CC BY
20УДК 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 [email protected]
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.
