CC BY
18УДК 697.7, 504.062.2
ПОТЕНЦИАЛ ЗАМЕЩЕНИЯ ОТОПИТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЗЕМЛИ6
В.Я. Федянин, И.Б. Неймарк, Н.Б. Шарипов
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова
Барнаул, Российская Федерация fedyanin054@mail.ru
Теплонасосные установки, применяемые для решения проблем теплоснабжения зданий, в последнее время продемонстрировали конкурентные преимущества на рынке теплохладогенерирующего оборудования благодаря своим возможностям замещать органическое топливо низкопотенциальным теплом природного и техногенного происхождения. С ростом цен и тарифов на ископаемое топливо эти тенденции усиливаются [1].
Использование низкопотенциальной теплоты поверхностных слоев Земли посредством тепловых насосов возможно практически в любой местности. В настоящее время это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Низкопотенциальная тепловая энергия поверхностных слоев Земли, извлекаемая с помощью тепловых насосов, может использоваться для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования в зданиях и сооружениях любого назначения.
В общем случае теплонасосная система теплохладоснабжения, использующая низкопотенциальную теплоту поверхностных слоев Земли, включает в себя два основных элемента:
— теплонасосное оборудование;
— систему сбора низкопотенциальной теплоты поверхностных слоев Земли.
В настоящее время основу эксплуатируемого сегодня в мире парка теплонасосного оборудования составляют парокомпрессионные тепловые насосы, но применяются также и абсорбционные, электрохимические и термоэлектрические.
Потенциал возобновляемого тепла. Тепловой баланс земной поверхности и атмосферы, учитывая приток и отдачу тепла для системы «Земля-атмосфера», отражает закон сохранения энергии. Чтобы составить уравнение теплового баланса «Земля-атмосфера», следует учесть все тепло — получаемое и расходуемое, — с одной стороны, всей Землей вместе с атмосферой, а с другой, — отдельно подстилающей поверхностью земли (вместе с гидросферой и литосферой) и атмосферой. Поглощая лучистую энергию Солнца, земная поверхность часть этой энергии теряет через
6 Работа поддержана грантом РФФИ, №15-48-04071.
«Grand Altai Research & Education», Issue 2, 2015, page 90 of 153
излучение. Остальная часть расходуется на нагревание этой поверхности и нижних слоев атмосферы, а также на испарение. Нагревание подстилающей поверхности сопровождается теплоотдачей в почву, а если почва влажная, то одновременно происходит затрата тепла и на испарение почвенной влаги.
Основной приток энергии к Земле обеспечивается солнечным излучением и составляет около 341 Вт/м2 в среднем по всей поверхности планеты. Внутренние источники тепла (радиоактивный распад, стратификация по плотности) по сравнению с этой цифрой незначительны (около 0,08 Вт/м2).
Земная поверхность, здания, растительность, поглощая солнечную радиацию, нагреваются и испускают длинноволновое инфракрасное излучение I, которое тем больше, чем выше их температура. Атмосфера и облака также испускают длинноволновое излучение , которое, падая на земную поверхность, поглощается и почти компенсирует расход I .
Разность между приходом и расходом лучистой энергии представляет собой радиационный баланс:
В = Я + В +1 - Я -1, (
- '' 1)
где я — прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность;
в — рассеянная солнечная радиация;
Я — отраженная радиация.
Таким образом, тепловой баланс поверхностных слоев Земли в целом складывается из четырех составляющих:
— радиационный баланс (В). Он определяется разностью между количеством поглощенной коротковолновой радиации Солнца и длинноволновым эффективным излучением;
— теплообмен в почве, характеризующий процесс теплопередачи между поверхностными и более глубокими слоями почвы (А). Этот тепловой поток зависит от теплофизических характеристик почвы;
— турбулентный теплообмен между земной поверхностью и атмосферой (Р). Он определяется количеством тепла, которое подстилающая поверхность получает или отдает атмосфере в зависимости от соотношения между температурами подстилающей поверхности и атмосферы;
— тепло, затрачиваемое на испарение (0р£). Оно определяется произведением скрытой теплоты парообразования р) на поток влаги в процессе испарения (Е).
Эти составляющие теплового баланса в силу закона сохранения энергии связаны между собою следующим соотношением:
А = В-Р-ОБ, ч (
^ ' 2)
Таким образом, температура почвы формируется под воздействием падающей на поверхность солнечной радиации и процессами теплообмена на границе «почва-атмосфера». Сезонные и суточные изменения интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха вызывают колебания температуры верхних слоев грунта.
В течение года в слоях почвы, примыкающих к поверхности выше границы «нейтральной зоны», под воздействием потоков тепла, связанных с солнечной радиацией, интенсивно идет процесс теплопереноса. В холодный период года результирующий поток тепла направлен из глубины к поверхности, весной и в первую половину лета напротив — от верхних слоев в глубь почвы. Летом на процессы теплопереноса влияет растительный покров (чем он выше и чаще, тем ниже температура), зимой — состояние и мощность снежного покрова, который обладает малой теплопроводностью и поэтому способствует сохранению тепла в почве.
Исходя из описанных выше механизмов теплопереноса, тепловой поток в поверхностном слое почвы (выше границы «нейтральной зоны») изменяется от величины, соответствующей геотермическому градиенту, до величины, определяемой условиями теплообмена на границе «почва — атмосфера»
Величина теплового потока на границе «почва — атмосфера» определяется краевым условием:
■ÄdT ldz\ = AIF ,
p PI I гр. ' ' ^
(
где Ар — коэффициент теплопроводности почвы, Вт/м °С, Tp(z,t) — температура почвы, °С,
т- 2
F — площадь реперного участка, м .
Поглощенная поверхностными слоями почвы энергия приводит к нестационарным процессам теплообмена. Пространственно-временное распределение температуры описывается следующей формулой [2]:
Т(z,0 = Т0 - дт0^соа(м + ,
4)
где $ = z — безразмерная глубина;
V 2a
— — круговая частота, соответствующая годовому периоду колебаний
2ж
— =-= 2,0*10 7 рад/c;
365*24*3600
a = — — коэффициент температуропроводности почвы, м2/с; pc
коэффициенты то, at и р выбираются из условия наилучшего совпадения значений температуры поверхности почвы, измеренной напочвенным термометром и рассчитанной с помощью формулы: T(t)=то - at cos—t + р.
Удельное количество теплоты, запасаемое слоем почвы за время, равное половине периода, равно:
_ 2п Ь АТ ^ ,2 (
во =-1, Дж/м, ^
с 5)
где Ь = , Дж/(м2К) — коэффициент теплоусвоения почвы за
половину периода.
Средняя удельная тепловая энергия, запасаемая в одном кубическом метре поверхностных слоев почвы, равна:
в- = т • Дж/м3, 6) (
где ь =—р — характерное расстояние, определяющее
\1 с
пространственное изменение амплитуды и фазы температурной волны, м.
Введем коэффициент преобразования энергии солнечного излучения в тепловую энергию, запасенную почвой:
= а
В ' 7)
л
где в+ , МДж/м — средняя величина суммарной приходной (положительной) части баланса солнечной радиации на горизонтальную поверхность при действительных условиях облачности.
Безразмерный критерий (потенциал) замещения отопительной нагрузки. Солнечная энергия, запасенная в поверхностных слоях почвы, — возобновляемый источник, который может быть использован для отопления зданий промышленного и гражданского назначения.
Нормами [3] установлены показатели тепловой защиты здания:
— удельный расход тепловой энергии на отопление здания qdhe ,
2 3 2
кДж/(м2 °С сут)
или [кДж/(м °С сут)] (на 1 м отапливаемой площади пола квартир или полезной площади помещений [или на 1 м отапливаемого объема]). Этот показатель для любого здания должен быть меньше или равен
9 ^
нормируемому значению q"q , кДж/(м °С сут) или [кДж/(м °С сут)], и определяется путем выбора теплозащитных свойств ограждающих конструкций здания, объемно-планировочных решений, ориентации здания и типа, эффективности и метода регулирования используемой системы отопления до удовлетворения условия: удельный расход тепловой энергии на отопление здания достигает нормируемого значения этого показателя;
— градусо-сутки отопительного периода д , °Ссут, определяют по формуле:
Grand Altai Council of HEI Chancellors network edition
где — расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, °С,
tkt , zAi — средняя температура наружного воздуха, °С, и продолжительность отопительного периода, сут.
При использовании теплонасосных систем теплоснабжения вводят показатель энергетической эффективности системы — коэффициент преобразования теплового насоса [3]:
М = ,
где Q — теплота, отводимая от теплообменника-конденсатора,
N — электроэнергия, подводимая к приводу компрессора.
Энергетический баланс теплового насоса описывается следующим уравнением:
Qog = + Qun , (
где Q - теплота, подводимая к теплообменнику-испарителю от низкопотенциального источника.
С учетом (9) и (10) получим:
Q . (
М 11)
Рассмотрим составляющие энергетического баланса теплонасосной системы отопления здания за отопительный период:
— количество низкопотенциального тепла поверхностных слоев Земли, потребляемое системой отопления, равно
Q.„ = F• Q0 = F• b+ ; (
— тепловые потери здания за отопительный период равны
F3d tfh ^Dd . (
13)
Подставив (12) и (13) в (11), найдем отношение площади реперного участка к отапливаемой площади здания:
F _ q:gDd (
f=
Fg М 1.B+ 14)
Безразмерный критерий / назовем потенциалом замещения отопительной нагрузки при использовании низкопотенциального тепла поверхностных слоев Земли.
Формула (14) справедлива в том случае, когда используется показатель
л
qre с размерностью кДж/(м °С сут).
Если же для здания нормируется удельное теплопотребление в расчете на
"5
1 м отапливаемого объема, формула для критерия f примет следующий вид:
F - Ь /-1 q:gDdL (
f=■
-зд / л А 15)
"3
где Узд — отапливаемый объем здания, м .
Для примера оценим величину этого критерия для малоэтажного жилого здания в условиях Барнаула (2 этажа, отапливаемая площадь 250 м2).
Изменения температуры почвы, измеренное напочвенными термометрами, расположенными на различной глубине, приведены на рисунке 1 б). Средняя годовая температура поверхности почвы в Барнауле составляет 2,0°С. Это на 0,8°С выше средней годовой температуры воздуха. С апреля по октябрь температура поверхности почвы положительна, а с мая по сентябрь превышает 10°С. Периодическое изменение температуры поверхности возбуждает колебание температуры поверхностных слоев почвы.
В годовом ходе радиационный баланс в Барнауле с марта по октябрь — положительный и достигает максимального значения (381 МДж/м ) в июле. При положительном балансе земная поверхность получает больше энергии от Солнца, чем его излучает в инфракрасном диапазоне. Энергия расходуется на нагревание почвы, воздуха и испарение влаги. К осени радиационный баланс существенно уменьшается, и в октябре он равен 38 МДж/м . Зимой радиационный баланс отрицательный, месячные суммы изменятся в пределах -21 ^ -38 МДж/м . Среднегодовое значение радиационного баланса в Барнауле
около 1704 МДж/м . Сумма положительных месячных сумм (приходная часть)
2
радиационного баланса составляет 1784 МДж/м .
Для расчетов использовались месячные суммы радиационного баланса и изменение температуры почвы для города Барнаула [4].
Расчеты проведены на основе изложенной выше методики с использованием данных по пространственно-временному распределению температуры почвы на глубинах 0^3,2 м от поверхности с использованием измерений с помощью вытяжных термометров. На основе опытных данных о среднемесячных температурах на различных глубинах методом наименьших квадратов с использованием формулы (4) получены значения величин АТф0, фгр и
То. Расчеты величин Ь, в, в проведены с помощью формул (5), (6).
2 144 9
Для условий Барнаула в = 144,9 МДж/м , л = —— = 0,08. В соответствии с
1784
региональными нормами тепловой защиты зданий [5]:
= 105кДж/м2 °Ссут, Д = 6343Ссут , принимаем ^ = 3
. /-1 3 -1 0,105-6343
Т =---=---= 3,1.
/ лА, 3 0,08-1784
Таким образом, для отопления рассматриваемого здания (250 м2) с помощью теплонасосной системы достаточно низкопотенциального тепла, поступающего с солнечной радиацией на площадь ~ 800 м .
ЛИТЕРАТУРА
1. Васильев Г.П. Использование низкопотенциальной тепловой энергии Земли в теплонасосных системах // АВОК. — 2002. — №4. — С. 12-16.
2. Федянин, В.Я., Мещеряков В.А. Инновационные технологии для повышения эффективности Алтайской энергетики : Монография . — Барнаул : Изд-во ААЭП, 2010. — 192 с.
3. СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий.- Взамен СНиП II-3-79; Введ. 10.01.2003.- М.: Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004.- 42 с.
4. Климат Барнаула / под ред. С.Д Кошинского и В.Л. Кухарской — Ленинград : Гидрометеоиздат, 1984. — 139 с.
5. ТСН23-3ХХ-2001 АлтК. Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий: Нормы проектирования / администрация Алтайского края. — Барнаул, 2001. — 45 с.
REFERENCES
1. Vasiliev G. P. the Use of low-grade thermal energy of the Earth in heat pump systems // AVOK. — 2002. — No.4.- pp.12-16.
2. Fedyanin, V. I., Meshcheryakov V. A. Innovative technologies to improve the energy efficiency of Altai : Monograph . — Barnaul : Publishing house of AAEP, 2010.-192 p.
3. SNiP 23-02-2003 Thermal protection of buildings.- Instead of SNiP II-3-79; Type. 10.01.2003.- M: Gosstroy of Russia, Federal state unitary enterprise tspp, 2004.- 42 p.
4. The climate of Barnaul / ed. D Kosinskogo and L. V. Kukharsky — Leningrad : Gidrometeoizdat, 1984. — 139 p.
5. TSN-3XX-2001 ALD. The energy efficiency of residential and public buildings: design Norms / administration of the Altai krai. — Barnaul, 2001. — 45 p.
