, например, для нагрева воды в душевой кабине. В случае расположения коллектора в составе коллекторного поля применение отражателей нецелесообразно.

Коллектор показал слабые возможности по улавливанию рассеянной солнечной радиации. В дни с переменной или сплошной облачностью температура в баке-аккумуляторе если и отличалась от наружной, то незначительно.

Эксперименты с углом наклона коллектора к горизонту выявили резкое падение КПД при отклонении угла наклона от оптимального, равного географической широте местности. Максимальные допустимые отклонения угла наклона коллектора к горизонту составляют ±10° от угла широты и 15° от направления на юг; при таких отклонениях КПД коллектора снижается на 10-15% (рис. 3).

Оптимальный гелиоактивный дом

Проведенные расчеты показали:

1. С помощью системы солнечного теплоснабжения в течение всего года нагрузка на горячее водоснабжение может удовлетворяться полностью при расходе воды 100 л/чел в сутки;

2. Отопительная нагрузка с апреля по октябрь включительно может полностью покрываться за счет утилизации солнечной энергии;

3. Приход солнечной радиации в теплый период года позволяет, при необходимости, организовывать солнечное охлаждение (кондиционирование).

Анализ схем солнечного теплоснабжения

При рассмотрении различных схем солнечного теплоснабжения, а также их элементов выявлено, что:

- применение схемы непосредственного солнечного нагрева воды как основной в условиях Восточной Сибири нерационально. Эту схему можно применять в качестве дополнительной к традиционной для работы в режиме «весна-лето-осень» [5];

- плоские солнечные коллекторы с воздушным теплоносителем обладают меньшим КПД, по сравнению с коллекторами на жидкостном теплоносителе, поэтому не рекомендуются к применению в условиях Восточной Сибири;

- пассивные системы с прямым солнечным обогревом безусловно применимы в качестве элементов энергоактивных зданий для климатических условий Иркутской области;

- стены Тромба-Мишеля полностью применимы в рассматриваемых климатических условиях. Их применение может быть предусмотрено в проектируемых домах, а так же при реконструкции существующих зданий. Суровые климатические условия Восточной Сибири заставляют применять теплозащитные устройства с повышенными характеристиками. В качестве таких устройств можно использовать дополнительные слои остекления в зимнее время. Например, для стен Тромба-Мишеля можно рекомендовать в теплый и переходный периоды - однослойное остекление, а в холодный период дополнительно к существующему остеклению устанавливать двойные стеклопакеты.

Выводы

гелиоактивный здание возобновляемый энергия

Суровые климатические условия Сибири, масштабы потребления топлива на цели отопления и горячего водоснабжения делают необходимым широкое развитие «солнечного» домостроения, чему в достаточной мере способствует гелиоэнергетическое изобилие южных районов Сибири.

При индивидуальном жилищном строительстве в Восточной Сибири энергоактивное здание должно удовлетворять повышенным теплозащитным требованиям, иметь тройное остекление или установленные стеклопакеты. Отопление помещений первого этажа может эффективно решаться путем установки под жилыми помещениями бака-аккумулятора солнечной энергии, как источника низкопотенциальной тепловой энергии.

В систему теплоснабжения энергоактивных зданий (круглогодично эксплуатируемых) в Иркутской области и аналогичных по климатическим условиям районов Красноярского края, Республики Бурятия, Читинской области и т. д. должны включаться тепловой насос (для повышения потенциала тепловой энергии) и дополнительный источник энергии (для покрытия дефицита энергии в периоды длительных неблагоприятных погодных условий).

Литература

1. Программное обеспечение инженерных расчетов в области строительства: состояние и

направления строительства. Известия вузов «Строительство». № 6 (498) -2000. 2 ВНИИГМИ-МЦЦ (www.meteo.ru).

3. Справочник по климату СССР (Иркутская область и Бурятская АССР). Солнечная радиация.

4. Т. А. Маркус, Э. Н. Моррис. Здания, климат, энергия. Пер. с англ. под ред. Н. В. Кобышевой, Е. Г. Малявиной. - Ленинград, Гидрометеоиздат, 1985. - 544 с.

5. Энергоактивные здания/ Н. П. Селиванов, А. И. Мелуа, С. В. Зоколей и др.; Под ред. Э. В. Сарнацкого и Н. П. Селиванова. - М.: Стройиздат, 1988. - 376 с.

6. У.А.Бекман, С.А.Клейн, Дж.А.Даффи. Расчет солнечного теплоснабжения. - М.: Энергоиздат, 1982. - 79 с.

Размещено на Allbest.ru