CC BY
13УДК 628.83 Зайцев О.Н., д.т.н., проф.*,
Петренко В.О. к.т.н., доц. **, Петренко А.О., к.т.н.**
СНИЖЕНИЯ РАСХОДА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ СИСТЕМАМИ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛА
**Национальная академия природопользования и курортного строительства, Украина
**Приднепровская государственная академия строительства и
архитектуры, Украина
Анотащя
Зайцев О.М., д.т.н., проф. *, Петренко В.О. к.т.н., доц. **, Петренко А.О., к.т.н. **
ЗНИЖЕННЯ ВИТРАТИ ЕНЕРГЕТИЧНИХ РЕСУРС1В СИСТЕМИ ЖИТТеЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЗА РАХУНОК ВИКОРИСТАННЯ ПРИРОДНИХ АКУМУЛЯТОР1В ТЕПЛА
** Нащональна академiя природокористування та курортного будiвництва, Укра1на
** Придншровська державна академiя будiвництва та архггектури, Украша
Запропановано систему панельно - променевого обiгрiву та охолодження житлових i громадських будiвель розширюе функщональш можливостi системи, полiпшуючи саштарно-гтешчний стан примщень в холодний перiод року i надае можливiсть використання системи в теплий i перехiдний перюди року, суттево пiдвишуючи 11 ефектившсть i зменшуючи забруднення навколишнього середовища.
Ключовi слова: система опалення, мжрокшмат примiшень, навколишне середовище.
Введение.
Для систем создания микроклимата используется энергия невозобновляемых видов энергии (газ, жидкое и твердое топливо), сжигание которых приводит к экологической нагрузке на окружающую среду. Важным направлением снижения расхода топливно-энергетических
ресурсов является использование в тепло- и хладоснабжении систем микроклимата, возобновляемых источников энергии [1].
Анализ последних исследований и публикаций.
Солнечная энергия в настоящее время уже используется для отопления и охлаждения зданий, тепловой, обработки железобетонных конструкций, сушки фруктов и овощей, подогрева воды, питания рефрижераторов, производства электрической энергии в космосе и на земле
[2, 3].
Преобразование солнечного излучения в энергию связано со значительными затратами, и чем выше эксергетический потенциал получаемой энергии, тем больше ее стоимость. Основу классификации систем, использующих солнечную энергию для выработки тепла или холода, составляют следующие признаки:
- назначение: системы горячего водоснабжения, отопления, хладоснабжения;
- комбинация - системы теплоснабжения (отопление и горячее водоснабжение), теплохладоснабжения (отопление, горячее водоснабжение и хладоснабжение);
- время работы в течение года - сезонные и круглогодичные;
- степень охвата потребителей - индивидуальные, групповые,
- централизация; время аккумулирования энергии - без аккумулятора, с краткосрочным аккумулированием (1-2 сут.), с долгосрочным (сезонным) аккумулированием;
- характер движения теплоносителя в процессе нагрева - без циркуляции, с естественной (термосифонной) или принудительной циркуляцией;
- число контуров - одно-, двух- и многоконтурные:
- режим отбора тепла - с постоянной или переменной температурой теплоносителя;
- наличие дублирующего источника энергии - с дублером, без дублера (автономные).
Характерной особенностью тепловых систем, использующих солнечную энергию, является несовпадение моментов поступления и потребления тепловой энергии при горячем водоснабжении и теплоснабжении, жилых зданий в производственных помещениях. На рис. 1 показаны примерные графики суточного и годового циклов поступления солнечной энергии Е и потребления теплоты Q для отопления и горячего водоснабжения индивидуального дома в г. Днепропетровске. Сдвиг максимумов в суточном цикле достигает 8 - 10 ч., в годовом его значение достигает 6 - 7 месяцев [4]. По этим причинам такие тепловые системы в своем составе должны иметь тепловые аккумуляторы [5].
Рис. 1. Примерный цикл поступления солнечной радиации на земную поверхность и потребления теплоты для нужд отопления и горячего водоснабжения: Е - поступление тепловой энергии, Вт; Q - потребление тепловой энергии, Вт; а - суточная, б - годовая
Тепловые аккумуляторы предназначены для накопления, хранения и выдачи тепловой энергии в соответствии с требованиями потребителя. В настоящее время существует большое количество накопителей энергии, использующихся в разнообразных условиях работы систем [6, 7, 8] и др.
Теплоаккумуляторы должны отвечать ряду требовании:
- высокая объемная плотность запасаемой энергии;
- возможно меньшие потери тепла при хранении;
- выдача теплоты при неизменной температуре теплоносителя;
- высокий коэффициент полезного действия;
- простота и надежность эксплуатации;
- долговечность и дешевизна изготовления.
Удовлетворить одновременно все эти требования практически не удается, поэтому в системах могут использоваться различные типы аккумуляторов.
Энергия в теплоаккукуляторах запасается в результате изменений энтальпии теплоаккумулирующего вещества (ТАВ). В зависимости от агрегатного состояния ТАВ различают жидкостные теплоаккумуляторы, теплоаккумуляторы с твердым ТАВ и ТА с изменением агрегатного состояния ТАВ, классификация приводится на рис. 2.
Рис. 2. Способы аккумулирования тепловой энергии.
Постановка задачи. Анализ устройств теплоаккумуляторов показал, что в настоящее время наибольшее распространение получили теплоаккумуляторы, основанные на использовании теплоемкости природных материалов, как наиболее дешевых в своем исполнении. Использование этих теплоаккумуляторов обусловлено тем, что теплоемкие материалы такие, как вода, песок, глина и др. являются наиболее дешевыми аккумулирующими материалами. Использование таких теплоаккумуляторов в системах жизнеобеспечения ограничено, поэтому необходимо усовершенствовать ранее разработанные схемы для более эффективного их использования в переходной и холодный период.
Изложение основного материала исследования. Разработаны новые схемы систем низкотемпературного поверхностно-развитого отопления [9]. Использование низкотемпературного теплоносителя в разработанных системах отопления позволяет применять возобновляемые источники энергии (солнце, ветер и др.).
Не менее важным является вопрос обеспечения комфортных микроклиматических параметров в помещениях зданий в теплый период года, то есть снижение температуры внутреннего воздуха. Разработаны системы поверхностно - развитого отопления позволяют использовать поверхности обогрева в теплый период года в качестве охлаждающих поверхностей, за счет чего одна установка обеспечивает круглогодичную регуляцию микроклимата.
Для реализации технологий обеспечения параметров микроклимата разработана принципиальная схема комплексной системы жизнеобеспечения, в которой энергоснабжение осуществляется от оборудования, которое используют и превращают энергию возобновляемых источников - солнечных коллекторов, ветроэлектрических установок, тепловых насосов и др. Энергия в виде тепла подается в абсорбционный преобразователь, который, в зависимости от необходимости, генерирует тепло или холод в необходимом количестве и обеспечивает заданный микроклимат в помещении. Горячее водоснабжение обеспечивается от тех же источников. Управление осуществляется автоматизированной системой.
Задача энергообеспечения в общем виде формулируется так: в произвольный момент времени суммарная мощность энергогенерирующих средств должна быть не меньше необходимого уровня.
Разработано несколько вариантов схем (рис. 3, 4, 5) обеспечения параметров микроклимата в помещении отдельно в холодный и теплый периоды года с использованием природных аккумуляторов тепла а также круглогодичного обеспечения параметров микроклимата.
Рис. 3. Система обеспечения микроклимата с использованием возобновляемой энергии для теплого периода года 1 - накопительный солнечный коллектор, 2 - суточный грунтовой аккумулятор теплоты, 3 - сезонный грунтовой аккумулятор теплоты, 4, 12, 13, 14, 15 - циркуляционные контуры, 6,7,8, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 - трехходовые краны, 9, 10, 20, 21, 22, 23 - циркуляционные насосы, 11 - абсорбционный преобразователь теплоты, 16 -дублирующий элемент, 17 - основной солнечный коллектор, 18 - грунтовой теплогенератор, 19 - поверхностно развитые панели охлаждения, 5, 34 -четырехходовые краны.
Рис. 4. Система обеспечения микроклимата с использованием возобновляемой энергии для холодного периода года 1 - накопительный солнечный коллектор, 2 - суточный грунтовой аккумулятор теплоты 3 - сезонный грунтовой аккумулятор теплоти,4, 12, 13, 14, 15 - циркуляционные контуры, 6,7,8, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 - трехходовые краны, 9, 10, 20, 21, 22, 23 - циркуляционные насосы, 11 - абсорбционный преобразователь теплоты, 16 -дублирующий элемент, 17 - основной солнечный коллектор, 18 - грунтовой теплогенератор, 19 - поверхностно развитые панели обогрева, 5, 34 - четырехходовые краны.
Рис. 5. Система круглогодичного обеспечения микроклимата с использованием возобновляемой энергии 1 - накопительный солнечный коллектор, 2 - суточный грунтовой аккумулятор теплоты 3 - сезонный грунтовой аккумулятор теплоти,4, 12, 13, 14, 15 - циркуляционные контуры, 6,7,8, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33 - трехходовые краны, 9, 10, 20, 21, 22, 23 - циркуляционные насосы, 11 - абсорбционный преобразователь теплоты, 16 -дублирующий элемент, 17 - основной солнечный коллектор, 18 - грунтовой теплогенератор, 19 - поверхностно развитые панели обогрева-охлаждения, 5, 34 -четырехходовые краны.
Базовым агрегатом был принят абсорбционный преобразователь теплоты (АПТ), который в холодный, переходный периоды работает в режиме теплового насоса, а в теплый период - в режиме холодильной машины. Основными преимуществами АПТ является то, что она высоко эффективна, экологически чиста, бесшумна при работе, проста в обслуживании, имеет длительный срок службы, полностью автоматизирована.
Обеспечение необходимых параметров микроклимата в помещениях достигается путем использования двух одновременно работающих систем.
Для этой установки используется возобновляемая энергия, которая ставит ее на первое место сравнительно с другими генераторами тепла, которые работают на невозобновляемой энергии.
Предложенная система круглогодичного обеспечения микроклимата сложна по структуре и при использование АПТ особенно важным становится выбор оптимальных параметров ее работы. Кроме сложности работы системы нами предложено использовать два вида природных аккумуляторов: сезонный и круглогодичный. Сезонный предназначен для подогрева воды в теплый период года, а круглогодичный для отопления в переходной и холодный периоды года.
Работа системы осуществляется таким образом:
В теплый и переходный периоды года солнечные лучи попадают на накопительный солнечный коллектор 1, в котором подогревается теплоноситель, откуда по циркуляционному контуру 4 через четырехходовой кран 5 теплоноситель попадает к трехходовому крану 6, благодаря которому происходит перераспределение тепловой энергии к суточному и сезонному аккумуляторам теплоты, циркуляция в контуре 4 осуществляется благодаря циркуляционному насосу 9. После того, как теплоноситель отдал энергию почве, он возвращается к накопительному солнечному коллектору 1.
Солнечные лучи подогревают теплоноситель в солнечном коллекторе 17, откуда по циркуляционному контуру 13 он попадает к генератору абсорбционного преобразователя теплоты 11 после чего с помощью циркуляционного насоса 21 возвращается к солнечному коллектору 17. Полученное тепло в конденсаторе и абсорбере абсорбционного преобразователя теплоты через трехходовые краны 32 и 6 поступает к суточному и сезонному аккумуляторам теплоты, циркуляция в контуре происходит с помощью циркуляционного насоса 10. В испарителе абсорбционного преобразователя теплоты 11 вода, которая подается циркуляционным насосом 22 из грунтового теплогенератора 18, охлаждается до необходимой температуры и подается к панелям лучистого отопления - охлаждения 19 и возвращается в испаритель абсорбционного преобразователя теплоты 11. В периоды, когда отсутствует солнечная энергия, работа системы изменяется. Теплоноситель переносит накопленную тепловую энергию с помощью циркуляционного насоса 10 из суточного грунтового аккумулятору 2 по циркуляционному контуру через трехходовые краны 7, 8, 33, 27 через циркуляционный контур 12 попадает в дублирующий элемент 16, где при необходимости приходится подогрев до заданной температуры и подается в генератор абсорбционного преобразователя теплоты 11, после чего проходит через трехходовой кран 26 и четырехходовой кран 5 и попадает к суточному грунтовому аккумулятору.
В холодный период года теплоноситель переносит накопленную тепловую энергию с помощью циркуляционного насоса 10 из сезонного грунтового аккумулятора 3 по циркуляционному контуру через трехходовые краны 7, 8, 33, 27, через циркуляционный контур 12 попадает к дублирующему элементу 16 где, при необходимости, доводится до заданной температуры и подается в генератор абсорбционного преобразователя теплоты 11, после чего проходит через трехходовой кран 26 и четырехходовой кран 5 и попадает к суточному грунтовому аккумулятору. Полученое тепло в конденсаторе и абсорбере абсорбционного преобразователя теплоты 11 проходит через трехходовые краны 32, 31, 30 и подается к панелям лучистого отопления - охлаждению 19, после чего с помощью циркуляционного насоса 23 проходит через четырехходовой 34 и трехходовой 29 краны и попадает в абсорбер
абсорбционного преобразователя теплоты 11. Пополнение потерь теплоносителя происходит из грунтового теплогенератора 18. Полученная охлажденная вода в испарителе абсорбционного преобразователя теплоты 11 через трехходовой кран 28 циркуляционным кольцом 14 попадает в грунтовый теплогенератор 18.
Таким образом, предложенная система панельно - лучистого обогрева и охлаждения жилых и общественных зданий расширяет функциональные возможности системы, улучшая санитарно-гигиеническое состояние помещений в холодный период года и предоставляет возможность использования системы в теплый и переходный периоды года, существенно повышая ее эффективность и уменьшая загрязнение окружающей среды.
Выводы. 1. Разработанные системы жизнеобеспечения здания с природными аккумуляторами тепла позволяют снизить потребление невозобновляемых источников энергии, чем снижается экологическая нагрузка на окружающую среду;
2. Использование в системах сезонного и круглогодичного аккумуляторов тепла позволяет накапливать и использовать тепловую энергию в течении всего года на нужды горячего водоснабжения, отопления и холодоснабжения.
3. Использование низкотемпературного тепла в системах жизнеобеспечения здания позволяет устраивать поверхностно-развитые системы, которые более благоприятно создают микроклимат в помещении.
Литература
1. Повышение эффективности систем обеспечения микроклимата промышленных зданий: Сб.науч.тр./ ЦНИИ промзданий; Редкол.:С.Н.Булгаков и др.. -М.: 1991, 113 с.
2. Денисенко О.Г., Козловский Г.А. и др. Преобразование и использование ветровой энергии. - К.: Техника, 1992, 176 с.
3. Сейиткурбанов С. Комбинированные гелиоветроэнергетические установки: /Под ред. Р.Б. Байранова АН ТССР Науч.- произ. об-ние «Солнце». Ашхабад: Ылым, 1991, 144 с.
4. Сиворакша В.Е., Золотько К.Е., Марков В.Л., Петров Б.Е. Гелиосистемы для отопления и горячего водоснабжения: Учеб. пособие/ Под ред. Приснякова В.Ф. - Днепропетровск: ДГУ, 1995, 196 с.
5. Плешка М.С., Вырлан П.М., Стратан Ф.И., Булкин С.Г. Теплонасосные гелиосистемы отопления и горячего водоснабжения зданий. - Кишинев: Штиинца, 1990, 124 с.
6. Рекомендации по теплотехническому расчету электроаккумуляционной системы отопления/ ЛитНИИСиА, НИИСФ, МИСИ им. Куйбышева. - Каунас, 1986, - 27 с.
7. Зоколей С. Солнечная энергия и строительство /Пер. с анл. Г. А. Гухман под ред. Ю.Н. Малевского - М.: Стройиздат, 1988, 16 с.
8. Бекман, Реорг, Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии: Пер с англ. /Под ред. В. М. Бродянского - М.: Мир, 1987, 271 с.
9. Система опалення житлових та адмшютративних будiвель. Декларацшний патент на винахщ № 52287А, опубл. в Бюл. №12, 2002.
Abstract
Zaitsev, ON, Dr. * VO Petrenko PhD. **, Petrenko A., Ph.D. **
REDUCE ENERGY FLOW WITH LIFE SUPPORT SYSTEMS THROUGH THE USE OF NATURAL HEAT ACCUMULATOR
** National Academy of Nature Protection and Resort Development, Ukraine
** Prydniprovska State Academy of Construction and Architecture, Ukraine
The system of Panel - Radiant heating and cooling of residential and public buildings, extends the functionality of the system, improving the sanitary condition of the premises during the cold period of the year and provides the opportunity to use the system in the warm and transitional periods of the year, significantly increasing efficiency and reducing pollution.
Keywords: heating, indoor climate, environment.
