Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Щукина Татьяна Васильевна

Научно-методологические основы использования солнечной энергии в замещении тепловых нагрузок зданий

05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежском государственном архитектурно-строительном университете

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Кувшинов Юрий Яковлевич

Официальные оппоненты:  доктор технических наук, профессор

Хаванов Павел Александрович

доктор технических наук, профессор

Бодров Валерий Иосифович

доктор технических наук, доцент

Бутузов Виталий Анатольевич

Ведущая организация:  Дочернее открытое акционерное

общество Газпроектинжиниринг

Защита состоится л  ____________ 2011 г. в ____ час. на заседании диссертационного совета Д 212.138.10 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, МГСУ, в ауд. №___.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан л  ____________ 2011 г

Ученый секретарь

диссертационного совета  Орлов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Солнечная энергия является наиболее технологически доступным и экономически целесообразным видом возобновляемой энергии, использование которого для теплоснабжения сооружений было бы неверно ограничивать районами только с теплым климатом, продолжительным количеством безоблачных дней и значительной величиной солнечной радиации. Последние актинометрические исследования РФ показывают достаточную энергооблученность многих регионов, не относящихся с этой точки зрения к благоприятным, но для условий которых возможно проектирование и организация бесперебойной эксплуатации гелиоустановок.

Вопросами использования солнечной энергии в пассивных и активных системах солнечного теплоснабжения занимается целый ряд научных, проектных и производственных коллективов России: Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН, комитет Российского союза научных и инженерных общественных организаций по проблемам использования возобновляемых источников энергии (возглавляемый Безруких П.П.), Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, акционерное общество Новые и возобновляемые источники энергии, отделение нетрадиционных источников энергии в ОАО энергетическом институте им. Г.М. Кржижановского (ранее возглавляемое Тарнижевским Б.В.) и др. Значительный вклад в развитие этих вопросов принадлежит Осипову Г.Л., Богословскому В.Н., Табунщикову Ю.А., Кувшинову Ю.Я., Бродач М.М, Попелю О.С., Бутузову В.А., Тарнижевскому Б.В., Фриду С.Е., Мухиддинову П.М., Пенджиеву А.М. и др.

В России традиционно широко применяется солнечная энергия в сельском хозяйстве: в технологии выращивания различного вида культур, для сушки сельскохозяйственной продукции, опреснения воды, снабжения горячей водой животноводческих помещений. Научный и практический интерес представляет возможность использования солнечной энергии и в производственных процессах, например, в технологии получения низкой себестоимости продукции стройиндустрии при ускорении процесса твердения бетонов, вместо традиционного пропаривания.

Несмотря на разнообразные способы применения солнечного излучения, нетрадиционное теплоснабжение объектов различного назначения осуществляется крайне редко. Это проявляется, том числе и в территориальной ограниченности использования солнечной радиации. Лишь только в южных регионах гелиоустановки нашли относительно широкое применение и практически отсутствуют в центральных и северных областях РФ. Распространение систем утилизации солнечной энергии для большинства регионов сдерживается не только их дороговизной и крайне низким количеством типовых решений, но и отсутствием эффективных, высокопроизводительных разработок гелиосистем, улавливающих, преобразующих и аккумулирующих солнечную энергию при нестабильных климатических условиях.

Диссертационная работа выполнялась в рамках приоритетного направления развития фундаментальных и прикладных наук РААСН Ресурсо- и энергоминимизация в архитектурно-строительном комплексе. Энергосберегающие технологии

Цель работы - научно-методологические основы обеспечения максимального замещения солнечной энергией тепловых нагрузок зданий за счет повышения эффективности процессов улавливания, аккумулирования и передачи потребителю теплоты.

Для достижения этой цели необходимо решать следующие научно-технические задачи:

  1. Количественная оценка энергетического потенциала солнечной радиации для различных климатических условий на основе анализа данных актинометрических наблюдений на территории РФ.
  2. Комплексное обоснование принципиальных решений систем альтернативного теплоснабжения объектов для различных районов строительства с учетом энергооблученности ограждений проектируемых сооружений.
  3. Разработка перспективных направлений по осуществлению максимально возможного замещения солнечной энергией в теплообеспечении зданий на основе повышения потенциала оборудования гелиосистем.
  4. Создание на базе концептуального прогнозирования развития гелиосистем технических решений по улавливанию, хранению и транспортировке теплоты, вызывающих повышение показателей основных процессов в энергозамещении.
  5. Оценка на основе математического моделирования возможностей наименее затратного пассивного способа применения солнечной радиации, как в производственных процессах стройиндустрии, так и при замещении тепловой нагрузки в отоплении зданий различного назначения.
  6. Разработка рекомендаций по эффективному использованию массивов с регулируемыми светопрозрачными ограждениями для пассивного солнечного отопления и осуществления гелиотермообработки в условиях средней полосы России и более северных широт.
  7. Обоснование технических решений, повышающих кпд активных гелиосистем посредством математического моделирования процессов, протекающих в оборудовании основного назначения. Анализ расчетных данных, полученных на базе проведенных исследований, и прогнозирование на его основе изменений теплотехнических показателей установок при применении новых конструктивных решений для обеспечения максимально возможного энергозамещения.
  8. Экспериментальное исследование режимов функционирования активной гелиосистемы и ресурса возможного энергозамещения в зависимости от конструктивных особенностей оборудования и климатических условий его использования.
  9. Разработка структурной схемы и методики расчета энергозамещения солнечной радиацией в балансе потребления с учетом климатических особенностей и параметрических эксплуатационных характеристик оборудования при прогнозируемом повышении их показателей.
  10. Определение целесообразности применения солнечных систем в энергообеспечении зданий коттеджного типа при проведении численного эксперимента с учетом эффективности конструкторских разработок.

Научная новизна работы.

- установлены классификационные характеристики возможного использования солнечной радиации для энергозамещения потреблений сооружениями в зависимости от ее валового потенциала и создаваемых условий, способствующих дополнительной облученности воспринимающих поверхностей;

- разработаны научно-методологические основы концептуальных направлений повышения эксплуатационных параметров оборудования гелиосистем, позволяющих увеличить долю замещения в энергообеспечении сооружений;

- на основе математического моделирование пассивного использования солнечной энергии дана оценка технических возможностей и условий, способствующих росту энергооблученности строительных конструкций;

- обосновано комплексное повышение теплотехнических характеристик оборудования активных солнечных установок, вызывающее увеличение общего кпд гелиосистем и расширяющее территориальных диапазон их применения;

- разработаны конструктивные решения улавливающих, аккумулирующих и передающих энергию потребителю устройств, позволяющих эффективно использовать солнечную радиацию в пассивном и активном режиме;

- в результате математического моделирования установлено влияние на температурный режим теплоносителя технических параметров гофрированного светопрозрачного покрытия абсорбера и пластинчатого теплообменника-аккумулятора, с предусмотренной в нем функцией контроля времени хранения и передачи теплоты потребителю;

- обоснована целесообразность замещения солнечной энергией теплопотребления зданий для ряда регионов с нестабильными климатическими условиями, в том числе и с учетом повышения кпд современных гелиосистем.

Основные положения, выносимую на защиту:

- комплексная оценка уровня возможного использования ресурсов солнечной радиации на территории РФ с прогнозированием ее роста в энергообеспеченности зданий для ряда климатических зон; технико-экономическое обоснование базисных решений по применению гелиосистем для конкретных климатических условий регионов;

- научно-методологические подходы к вопросам поиска способов повышения эффективности пассивных и активных гелиосистем для достижения максимального возможного замещения в энергопотреблении сооружений;

- результаты теоретических исследований пассивного использования солнечной радиации для проведения производственных процессов термообработки строительных изделий и для компенсации теплопотерь помещениями в холодный период года при нагревании конструкций ограждений;

- рекомендации, разработанные на основе системного анализа и моделирования пассивных способов утилизации излучения, по организации структур поглощающих массивов, включая теплоизоляционные материалы и экранирующие солнцезащитные устройства для сезонных изменений в нагрузках;

- технические решения, обоснованные математическим моделированием и повышающие степень улавливания солнечной энергии, а  также обеспечивающие ее длительное хранение при нестабильных погодных условиях в активных гелиосистемах;

- результаты экспериментальных исследований альтернативного энергозамещения нагрузок и эффективности плоского коллектора с гофрированным светопрозрачным ограждением в системе солнечного автономного теплоснабжения здания определенного типа.

Обоснованность и достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждены следующими положениями:

- полученные в работе научные результаты базируются на классических положениях теории тепломассообмена;

- удовлетворительным соответствием результатов расчетов, полученных на основе предложенных математических моделей, данным испытаний солнечной системы теплоснабжения, а также известным ранее экспериментальным и теоретическим данным других исследователей.

Практическая значимость работы определяется решением в рамках диссертации крупной проблемы, имеющей энерго- и ресурсосберегающее значение в области развития и совершенствования ЖКХ, а также автономного обеспечения зданий и отделенных населенных пунктов.

Практическая значимость результатов работы заключается в:

- научно-методологическом обосновании возможности применения систем солнечного теплоснабжения в климатических условиях средней полосы России и территорий, относящихся к северным регионам;

- предложенных методологических основах прогнозирования и оценки возможного энергозамещения в теплопотреблении сооружений при проектировании активных и пассивных систем солнечного теплоснабжения;

- технических решениях, повышающих эффективность использования солнечного излучения и расширяющих территориальный диапазон экономической целесообразности альтернативного энергозамещения.

Внедрение в практику состоит в использовании следующих положений диссертации:

- системного подхода к поэтапному решению технических задач использования солнечной радиации в энергозамещении нагрузки объектов в климатических условиях РФ;

- использование на стадии проектирования расчетных алгоритмов определения валового потенциала солнечной радиации для различных регионов, подбора требуемого оборудования гелиосистем, их теплового и гидравлического расчета, включая вопросы стоимости и окупаемости разрабатываемых мероприятий;

- поиска совместно с проектными и монтажными организациями на стадии принятия решений приоритетных объектов для альтернативного теплоснабжения, позволяющих применять энергосберегающие технологии строительства;

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, региональных конференциях, совещаниях и научных семинарах, в числе которых международный научно-практический симпозиум Дорожная экология XXI века, Воронеж, 2000; первая и вторая международные научно-технические конференции Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции, Москва, МГСУ 2005, 2007; 7, 8, 9, 10, 11, 12-ая международные научно-практические конференции Высокие технологии в экологии, Воронеж, 2004-2009; III международная научно-практическая конференция Проблемы экологии: наука, промышленность, образование, Белгород, 2006; международная научно-практическая конференция Концептуальные вопросы современного градостроительства, Воронеж, 2007; III Международная выставка - Интернет-конференция Энергообеспечение и строительство, Орел, 2009.

Вклад автора в работу заключается в постановке и решении научно-технических задач, разработке математического моделирования, конструировании основного оборудования гелиосистем, проведении экспериментов и выполнении расчетов, анализе экспериментальных данных и результатов математического моделирования, авторском надзоре за процессом использования выполненных разработок в теплоснабжении объектов.

Публикации. Основное содержание диссертации представлено в 47 научных публикациях, в том числе 11 статьях рецензируемых журналов (из них лично автором 1,34 п. л.), рекомендуемых ВАК для строительной отрасли, монографии, в 5 патентах на изобретения и 23 публикациях в центральной печати.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы из 215 наименований, приложений, изложена на 292 страницах машинописного текста, включает 15 таблиц и 78 иллюстрации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, методы их решения, научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ баланса энергопотребления по различным статьям расхода, который позволил выявить, что значительная часть ресурсов для большинства зданий идет на отопление и горячее водоснабжение. Поэтому основные мероприятия по энергосбережению должны быть направлены, прежде всего, на совершенствование этих инженерных систем, включая их источники теплоснабжения, в том числе и приоритетного нетрадиционного направления.

Как показывает зарубежный опыт, основанный на новых технологиях в минимизации потерь и альтернативном энергообеспечении, строительство и эксплуатация гелиосистем в условиях ограничения топлива становится первоочередной задачей. Устойчивые тенденции стремительного роста в балансе потребления нетрадиционных ресурсов, поддерживаемые программами экономического стимулирования, включая их льготное финансирование в ряде государств, позволили выявить сдерживающие факторы для условий РФ, одним из которых является общепринятое положение о недостаточной облученности большинства территорий. Обеспечить расширение границ применения гелиотехники и тем самым выйти на новый уровень энергозамещающих технологий возможно при объективной оценке ресурсов солнечной радиации, особенно для северных областей, и разработке эффективных средств повышения облученности теплогенерирующих устройств в неблагоприятных для эксплуатации условиях.

Наряду с этим существуют предпосылки, стимулирующие массовое использование возобновляемых источников энергии в России. К ним относятся: энергоснабжение труднодоступных районов, не подключенных к общим сетям; потребность в улучшении экологической обстановки; необходимость увеличения мощностей в энергодефицитных районах; неуклонный рост цен на энергоносители. Влияние перечисленных факторов на темпы внедрения возобновляемых источников сдерживается неравномерностью и стохастичностью получаемого энергетического потока, что вызывает рост затрат на дополнительное дублирующее и аккумулирующее оборудование. Вследствие этого возникаемое непостоянство режимов эксплуатации, негативно изменяющее рабочее параметры установок необходимо корректировать в соответствии с выдвигаемыми потребителем требованиями и результатами технико-экономического анализа проектируемых систем.

На основе существующих тенденций развития и перспективы широкого внедрения энергоактивных сооружений в первой главе сформулированы выводы и задачи исследования.

Во второй главе выполнен анализ существующих актинометрических наблюдений, в соответствии с которыми составлена структура энергоактивных сооружений для проектирования гелиосистем в зависимости от имеющихся ресурсов солнечного излучения.

По уровню энергооблученности, который следует использовать в гелиоактивных сооружениях, территорию РФ можно разделить на три основные зоны: южная (ниже 50о с.ш.) - Северный Кавказ, Приморье, юг Сибири с уровнем радиации 4-4,5 кВтч/м2день; центральная и северная (от 50о до 65о с.ш., более 70о в.д.) - 3,5-4 кВтч/м2день; северо-западная (от 65о до 70о с.ш., менее 70о в.д.) - Архангельская и Мурманская области, а также Якутия, Сахалин, восточное побережье Камчатки - 3-3,5 кВтч/м2день. Наиболее благоприятные гелиоклиматические условия, создающие естественную предрасположенность для первоочередного внедрения в практику проектирования и строительства различных систем солнечного отопления и горячего водоснабжения зданий, имеются, прежде всего, в первой зоне. Но даже северо-западные районы пять месяцев в году имеют значительные потоки солнечной радиации за счет увеличения продолжительности светового дня, поэтому при определенных условиях в этой зоне можно развивать некоторые направления сезонных гелиоустановок, работающих в первую очередь в летнее время.

В каждом конкретном случае проектирования необходимо принимать комплексные решения с применением высокоэффективных средств по улавливанию солнечной радиации, передачи полученной теплоты потребителям и аккумулировании при ее избытке на длительный срок с учетом климатической нестабильности средней полосы России и ее более северных широт. Чтобы гелиоустановки соответствовали техническим условиям эксплуатации, в их расчетах необходимо использовать точные сведения о среднемесячном поступлении солнечного излучения на горизонтальную и вертикальную поверхности. Существующие зависимости для определения солнечной энергии не всегда дают требуемый уровень оценки ее потенциала. Предложенные уравнения регрессии (табл. 1), аппроксимирующие данные многолетних актинометрических наблюдений, позволяют определить реальные показатели теплопоступлений для различных регионов с учетом поправочного коэффициента ослабления солнечной радиации за счет статистической облачности рассматриваемого района. Величина данного коэффициента оценивается как отношение значения валового потенциала солнечной радиации при действительных условиях облачности к ее валовому потенциалу при безоблачном небе.

Таблица 1

Зависимости для определения валового потенциала солнечной энергии (прямой и рассеянной) на горизонтальную поверхность при безоблачном небе, МДж/м2

Месяц

Уравнения для расчета величины валового потенциала солнечной энергии в зависимости от географической широты местности , ос.ш.

Январь

Февраль

Март

Апрель

Май

Июнь

Июль

Август

Сентябрь

Октябрь

ноябрь

декабрь

год

Приведенные в табл. 1 уравнения и осредненные сведения по учету облачности позволяют при отсутствии фактических актинометрических наблюдений для конкретного района строительства определить ресурсы солнечной энергии с погрешностью до 5 %. Наряду с оценкой поступления солнечной радиации на горизонтальную плоскость получены зависимсоти для вертикальных поверхностей, учитывающие, в том числе и их ориентацию.

Анализ сведений по поступлению солнечной радиации показал, что на значительной территории РФ ее ресурсы могут быть эффективно использованы, в том числе и в северных регионах для эксплуатации сезонных гелиоустановок.

В третьей главе рассматриваются способы обеспечения сооружений солнечной энергоемкой облученностью и исследуются возможные направления повышения их эффективности.

Кпд пассивной системы отопления, как правило, составляет 25-30 %, но при благоприятных климатических условиях, рациональной планировке и технических решениях, способствующих возрастанию энергооблученности, может быть значительно выше и достигать 60 %. В этом случае было бы расточительно не использовать уловленную солнечную энергию для замещения тепловых нагрузок, тем более что основной недостаток такой системы, то есть большие суточные колебания температуры воздуха внутри помещений, успешно преодолевают современные средства автоматического регулирования теплоотдачи отопительных приборов. Автоматизированные системы отопления позволяют поддерживать требуемые параметры микроклимата при прямом улавливании солнечного излучения, обеспечивая существенное энергосбережение, в том числе и электроэнергии за счет эффективного дневного освещения.

Для повышения кпд пассивных систем и снижения затрат на их обустройство следует использовать современные архитектурные тенденции в проектировании зданий, включающие в том числе и укрытие строительных конструкций светопрозрачными ограждениями. Дополнительные капитальные вложения на мобильные экранирующие устройства в этом случае будут минимальны, но их установка обеспечит регулирование поступления солнечной радиации и сократит потери теплоты зданием. Уровень восполнения лучистой энергией отопительных нагрузок будет зависить от свето- и теплотехнических показателей строительных материалов наружного ограждения, поэтому при проектировании гелиоактивных конструкций следует учитывать их трансмиссионную способность для утилизации солнечной радиации. С учетом стационарных условий плотность теплового потока, проходящего через такое наружное ограждение, имеет вид

, (1)

где Q - тепловой поток, Вт; А - площадь ограждения, м2;  dСО - коэффициент пропускания светопрозрачного ограждения;  а - коэффициент поглощения несущего слоя строительной конструкции;  IП - солнечная радиация поступающая на вертикальную поверхность ограждения, Вт/м2;  tП, tН - температуры, соответственно, на поверхности несущего слоя, подвергаемой воздействию солнечной радиации, и наружного воздуха, оС;  K - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2⋅оС);  RВП  - термическое сопротивление воздушной прослойки, (м2⋅оС)/Вт.

Произведение    является коэффициентом пропускания поглощенного тепла и его величина оказывает значительное влияние на сокращение потерь через наружные ограждения. Так в климатических условиях г. Ростова на Дону для стены, имеющей защитное ограждение из стеклопакетов и установленные в воздушной прослойке жалюзи из фольгированного пенофола для отражения теплового излучения при неблагоприятных метеопараметрах, теплопоступления от солнечной радиации существенно снижают потери (рис. 1).

Рис. 1. Тепловой поток через 1 м2 наружной стены при среднемесячной температуре января для климатических условий г. Ростова на Дону в зависимости от толщины кирпичной кладки: 1, 2 - теплопотери, соответственно, при открытых и закрытых жалюзях; 3 - теплопоступления от солнечной радиации при пропускной способности каждого стекла 0,55 и кладке из силикатного кирпича; 4 - тоже, при окрашивании несущего слоя силикатным темно-серым покрытием; 5 - тоже, при окрашивании черным цветом; 6 - теплопоступления от солнечной радиации при пропускной способности стекла 0,8 и при черном окрашивании силикатного

Необходимо отметить, что используя новые технологии, в том числе и нано-уровня, можно добиться повышения пропускной способности светопрозрачных ограждений, и тогда при достижении  dСО=0,7-0,8 теплопотери полностью компенсируются солнечной энергией, а избыток теплоты может быть аккумулирован строительными конструкциями для последующего использования в ночное время суток. Но даже при облучении обычного силикатного кирпича, покрытого силикатной темно-серой краской и имеющего защитное остекление, сокращаются потери по сравнению с современными требованиями по тепловой защите зданий в климатических условий г. Ростова на 16-26 %, а при снижении капитальных затрат посредством уменьшения толщины кладки до 380 мм поступления от солнечной радиации восполнят теплопотери на 3-14 %.

Большой практический интерес к обогреву помещений и получению горячей воды за счет активных систем солнечного теплоснабжения обусловлен тем, что около 30-40 % производимой энергии расходуется низкотемпературными (до 100 оС) потребителями. Бесперебойная эксплуатация систем с такой утилизацией солнечного излучения в большинстве регионов России затруднена частым изменением метеопараметров воздушной среды и продолжительным периодом низких температур. Для увеличения доли альтернативного энергозамещения в потреблении зданий а, следовательно, и для территориального смещения в северные широты применения данных инженерных систем, необходимо разрабатывать более совершенные конструкции абсорберов, обладающих повышенной степенью улавливания солнечной радиации и надежным конструктивным исполнением, включая прочностные характеристики светопрозрачного ограждения, существенно увеличивающих нормативный срок службы устройств.

Поскольку тепловая нагрузка на систему отопления максимальна в декабре-январе, а световой день в этот период по продолжительности минимален, то для обеспечения более полного энергозамещения целесообразно в теплый период года солнечной энергии улавливать больше, чем требуется, сохраняя избыток для последующих пиковых потреблений.

Применяемые для этой цели аккумуляторы по характеру протекающих в них физико-химических процессов могут быть классифицированы на три основных типа: емкостной тип, в котором используется теплоемкость аккумулирующего материала без изменения его агрегатного состояния; аккумуляторы фазового перехода и способ хранения энергии, основанный на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических и фотохимических реакциях. Перечисленные типы, хоть и различны по физико-химической структуре протекающих процессов и удельному количеству аккумулируемой теплоты, но все они не предполагают ее длительное хранение. Анализ аккумулирующей способности применяемых видов материалов указывает на необходимость разработки устройств, относящихся как к второму, так и к третьему классу. В этом случае применение теплоаккумулирующих химических составов, подверженных обратимым реакциям, сопровождающихся фазовым переходом, способствует не только уменьшению массы и объема устройств хранения теплоты, но и контролированию времени начала передачи теплоты. Требуемые высокие теплотехнические показатели процессов аккумулирования и нагревания теплоносителя, направляемого в потребляющие системы, могут быть получены в проверенном длительной эксплуатацией базовом теплообменном оборудовании, широко применяемом в системах теплоснабжения.

Достичь максимального энергозамещения солнечной радиацией в сооружениях можно при совместном обустройстве как пассивными, так и активными гелиосистемами, технически выполненными на новом уровне по эффективности, надежности и срокам сезонной эксплуатации. Анализ параметров и характеристик существующего оборудования систем солнечного теплоснабжения от улавливающих средств до аккумулирующих позволил выявить основные тенденции их дальнейшего развития для расширения возможностей возмещения потребляемой энергии при различных климатических условиях.

В четвертой главе обосновывается влияние параметров отдельного оборудования на кпд гелиосистемы на основе полученной зависимости

.  (2)

где hS, hK, hА, hТ - соответственно кпд гелиоустановки и отдельных ее устройств: солнечного коллектора, аккумулятора тепловой энергии и теплообменника, передающего теплоту от теплоносителя, нагреваемого в плоском абсорбере, к воде, которая направляется к потребителю; n - соотношение потребляемой энергии и полученной в солнечном коллекторе.

Существенно увеличить эффективность систем солнечного теплоснабжения, можно лишь добиваясь высоких показателей в рабочих режимах каждого отдельного функционального устройства, поэтому впервые предлагается комплекс технических решений, повышающий степень улавливания солнечной радиации, ее преобразование в тепловую энергию и аккумулирование при избытке на продолжительный срок хранения.

Солнечный тепловой коллектор, степень поглощения радиации в котором существенно определяет кпд гелиосистемы в целом, имеет ненадежное из-за угрозы разрушения при соответствующих погодных условиях светопрозрачное листовое покрытие. Чтобы усилить этот конструктивный элемент, следует  использовать гофрированное стекло, неармированное или армированное методом непрерывного профиля, так как оно не только меньше по стоимости листового, но оно обладает большим сроком службы и характеризуется относительно меньшей загрязняемостью при одинаковых условиях эксплуатации.

Влияние светопрозрачного ограждения, имеющего форму гофрированного листа, на процесс улавливания солнечной радиации можно оценить, если для достигаемого эффекта снижения отражения и изменения пропускательной способности применить зависимость

, (3)

где  , - коэффициенты пропускания стекла, соответственно гофрированного и плоского вида;  , - коэффициенты отражения светопрозрачного ограждения и его снижения при волнистом исполнении;  х - ось, направленная от боковой стенки корпуса коллектора по его поперечному сечению, м;  l - шаг расположения поглощающих трубок, м.

Средне интегральное значение коэффициента пропускания определяет оптический кпд коллектора , который  также учитывает 5 % загрязнение прозрачной поверхности, поглощательную способность панели абсорбера аП  и оказывает влияние на мгновенный кпд устройства (рис. 2).

Рис. 2. Мгновенный кпд коллектора в зависимости от соотношения разности температур начальной теплоносителя и окружающего воздуха и потока солнечной радиации: 1, 2 - абсорбер селективный с одним остеклением и коэффициентом теплопотерь, соответственно, 4,5 и 6 Вт/(м2оС); 3, 4 - то же с гофрированным остеклением

В плоских солнечных коллекторах целесообразно использовать волнистое остекление с дополнительным оптическим эффектом, создаваемым предусмотренными в конструкции жидкостными линзами и призматическими отражателями, размещенными, соответственно, на нижних поверхностях гофр и в корпусе над поглощающей панелью. Заполнение полостей указанных элементов теплоносителем позволяет увеличить продолжительность его циркуляции в абсорбере, тем самым обеспечивая его прогрев до более высоких температур. При этом такие коллекторы позволяют более эффективно преобразовывать солнечную энергию в тепловую с последующим использованием в системах отопления и горячего водоснабжения, за счет концентрирования излучения на поглощающие трубы и предварительного нагревания теплоносителя в жидкостных призматических отражателях и линзах. Применение последних способствует увеличению объема жидкости в устройстве, что повышает его производительность, не снижая температурного потенциала теплоносителя на выходе.

Использование материалов с расширенным спектром свойств, оптимизация геометрических параметров при сложной поверхности поглощающих панелей и светопрозрачных ограждений позволят получать энергии при интенсивном солнечном излучении в достаточном количестве для потребителей, но в ограниченные световым днем временные промежутки. Это обстоятельство предопределяет разработку эффективных устройств длительного хранения теплоты, использующих энергию фазового перехода в обратимых химических реакциях и катализаторы с контролируемым начальным воздействием на применяемый состав. Именно такое аккумулирование сопровождается минимальными теплопотерями в окружающую среду, которые в основном будут происходить при протекании процессов плавления и кристаллизации.

Для предложенного способа аккумулирования теплоты можно использовать смесь перенасыщенного водного раствора ацетата натрия, пищевого желатина и глицерина. Активация указанного химического состава при воздействии катализатора, вызывает фазовый переход вещества из жидкого состояния в твердое при температуре +54 оС, а после завершения процесса кристаллизации восстановить жидкую структуру можно за счет нагревания горячей водной средой, получаемой при интенсивном солнечном облучении. Данной смесью целесообразно заполнить часть герметичных пластин теплообменников, применяемых для двухконтурных гелиосистем, рационально совмещая в них две функции: передачи теплоты и аккумулирования при ее избытке.

Реализовать предлагаемый способ хранения избыточной энергии в двухконтурных гелиосистемах целесообразно в пластинчатых теплообменниках, обладающих высокими теплотехническими показателями и широко применяемых в теплоснабжении зданий. Конструктивные особенности этих устройств позволяют оптимально совместить в них функции теплообменника и аккумулятора теплоты, если часть пространства, образованного пластинами заполнить химическим составом, меняющим свое агрегатное состояние под влиянием активатора при невысоких температурах, характерных для гелиосистем.

Одним из эффективных и мало затратных решений для повышения кпд пассивного солнечного отопления являются подвижные автоматические жалюзи для светопрозрачных наружных ограждений, выполненные из легкого теплоизоляционного материала с металлизированным покрытием. Предложенная автоматическая система регулирования, закрывающая остекление без дополнительных затрат электроэнергии в ночное время в холодный период года или в дневное при высоких температурах наружного воздуха в теплый период года, позволит не только сокращать потери теплоты в окружающую среду, но и снижать нагрузку на кондиционеры в летний сезон.

Перспективные и оптимальные конструктивные решения пассивных и активных гелиосистем с учетом конкретных климатических условий эксплуатации могут обеспечить высокие показатели в энергозамещении и тем самым способствовать широкому внедрению устройств, использующих энергию солнца, не только в южных регионах России, но и в более северных широтах, что в конечном итоге существенно сократит в общем балансе потребление традиционных ресурсов, особенно в теплый и переходный периоды года.

Пятая глава посвящена теоретическому исследованию на базе математического моделирования процессов теплообмена при пассивном и активном использовании солнечной энергии для теплообеспечения сооружений.

Для снижения затрат на ранних сроках возведения сооружений следует применять пассивную утилизацию солнечной радиации в технологических процессах производства строительных изделий. Возможность проводить за счет солнечной энергии термообработку конструкций рассматривалась и подтверждалась в основном для южных регионов РФ и СНГ. Чтобы убедиться в целесообразности гелиотермообработки строительных изделий в условиях средней полосы России, исследуем возникающий температурный режим в структуре нагреваемого материала, помещенного в коллектор, имеющего тепловую изоляцию корпуса (рис. 3).

Для процесса гелиотермообработки стандартного железобетонного изделия сплошного сечения, размеры которого могут достигать: длина до 6,6  м,  ширина до 3 м, толщина 0,13-0,16 м; можно использовать нестационарное уравнение теплопроводности

, (4)

или с учетом разницы температур

, (5)

где  Т - температура элемента, помещенного в коллектор, оС; τ  - время, с; а - коэффициент температуропроводности, м2/с;  θ - разность температур между переменной T и некоторой средней величиной на поверхности, воспринимающей тепловой поток To, относительно которой происходит колебание этого параметра в железобетонной плите, подвергаемой термообработке.

Уравнения теплопроводности (4, 5) не учитывают теплоту гидратации цемента и имеют постоянную температуропроводность, поэтому более точно описывают процесс после начальной стадии твердения. Граничные условия при укрытии изделия в устройстве с эффективной теплой изоляцией корпуса имеют вид

при  х=0,  ; (6)

при  х=, ; (7)

где - солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность материала, подвергаемого гелиотермообработке, Вт/м2.

Рис. 3. Схема плоского солнечного коллектора: 1 - корпус

коллектора; 2  Ц  двойное  спаренное  остекление;

3 - тепловая  изоляция;  4 - изделие, подвергаемое

термообработке

Решение уравнения (5) представим в следующем виде

(8)

Первый член правой части выражения (8) предполагает излучение энергии в окружающую среду строительным изделием при его нагревании солнечной радиацией, второй записан с учетом поглощения теплового потока внешней поверхностью конструкции и передачи его в массив за счет теплопроводности.

Дифференцирование уравнения (8) по переменным    и  x в соответствии с (5) позволяет определить постоянную k

, (9)

где    - частота колебаний в угловом измерении; z - продолжительность полного периода колебаний  z=243600, с.

Для нахождения постоянных входящих в выражение (8) воспользуемся граничными условиями (6), (7) и следующей зависимостью для аппроксимации теплового потока, поступающего на поверхность строительного изделия

  (10)

Тогда из граничного условия (3) имеем

  (11)

Так как функции cosv  и  sinv  линейно независимы, то уравнение (11) имеет решение, если

, (12)

  (13)

При использовании граничного условия (7) получим

  (14)

Уравнение (14) имеет решение, соответственно, при

, (15)

(16)

Система линейных уравнений (12, 13, 15, 16), дает возможность определить коэффициенты  А1, А2, А3, А4, входящие в функцию (8).

Для прогнозирования температурных режимов процессов гелиотермообработки строительных изделий в климатических условиях Воронежской области (52о с.ш.) воспользуемся зависимостью для теплового потока, поступающего в июле через остекление на горизонтальную поверхность

, (17)

Выражение (17) учитывает средний оптический кпд плоского коллектора с двухслойным остеклением, находящейся в пределах от 0,65 до 0,8.

Решение системы линейных уравнений (12, 13, 15, 16) помощи формул Крамера для заданных климатических условий и при толщине плиты =0,16 м имеет вид

(18)

Построенное по зависимости (18) распределение температуры по сечению железобетонной плиты и на ее поверхности (рис. 4), позволяет заключить, что применение коллектора с тепловой изоляцией корпуса обеспечивает более равномерное прогревание материала, в случае отсутствия ее. Это подтверждается значениями  максимальных температур в слое, которые достигают 71-78 оС. Для сохранения теплового режима в ночное время целесообразно использовать стеклопакеты с низкоэмиссионным стеклом или дополнительное изоляционное укрытие, ограждающее коллектор при необходимости от внешней среды и работающее в автоматическом режиме с минимальными энергозатратами. В этом случае будет обеспечена равномерность прогрева изделия не только по его высоте, но и в течение суток, что в конечном итоге вызовет уменьшение амплитуды колебаний при повышении температуры в целом, а так же сократит продолжительность периода набора прочности. Гелиотермообработку в коллекторах с изоляцией корпуса следует проводить и в более северных районах в теплый период года. Меньшая энергооблученность территорий северных широт вызовет увеличение продолжительности тепловых процессов, но положительно скажется на качестве выпускаемой продукции.

Рис. 4. Изменение температуры строительного изделия, подвергаемого гелиотермообработке: 1 - на тепловоспринимающей поверхности железобетонной плиты; 2 - на поверхности, лежащей на корпусе коллектора при толщине изделия  0,16 м; 3 - в центральном сечении железобетонной плиты, то есть при  х = 0,08 м

Пассивное использование солнечной энергии для возмещения теплопотерь зданиями в холодный период года, имеющее подобную гелиотермообработке структуру протекания, предполагает минимальные затраты на его обеспечение по сравнению с активными системами теплоснабжения. При эффективной организации структуры утилизации солнечного излучения наибольшее количество теплоты в помещения поступает через остекления, размещенные в оконных проемах или со стороны внешней среды на наружных ограждающих конструкциях, которые выполняют дополнительную функцию теплоаккумуляторов. В этом случае стены или пол внутри помещения в дневное время нагреваются солнечной радиацией с одновременным охлаждением за счет конвекции воздушных потоков. Температурный режим, возникающий в строительных конструкциях при использовании такой схемы нетрадиционного теплоснабжения (рис. 5), можно изучить на основе уравнения нестационарной теплопроводности (5). При этом граничные условия запишутся в виде

Рис. 5. Схема передачи теплоты в пассивном солнечном

отоплении

при  х=0, ; (19)

при  х=, ; (20)

где λ - коэффициент теплопроводности материала стены, Вт/(м⋅оС); - толщина стены, м; qS - солнечная радиация, поступающая на поверхность конструкции через светопрозрачное ограждение, Вт/м2; α1, α2 - коэффициенты теплоотдачи, Вт/(м2⋅оС).

Решение уравнения (5) представим в виде зависимости (8). Для определения постоянных, входящих в выражение (8) воспользуемся граничными условиями (19) и (20) и функцией вида (10) для теплового потока, поступающего на поверхность ограждения.

В результате преобразований получаем систему линейных уравнений для определения коэффициентов  А1, А2, А3, А4

,  (21)

  (22)

,  (23)

(24)

Рассмотрим пассивное отопление, осуществляемое с помощью южной наружной стены, выполненной из силикатного кирпича и имеющей с внешней стороны светопрозрачное покрытие (рис. 5).

Тепловой поток, поступающий в марте через остекление на поверхность вертикального ограждения, можно аппроксимировать для районов 50о с.ш. с достаточной точностью зависимостью

(25)

Тогда решая систему линейных уравнений (21-24) для заданных условий с помощью формул Крамера, получим

при  =510 мм

;  (26)

Как видно из уравнения (26), при увеличении толщины слоя материала значительно сокращается его излучение в окружающую среду, поэтому этой составляющей можно пренебречь. Графики изменения температур в 15 часов дня в соответствии с полученной зависимостью (26) и по данным С.Н. Шорина для стены здания из силикатного кирпича (рис. 6), расположенного в районе 50о с.ш., показывает, что интенсивное затухание колебаний температур происходит в ограждениях толщиной до 250 мм, а при 380 мм и более влияние амплитуды этих изменений  в течение  суток  на микроклимат

Рис. 6. Изменения относительной  температуры материала в толщине ограждения: 1 - по зависимости (26); 2 - по данным С.Н. Шорина

помещений значительно уменьшается. Поэтому, если воздушную среду необходимо прогреть в короткий срок, то для данной цели целесообразно использовать менее массивные строительные конструкции пассивного солнечного отопления, применяя их в основном для зданий общественного и производственного назначения с односменным рабочим режимом. В других случаях толщину ограждения также не следует значительно увеличивать, но при этом необходимо устанавливать между остеклением и несущей конструкцией теплозащитные экранирующие средства, регулирующие поступление солнечной радиации.

Размещение окон и остекления для наружных стен на фасадах зданий с южной ориентацией обеспечит энергосберегающую эксплуатацию возводимых сооружений не только в южных регионах, но и в средней полосе России. Для создания экономичных режимов работы систем теплоснабжения в более северных районах необходимо дополнительное оборудование для реализации пассивного солнечного отопления. Разработка и применение эффективных, простых в обслуживании, подвижных экранирующих теплозащитных устройств для остекления позволит не только контролировать теплопоступления от солнечного излучения в теплый период года, но и максимально его использовать в зимнее время для компенсации теплопотерь в зданиях, что в конечном итоге обеспечит более широкое территориальное распространение пассивных систем отопления.

Рис. 7.  Схема кристаллизации

аккумулирующего вещества

Непостоянство метеоусловий при альтернативном теплоснабжении объектов вызывает необходимость применения аккумуляторов теплоты. Аккумулирующую способность вещества, претерпевающего фазовые превращения при теплообмене с первичным и вторичным теплоносителями гелиосистемы, можно оценить, если воспользоваться уравнением теплопроводности (4) для процесса кристаллизации, записав его как для твердого (с индексом 1), так и для жидкого (с индексом 2) состояний. Так как предлагалось использовать вертикальные пластины теплообменников, заполненные теплоаккумулирующим веществом, то условия фазового перехода последнего будут соответствовать схеме рис. 7.

Предположим, что между теплоаккумулирующим веществом и средой, его омывающей, размещена тонкая разделяющая оболочка с высоким коэффициентом теплопроводности, теплотехнические характеристики которой позволяют пренебречь ее термическим сопротивлением в процессе теплообмена. Поверхность фазового перехода между твердым и еще жидким состояниями аккумулирующего вещества, обозначенная на рис. 5 через ξ, при кристаллизации перемещается от 0 до толщины пластины δ, которая с внешней стороны при  х≥δ при принятом допущении имеет высокоэффективную изоляцию. Следователь-но, изменение координаты  х будет происходить в пределах  0≤х≤ξ() и ξ()≤х≤δ. Тогда, уравнение (4), записанное как для  0≤х≤ξ(), так и для ξ()≤х≤δ, имеет следующие граничные условия:

при ,  ,  ;  (27)

при ,  ;  (28)

при ,  ,  ,  (29)

где λ1 - коэффициент теплопроводности твердого материала, Вт/(м⋅оС); α - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2⋅оС); ТФ, ТС, ТЖ - температуры, соответственно, фазового перехода, поверхности аккумулирующей пластины при х=0 и нагреваемого теплоносителя, оС.

Начало процесса кристаллизации аккумулирующего вещества, соответствует времени =0, при котором  . При последующем перемещении поверхности раздела ξ на расстоянии dξ в элементе аккумулирующего вещества выделяется и должно быть отведено в результате теплопроводности количество теплоты, выраженное уравнением

, (30)

где r - теплота фазового перехода, Дж/кг; ρ1 - плотность аккумулирующего вещества, кг/м3.

Интегральный метод теплового баланса, примененный при поиске решений уравнения (4) в виде многочленов второй степени, позволил получить следующие зависимости

. (32)

. (33)

.  (40)

Распределение температуры (рис. 8) в пластине теплоаккумулирующего материала толщиной 0,02 м и длиной 1 м при переходе его в твердое состояние с отводом теплоты в нагреваемую жидкость построено с использованием зависимостей (31-33). Расчеты выполнены для натриевой соли  Na2SO410H2O,  обладающей  низкой температурой кристаллизации 32,4 оС, и с учетом ламинарного режима обтекания пластины, характерного для систем солнечного теплоснабжения, а так же достижения границей фазового перехода середины пластины, в соответствии с (32), через 180 с после начала кристаллизации.

Тепловой режим солевого раствора, претерпевающие фазовые переходы в процессе эксплуатации, позволяет заключить, что использование в гелиосистемах аккумуляторов тепловой энергии в конструктивном исполнении пластинчатых теплообменников является перспективным, а также достаточно  простым  для  их  изготовления. Переход  из  жидкого  в  твердое

Рис. 8. Изменение  температуры  в

процессе кристаллизации

аккумулирующего вещества

состояние аккумулирующего материала, сопровождающийся выделением теплоты, обеспечит подогрев теплоносителя, направляемого потребителю при снижении потока солнечной радиации на улавливающие устройства.  Восстановление функционального назначения пластин будет происходить при повышении температуры воды, то есть соответственно при интенсивной облученности плоских солнечных коллекторов. Тенденции технического развития плоских солнечных коллекторов дают возможность предположить, что одним из эффективных способов  повышения

кпд устройств этого класса является использование в качестве остекления волнистого светопрозрачного покрытия, которое при подборе шага, размера и формы гофр позволяет, проникающее в устройство, солнечное излучение направить в ближайшие к трубкам абсорбера зоны. Оценить влияние концентрирующей способности гофрированного остекления, схематично изображенного на рис. 9, на эффективность поглощения солнечной радиации коллектором можно при изучении возникающего в нем теплового процесса. Для этого необходимо воспользоваться допущениями, основными из которых являются стационарный режим работы на фиксированных промежутках времени и пренебрежимо малый градиент температуры в направлении теплового потока, возникающего при воздействии солнечной радиации.

Если рассматривать конструктивную систему лист-труба, изображенную на рис. 9, то в ней можно выделить металлическое ребро единичной длины в направлении потока жидкости. Тогда уравнение баланса энергии этого элемента имеет вид

,  (34)

где Т, Т0 - температуры нагреваемого элемента и воздуха окружающей среды, оС; КТ - коэффициент теплопотерь плоского коллектора, Вт/(м2⋅оС); λ - коэффициент теплопроводности материала абсорбера, Вт/(м⋅оС); -толщина ребра, м; qS - солнечная радиация, поступающая на поверхность теплопоглощающей панели через светопрозрачное ограждение, Вт/м2; при концентрации на область расположения поглощающий трубы тепловой поток с достаточной точностью можно аппроксимировать зависимостью .

При обозначениях    и    уравнение (34) приобретает следующую форму:

.  (35)

Граничными условиями для этого дифференциального уравнения являются симметрия задачи и заданная базовая температура

при  х=0, ; (36)

при  х=l, .  (37)

Рис. 9. Схема  плоского  солнечного

коллектора с гофрированным

светопрозрачным покрытием

Решение уравнения (35) при граничных условиях (36, 37) имеет вид:

.  (38)

Поток тепла на единицу длины трубы, переносимый теплопроводностью к трубе через основание ребра, в соответствии с законом Фурье равен

,  (39)

или с учетом обозначения  ,    и  разности температур

. (40)

Для плоского коллектора стандартной конструкции поток теплоты, переносимый к трубе через основание ребра, будет равен

.  (41)

Для определения потока теплоты при использовании гофрированного светопрозрачного покрытия для абсорбера, выполненного из листовой меди толщиной 1 мм и общей длиной 1 м примем четыре варианта концентрации солнечного излучения в плоском коллекторе в июле для климатических условий 50о с.ш. при его размещении под углом к горизонту в соответствии с указанной широтой. Предположим, что тепловой поток, поступающий на ребро длиной l=0,1 м с учетом среднего оптического кпд улавливающего неселективного устройства, величина которого для двухслойного остекления находится в пределах от 0,65 до 0,85, может быть с достаточной точностью аппроксимирован следующим образом: при незначительном перераспределении теплового потока с помощью зависимостей , ;  при существенной концентрации солнечного излучения возле поглощающих труб , , где х изменяется от 0 до 0,1 м.

Гофрированное остекление позволяет не только концентрировать излучение на поглощающие трубы, но и уменьшать его отражение в окружающую среду, что способствует повышению оптического кпд коллектора по сравнению с базовым устройством, имеющим плоское двойное светопрозрачное ограждение. Для анализа эффективности предлагаемого конструктивного исполнения примем увеличение оптического кпд от  0,7 для базового варианта до  0,73 для  рассматриваемого решения. Тогда соотношение тепловых потоков у основания ребра, рассчитанное при применении гофрированных светопрозрачных концентраторов по формуле (40) и при традиционном плоском остеклении по выражению (41), показывает (рис. 10), что даже незначительное снижение отражения солнечного излучения и его перераспределение повлияет на эффективность абсорбера.

Уловленная коллектором энергия также включает и теплоту, поглощаемую участком панели непосредственно над трубой и равную

,  (42)

где d - диаметр поглощающей трубы коллектора, м.

С учетом выражений (40) и (41), а также сопротивлений соединения листа с трубой и теплоотдачи от стенки трубы к жидкости можно определить полезную энергию коллектора на единицу длины в направлении потока теплоносителя

Рис. 10. Отношение тепловых потоков  в основании ребра при гофрированном светопрозрачном покрытии    в зависимости от  изменения  показателя степени  а и при плоском  по данным Даффи Д. А.

, (43)

где ТЖ - температура теплоносителя в коллекторе, оС; α - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к жидкости, Вт/(м2оС); dВ - внутренний диаметр трубы, м; λ - коэффициент теплопроводности, Вт/(моС); С - средняя толщина слоя, м; lС - длина соединения, м.

Баланс энергии для элемента жидкости на участке одной трубы позволяет получить следующее распределение температуры

(44)

где m - массовый  расход  теплоносителя, кг/с; СР - удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кгоС); ТЖ,Н  - температура теплоносителя при поступлении в коллектор, то есть при  y=0,  оС.

Анализ зависимости (44) показывает, что передача теплоты от ребра к теплоносителю наиболее интенсивна на начальном участке поглощающей трубы, то есть при длине 0,5 м. При дальнейшем движении жидкости темпы роста температуры снижаются так, что использование трубы длиной свыше 2 м становится нецелесообразным.

Результаты расчетов для внесенных изменений в устройства улавливания, аккумулирования и передачи утилизированной солнечной энергии потребителю, подтверждают прогнозируемые положительные тенденции в протекании тепловых процессов в рассматриваемом оборудовании. Это дает основание утверждать, что программа системного повышения показателей, осуществляемая комплексом активных и пассивных инженерно-технических решений, позволит добиться роста альтернативного замещения в энергообеспечении объектов.

В шестой главе представлены экспериментальные исследования работы солнечной системы теплоснабжения автономного здания общей площадью 140 м2, расположенного в климатических условиях Московской области.

Целью эксперимента являлось определение кпд солнечного коллектора с гофрированным светопрозрачным покрытием, а также доли тепловой мощности системы теплоснабжения здания, обеспечиваемой внедрением альтернативного решения, для уточнения методики расчета части возмещаемой энергии. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 11.

Рис. 11. Схема исследуемой солнечной системы теплоснабжения: 1 - здание; 2 - котёл; 3 - теплосчетчик; 4 - циркуляционный насос; 5 - система автоматики; 6 - теплообменник солнечного контура; 7 - теплообменник контура ГВ; 8 - теплообменник контура СО; 9- бак-аккумулятор; 10 - отопительный прибор; 11, 12 - солнечные коллекторы с плоским и гофрированным светопрозрачными покрытиями; 13- термометр сопротивления; 14- водомер

В результате прямых измерений с использованием теплового счетчика Метран-421 получены значения , , а затем определена величина коэффициента замещения с помощью зависимости

, (45)

где , - годовая нагрузка отопления и горячего водоснабжения, соответственно альтернативной и традиционной системы теплоснабжения, кВтч;  - годовая теплопроизводительность солнечной установки, кВтч.

При проведении испытаний варьировалось несколько параметров: площади солнечных коллекторов А от 5 до 25 м2; соотношения площадей солнечных коллекторов к объему бака аккумулятора А/V от 5/0,25 до 25/1,25 м2/м3; объема бака аккумулятора V от 0,25 до 1,25 м3; угла наклона солнечного коллектора к горизонту от 0 до 75о и расход теплоносителя в коллекторах с гофрированным и плоским светопрозрачным покрытием. В результате обработки экспериментальных данных получены зависимости коэффициента замещения от параметров солнечной установки, которые приведены в табл. 2. Используемый поправочный коэффициент с позволяет применить аналитические зависимости, полученные для Москвы, не только для столицы, но и для других городов, перечисленных в табл. 2.

Таблица 2

Аналитические зависимости коэффициента замещения fобщ от вариации

конструктивных параметров солнечной системы теплоснабжения

Конструктивные параметры гелиосистемы

Географическое местоположение

г. Краснодар

г. Воронеж

г. Москва

г. Санкт-Петербург

г. Архан-

гельск

г. Владиво-

сток

А

А/V

V

Поправ. коэф.

с = 1,22

с = 1,06

с = 1

с = 0,85

с = 0,82

с = 1,31

Анализ зависимостей показал, что значения коэффициента замещения возрастает с увеличением площади солнечных коллекторов, но использование поглощающих панелей общее число которых в совокупности превышает 15 м2 для данного конкретного потребителя не приводит к существенному его росту. Объем бака-аккумулятора целесообразно проектировать в пределах от 0,75 до 1,0 м3. Максимальная доля тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии, достигается при угле наклона солнечного коллектора =55о.

Полученные значения кпд коллектора с двухслойным светопрозрачным ограждением, нижнее покрытие которого выполнено гофрированным, показали увеличение эффективности улавливания солнечной радиации по сравнению с устройством с плоским остеклением. Как показали экспериментальные исследования, мгновенный кпд установки в среднем возрастает на 10-15 % в основном за счет сокращения отражения солнечной радиации в окружающую среду.

В седьмой главе рассмотрены структурная схема и методика технико-экономического расчета эффективности солнечных систем теплоснабжения, а также приводится результаты численного эксперимента.

В качестве основных критериев выбора варианта наиболее экономически целесообразного теплоснабжения автономного потребителя предложено рассматривать: 1) дисконтированные затраты, которые позволяют определить минимальные расходы одного варианта из всех рассматриваемых за расчетный период; 2) срок окупаемости.

На основании проведенных численных исследований целесообразности альтернативного теплоснабжения объектов, результаты которых представлены на рис. 10 и 11, определена возможность использования солнечной энергии для различных регионов России. В качестве базовой модели объекта теплоснабжения выбран жилой двухэтажный дом полезной площадью 250 м2 при условии его расположения в различных климатических зонах.

Как показал технико-экономический анализ, для рассматриваемых регионов наиболее эффективными являются установки солнечного горячего водоснабжения. Срок окупаемости таких систем с учетом дисконтированных затрат составляет от 3 до 7 лет (при современной стоимости энергоносителей). Но при существующей тенденции роста цен на топливные ресурсы становится очевидным необходимость внедрения в дальнейшем гелиоустановок для теплоснабжения сооружений на большей части территории РФ.

   0  300  600  900 1200  1500 1800 2100  2400 2700  3000  3300  3600

  Стоимость 1 ГДж теплоты, руб./ГДж

Рис. 10. Зависимость срока окупаемости солнечной системы теплоснабжения от стоимости теплоты для различных регионов России

  0  300  600  900 1200  1500  1800 2100  2400  2700  3000  3300 3600

Стоимость 1 ГДж теплоты, руб./ГДж

Рис. 11. Зависимость срока окупаемости солнечной системы горячего водоснабжения от стоимости теплоты для различных регионов России

Общие выводы

  1. По среднегодовой интенсивности солнечной радиации территорию РФ можно разделить на следующие зоны: южная (ниже 50о с.ш.) - с уровнем радиации 4-4,5 кВтч/м2день; центральная и северная (от 50о до 65о с.ш., более 70о в.д.) - 3,5-4 кВтч/м2день и северо-западная (от 65о до 70о с.ш., менее 70о в.д.) - 3-3,5 кВтч/м2день. Уровень облученности большинства регионов подтверждает возможность альтернативного энергозамещения в потреблении объектов, что согласуется с программными положениями ресурсосберегающей концепции развития России и законодательной базой от 2009 г.
  2. Получены аппроксимационные зависимости для расчета среднемесячной величины солнечного излучения с учетом широты местности, облачности и ориентации плоскости, воспринимающей излучение, позволяющие оценить ресурсы радиации для прогнозирования энергозамещения в зданиях при конкретных метеорологических параметрах района строительства.
  3. Впервые на базе существующих способов преобразования и хранения солнечной энергии для теплообеспечения зданий, расположенных в областях с нестабильными климатическими условиями, научно обоснованы приоритетные направления и тенденции повышения эффективности основного оборудования гелиосистем, способствующие в дальнейшем увеличению соотношения альтернативной энергии в балансе потребления.
  4. Предложен научно-методологический системный подход в конструировании гелиоактивных сооружений с учетом климатических особенностей регионов и возможных способов увеличения энергооблученности воспринимающих поверхностей.
  5. Разработаны новые технические решения, повышающие степень улавливания солнечной энергии, эффективность ее использования и увеличивающие продолжительность хранения при ее избытке для районов с нестабильными климатическими условиями. Обеспечиваемый системный рост показателей рабочих режимов оборудования повышает производительность проектируемых гелиоустановок на 30-60 %, тем самым расширяя территориальные границы их применения.
  6. Для снижения затрат на возведение энергоактивных сооружений рекомендовано осуществлять процессы гелиотермообработки при производстве бетонных и железобетонных конструкций. Плоские коллекторы, имеющие подвижные светопрозрачные ограждения и выполненные без изоляции корпуса, способствуют нагреванию помещенных в них изделий в теплый период года в условиях средней полосы России до требуемых температур 60-80 оС.
  7. Применение в плоском коллекторе эффективной тепловой изоляции (с коэффициентом теплопроводности менее 0,05 Вт/(моС)) обеспечивает на 20-40 % более равномерный прогрев элементов по сравнению с устройством без теплоизоляции.
  8. Обосновано в результате математического моделирования аккумулирование теплоты с применением химически активных составов, претерпевающих фазовые превращения от воздействия активатора и позволяющих увеличить временной интервал между режимами интенсивного улавливания и пикового потребления энергии от 2 до 10 суток. Установлено, что использование в качестве гелиоаккумулирующего вещества солевых растворов с низкой температурой плавления, способных переходить в твердое состояние с выделением теплоты лишь только при начальном воздействии активатора, позволяет проводить стабильное энергообеспечение при ухудшении погодных условий, существенно сокращая расход топливных ресурсов при снижении энергооблученности.
  9. Экспериментальные исследования возможности замещения солнечной энергией тепловой мощности системы теплоснабжения здания при изменении конструктивных параметров гелиосистемы позволили получить аналитические зависимости доли альтернативного восполнения в балансе потребления. Исследования коллектора с гофрированным светопрозрачным ограждением показали повышение кпд по сравнению с базовыми устройствами, имеющими плоское остекление, на 10-15 %. Предложен методологический подход проектирования гелиоустановок.
  10. Обоснована целесообразность использования солнечной энергии для автономного теплоснабжения зданий коттеджного типа, при этом наиболее эффективными являются системы солнечного горячего водоснабжения. Значения доли замещения тепловой нагрузки горячего водоснабжения, обеспечиваемой нетрадиционным решением, и сроки ее окупаемости составляют соответственно: для Приморского края 66 %, 3 года; для Краснодарского края 53 %, 4 года; для Воронежской области 44 %, 5 лет; для Московской области 40 %, 5,2 года; для Архангельской области 34 %, 6,5 лет; для Ленинградской области 33%, 7,5 лет.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

  1. Щукина Т.В. К вопросу использования энергии солнца для индивидуальных жилых зданий Воронежской области [Текст]/ С.В. Кутькин, Т.В. Щукина// Научно-технические проблемы систем теплогазоснабжения, вентиляции, водоснабжения и водоотведения. Межвузовский сборник научных трудов.- Воронеж: ВГАСА, 2000 - С. 101-105 (0,25 п. л. из них 0,23 п. л. лично автором).
  2. Щукина Т.В. Теплоснабжение зданий солнечной энергией - одно из направлений решения экономических и экологических проблем Воронежской области [Текст]/ С.В. Кутькин, Т.В. Щукина// Дорожная экология XXI века: Труды международного научно-практического симпозиума/ Воронежская гос. архит.-строит. академия; Воронежский гос. Университет. - Воронеж: ВГУ, 2000 - С. 347-350 (0,2 п. л. из них 0,1 п. л. лично автором).
  3. * Щукина Т.В. О теплопроводности отложений на теплообменных поверхностях в системах теплоснабжения [Текст]/ Т.В. Щукина, Е.Н. Комисарова// Изв. Вузов Строительство, 2001.- № 8. - С. 99-102 (0,2 п. л. из них 0,1 п. л. лично автором).
  4. Патент 2202749 МКИ F28G 1/06. Теплообменник/ Комисарова Е.Н., Щукина Т.В., Полосин И.И.; Воронежская государственная архитектурно-строительная академия.- № 2001123254/06, заявлено 20.08.2001; Опубл. 20.04.03; Бюл. № 11 - 10 с (0,46 п. л. из них 0,15 п. л. лично автором).
  5. Патент 2212595 МКИ F24J 2/06, 2/24. Солнечный тепловой коллектор/ Щукина Т.В., Кузнецова Л.В.; Воронежская государственная архитектурно-строительная академия.- № 2001133583/06, заявлено 10.12.2001; Опубл. 20.09.03; Бюл. № 26 - 10 с (0,46 п. л. из них 0,23 п. л. лично автором).
  6. * Щукина Т.В. Перспективы применения гелиотермообработки при производстве железобетонных конструкций [Текст]/ Т.В. Щукина// Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века, 2003.- № 12. - С. 51 (0,05 п. л.).
  7. Щукина Т.В. Солнечная энергия для производства железобетонных конструкций [Текст]/ Т.В. Щукина, Л.В. Кузнецова// Труды 7-ой международной научно-практической конференции Высокие технологии в экологии/ Воронежское отделение Российской экологической академии, 19-21 мая; 2004. - С. 80-83 (0,2 п. л. из них 0,1 п. л. лично автором).
  8. * Щукина Т.В. Распределение температур при гелиотермообработке железобетонных изделий [Текст]/ Т.В. Щукина// Бетон и железобетон, 2005.- № 1. - С. 7-10 (0,2 п. л.).
  9. Щукина Т.В. Использование солнечной энергии и современных технологий для кондиционирования микроклимата спортивно-оздоровительного комплекса [Текст]/ Т.В. Щукина// Материалы международной научно-технической конференции Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции: Сборник.- М.: МГСУ, 2005.ЦС. 36-37 (0,1 п. л.).
  10. Щукина Т.В. Термообработка в плоских солнечных коллекторах железобетонных изделий в условиях средней полосы России [Текст]/ Т.В. Щукина// Вестник. Научно-технический журнал Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия Инженерные системы зданий и сооружений, 2005, выпуск 2. - С. 52-56 (0,25 п. л.).
  11. Щукина Т.В. Нетрадиционное энергоснабжение Всероссийского детского центра Орленок - эффективная защита от загрязнения природно-оздоровительного комплекса [Текст]/ Т.В. Щукина// Труды 8-ой международной научно-практической конференции Высокие технологии в экологии/ Воронежское отделение Российской экологической академии, 18-20 мая; 2005. - С. 347-350 (0,2 п. л.).
  12. Щукина Т.В. Гелиосистемы для теплоснабжения Всероссийского детского центра Орленок [Текст]/ Т.В. Щукина, Л.В. Кузнецова// Труды 9-ой международной научно-практической конференции Высокие технологии в экологии/ Воронежское отделение Российской экологической академии, 17-19 мая; 2006. - С. 155-158 (0,2 п. л. из них 0,1 п. л. лично автором).
  13. Щукина Т.В. Плоские солнечные коллекторы от Российских производителей и перспективы дальнейшего конструктивного совершенствования [Электронный ресурс]/ Т.В. Щукина// III Международная научно-практическая конференция Проблемы экологии: наука, промышленность, образование. Белгород, 2006. - 3 с (0,15 п. л.).
  14. Щукина Т.В. Гелиотермообработка железобетонных изделий в нестабильных климатических условиях [Текст]/ Т.В. Щукина// Труды 10-й международной научно-практической конференции Высокие технологии в экологии/ Воронежское отделение Российской экологической академии, 16-18 мая; 2007. - С. 167-171 (0,25 п. л.).
  15. * Щукина Т.В. Исследование эффективности пассивного солнечного отопления для энергосберегающей эксплуатации зданий [Текст]/ Т.В. Щукина, Д.М. Чудинов// Изв. Вузов Строительство, 2007.- № 2. - С. 51-55 (0,25 п. л. из них 0,15 п. л. лично автором).
  16. Щукина Т.В. Исследование эффективности энергоактивных ограждений для пассивного солнечного отопления [Текст]/ Т.В. Щукина, Д.М. Чудинов// Промышленная энергетика, 2007.- № 8 - С. 52-54 (0,15 п. л. из них 0,08 п. л. лично автором).
  17. Щукина Т.В. Повышение эффективности систем солнечного теплоснабжения при расширении функциональных возможностей применяемого оборудования [Текст]/ Т.В. Щукина// Материалы Второй Международной научно-технической конференции Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции, Московский государственный строительный университет. - М., 2007. - С. 37-40 (0,2 п. л.).
  18. Щукина Т.В. Солнечные коллекторы нового конструктивного исполнения для нетрадиционного теплоснабжения зданий [Текст]/ Т.В. Щукина// Сборник статей по материалам международной научно-практической конференции Концептуальные вопросы современного градостроительства, Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. - Воронеж, 2007. - С 17-19 (0,15 п. л.).
  19. Щукина Т.В. Солнечное теплоснабжение зданий и сооружений [Текст]/ Т.В. Щукина. - Воронеж: ВГАСУ - 2007. - 121 с (0,9 п. л.).
  20. Щукина Т.В. Энергоактивные ограждения для пассивного солнечного отопления [Текст]/ Т.В. Щукина, Д.М. Чудинов, Л.В. Кузнецова// Вестник Воронежского государственного технического университета. Том 3, № 6. - Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2007. - С. 116-120 (0,25 п. л. из них 0,1 п. л. лично автором).
  21. Щукина Т.В. Прогнозирование повышения параметров систем солнечного теплоснабжения зданий на базе оборудования российских производителей [Текст]/ Т.В. Щукина// Безопасность жизнедеятельности, 2007.- № 8 - С. 34-36 (0,15 п. л.).
  22. Патент 2320938 МКИ F24J 2/06, 3/08, 2/24. Солнечный тепловой коллектор/ Щукина Т.В., Чудинов Д.М.; Воронежский государственный архитектурно-строительный университет.- № 2006124160/06, заявлено 5.07.2006; Опубл. 27.03.08; Бюл. № 9 - 9 с (0,41 п. л. из них 0,21 п. л. лично автором).
  23. Патент 2327847 МКИ Е06В 9/24. Солнцезащитное окно/ Щукина Т.В., Чудинов Д.М, Кузнецова Л.В. Воронежский государственный архитектурно-строительный университет.- № 2006136742, заявлено 16.10.2006; Опубл. 27.06.08; Бюл. № 18 - 5 с (0,23 п. л. из них 0,08 п. л. лично автором).
  24. Патент 2333433 МКИ F24H 7/00. Аккумуляционный теплообменник/ Щукина Т.В. Воронежский государственный архитектурно-строительный университет. - № 2007106277/06, заявлено 19.02.07; Опубл. 10.09.08; Бюл. № 25 - 7 с (0,46 п. л.).
  25. Щукина Т.В. Применение гофрированного светопрозрачного покрытия с целью повышения эффективности плоских солнечных коллекторов [Текст]/ Т.В. Щукина// Промышленная энергетика, 2008.- № 1 - С. 45-48 (0,2 п. л.).
  26. * Щукина Т.В. Разработка технологий повышения энергоактивности зданий с системами солнечного теплоснабжения [Текст]/ Т.В. Щукина// Промышленное и гражданское строительство, 2008.- № 2. - С. 42-44 (0,15 п. л.).
  27. Щукина Т.В. Повышение эффективности аккумулирования теплоты в оборудовании систем солнечного теплоснабжения зданий [Текст]/ Т.В. Щукина// Энергосбережение и водоподготовка, 2008.- № 3. - С. 41-43 (0,15 п. л.).
  28. Щукина Т.В. Аккумулирование энергии в системах солнечного теплоснабжения сооружений [Текст]/ Т.В. Щукина// Безопасность жизнедеятельности, 2008.- № 4 - С. 29-32 (0,2 п. л.).
  29. *Щукина Т.В. Оценка ресурсов солнечной энергии для проектирования гелиоустановок [Текст]/ О.А. Сотникова, Д.М. Чудинов, Т.В. Щукина// Изв. Вузов Строительство, 2008.- № 4 - С. 56-60 (0,25 п. л. из них 0,09 п. л. лично автором).
  30. Щукина Т.В. Экономическое обоснование и перспективы развития солнечного теплоснабжения [Текст]/ О.А. Сотникова, Д.М. Чудинов, Т.В. Щукина // Промышленная энергетика, 2008.- № 6 - С. 50-52 (0,15 п. л. из них 0,05 п. л. лично автором).
  31. Щукина Т.В. Повышение стабильности функционирования систем солнечного теплоснабжения зданий при продолжительном аккумулировании энергии [Текст]/ Т.В. Щукина// Вестник Воронежского государственного технического университета. Том 4, № 7. - Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2008. - С. 50-54 (0,25 п. л.).
  32. Щукина Т.В. Влияние параметров оборудования гелиоустановок на эффективность альтернативного теплоснабжения зданий [Текст]/ Д.М. Чудинов, Т.В. Щукина, О.А. Сотникова// Промышленная энергетика, 2008.- № 9 - С. 44-46 (0,15 п. л. из них 0,05 п. л. лично автором).
  33. * Щукина Т.В. Прогнозируемые возможности использования ресурсов солнечной радиации для теплоснабжения объектов в климатических условиях Российской Федерации [Текст]/ Т.В. Щукина, Д.М. Чудинов// Промышленное и гражданское строительство, 2008.- № 9. - С. 46-47 (0,1 п. л. из них 0,05 п. л. лично автором).
  34. * Щукина Т.В. Повышение энергоактивности гелиотермообработки строительных изделий [Текст]/ Т.В. Щукина// Строительные материалы, 2008. -№10 - С. 20-23 (0,2 п. л.).
  35. Щукина Т.В. Повышение энергоактивности систем солнечного теплоснабжения зданий [Текст]/ Т.В. Щукина, Д.М. Чудинов// Вестник Воронежского государственного технического университета. Том 4, № 7. - Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2008. - С. 40-43 (0,2 п. л. из них 0,1 п. л. лично автором).
  36. Щукина Т.В. Снижение загрязнения окружающей среды при использовании ресурсов солнечной радиации в энергосберегающей эксплуатации зданий [Текст]/ Т.В. Щукина// Труды 11-ой международной научно-практической конференции Высокие технологии в экологии/ Воронежское отделение Российской экологической академии, 14-16 мая; 2008. - С. 57-60 (0,2 п. л.).
  37. Щукина Т.В. Выбор проектных решений альтернативного теплоснабжения зданий с учетом прогнозируемой солнечной энергооблученности районов строительства [Электронный ресурс]/ Т.В. Щукина, О.А. Сотникова, Д.М. Чудинов// Труды 12-й международной научно-практической конференции Высокие технологии в экологии, 21-22 мая/ Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета, 2009. - С. 214-217 (0,2 п. л. из них 0,07 п. л. лично автором).
  38. Щукина Т.В. Обеспечение продолжительного ресурса сезонной эксплуатации энергоактивного теплоснабжения зданий// Инженерные системы и сооружения, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, 2009. - № 1(1). - С. 131-136 (0,3 п. л.).
  39. Щукина Т.В. Тенденции возрастающий энергообеспеченности гелиоактивных зданий [Текст]/ Т.В. Щукина// Энергосбережение, 2009. - № 2. - С. 66-70 (0,25 п. л.).
  40. Щукина Т.В. Обеспечение необходимого уровня энергоактивности солнечных систем [Текст]/ Д.М. Чудинов, О.А. Сотникова, Т.В. Щукина// Энергосбережение, 2009. - № 3 - С.74-76 (0,15 п. л. из них 0,05 п. л. лично автором).
  41. Щукина Т.В. Расширение эксплуатационных параметров при активации ресурсов развития систем солнечного теплоснабжения зданий [Текст]/ Т.В. Щукина // АВОК - Северо-Запад, 2009. - № 3. - С. 8-12 (0,1 п. л.).
  42. * Щукина Т.В. Энергосберегающие наружные ограждения для зданий с регулируемым микроклиматом [Текст]/ Т.В. Щукина// Промышленное и гражданское строительство, 2009.- № 4.ЦС. 48-49 (0,1 п. л.).
  43. Щукина Т.В. Обеспечение эксплуатационной стабильности систем солнечного теплоснабжения зданий [Текст]/ Т.В. Щукина // Энергосбережение, 2009. - № 4. - С. 73-75 (0,15 п. л.).
  44. * Щукина Т.В. Обеспечение продолжительного ресурса сезонной эксплуатации солнечного теплоснабжения зданий [Текст]/ Т.В. Щукина// Жилищное строительство, 2009. №5 - С. 38-39 (0,1 п. л.).
  45. * Щукина Т.В. Энергопоглощение плоских солнечных коллекторов при модификации светопрозрачных покрытий [Текст]/ Т.В. Щукина, И.И. Полосин// Изв. Вузов Строительство, 2009.- № 7. - С. 53-57. (0,25 п. л. из них 0,15 п. л. лично автором).
  46. Щукина Т.В. Использование гелиосистем в различных регионах России [Текст]/ Д.М. Чудинов, Т.В. Щукина // Энергосбережение, 2009. - № 7. - С. 64-66 (0,15 п. л. из них 0,08 п. л. лично автором).
  47. Щукина Т.В. Расширение информационно-технического обеспечения для качественного проектирования систем солнечного теплоснабжения зданий [Текст]/ Т.В. Щукина // Сборник материалов III Международной выставки - Интернет-конференции Энергообеспечение и строительство 18-20 ноября 2009; Часть 1. - Орел: 2009 - С. 296-301 (0,3 п. л.).

*  статьи в сборниках, рекомендуемых ВАК.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям