CC BY
19Статья поступила в редакцию 09.03.11. Ред. рег. № 955 The article has entered in publishing office 09.03.11. Ed. reg. No. 955
УДК 662.997
ТЕПЛОАККУМУЛЯЦИОННАЯ И ТЕПЛОНАСОСНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Р.А. Амерханов, К.А. Гарькавый
Кубанский государственный аграрный университет 350044 Краснодар, ул. Калинина, д. 13 Тел. (861) 221-58-54, e-mail: energyksau@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 25.03.11 Заключение совета экспертов: 10.04.11 Принято к публикации: 15.04.11
Изложены основы автономного теплоснабжения здания при использовании солнечной энергии в сочетании с теплоак-кумуляционной системой и тепловым насосом. Выбор варианта энергоснабжения основывается на концепции эксерго-экономической оптимизации.
Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, аккумулятор теплоты, теплоснабжение.
HEAT ACCUMULATIVE AND HEAT PUMP SYSTEM OF HEAT SUPPLY ON THE BASIS RENEWABLE SOURCES OF ENERGY
R.A. Amerkhanov, K.A. Garkavij
Kuban State Agrarian University 13 Kalinin str., Krasnodar, 350044, Russia Tel. (861) 221-58-54, e-mail: energyksau@mail.ru
Referred: 25.03.11 Expertise: 10.04.11 Accepted: 15.04.11
Bases of autonomous heat supply of a building under use of solar energy in combination with heat accumulative system and heat pump were cited. To choose a type of energy provision is based on a conception of exergic economic optimization.
Keywords: renewable sources of energy, heat accumulator, heat supply.
Роберт Александрович Амерханов
Сведения об авторе: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кубанский государственный аграрный университет. Профессор кафедры электротехники, теплотехники и возобновляемых источников энергии. Д-р техн. наук. Заслуженный работник высшей школы РФ, почетный работник высшего профессионального образования РФ, награжден орденом Почета.
Основной круг научных интересов: энергосбережение естественных ресурсов при использовании нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в агропромышленном комплексе.
Публикации: около 300.
Константин Алексеевич Гарькавый
Сведения об авторе: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кубанский государственный аграрный университет. Доцент кафедры электротехники, теплотехники и возобновляемых источников энергии. Канд. техн. наук.
Основной круг научных интересов: энергосбережение естественных ресурсов при использовании нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в агропромышленном комплексе. Публикации: 54.
Главной целью энергетической стратегии России является определение путей и формирование условий безопасного, эффективного и устойчивого функционирования энергетического сектора. Высшим приоритетом энергетической стратегии Российской Федерации является максимально эффективное ис-
пользование природно-энергетических ресурсов и имеющегося научно-технического и экономического потенциала топливно-энергетического комплекса.
Анализ показывает, что ни один из известных на сегодня источников энергии не в состоянии в будущем полностью взять на себя удовлетворение расту-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (95) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
Солнечная энергетика
щих потребностей человечества. Одно из решений этой проблемы заключается в использовании возобновляемых источников энергии. По сути, более широкое использование возобновляемых источников энергии соответствует всем высшим приоритетам и задачам энергетической стратегии России.
Вопросы развития энергетики должны рассматриваться в единых системах (так называемый тройственный подход) экономико-социально-экологических позиций.
Мировые запасы ископаемого топлива являются ограниченными. При этом заметим, что экономический потенциал возобновляемых источников энергии в мире оценивается в 20 млрд т у.т., что в два раза превышает объем годовой добычи всех видов ископаемого топлива [1, 2]. Экономический потенциал возобновляемых энергетических ресурсов в России оценивается в 270 млн т у .т., что составляет около 30% внутреннего потребления топливно-энергетических ресурсов в стране [3].
нально-бытового сектора. В России большая доля общих энергетических ресурсов (более 30%) расходуется на теплоснабжение жилых и различного технологического назначения зданий. Поэтому энергосбережение в указанной области является существенной задачей.
Весьма обоснованным в системе теплоснабжения зданий является использование солнечной энергии, энергетический потенциал которой в России в целом составляет 12,5 млн т у.т. в год. Наиболее перспективными являются регионы Сибири, Дальнего Востока и южные районы европейской части России.
Предлагается следующая схема системы теплоснабжения дома [4, 5, 6]. На крыше, а для многоэтажных зданий и на поэтажных козырьках, размещаются солнечные коллекторы (рис. 1). Избыточная теплота летней инсоляции аккумулируется в грунте под зданием. В отопительный сезон эта теплота извлекается и посредством тепловых насосов используется для теплоснабжения дома. Схема теплоснабжения приведена на рис. 2.
Рис. 1. Чертеж жилого дома (вертикальный разрез): 1, 2, 9 - солнечные коллекторы; 3 - емкость системы горячего водоснабжения; 4 - теплоизоляционный щит; 5 - грунтовые теплообменники; 6 - грунтовый аккумулятор;
7 - емкость гидравлического насоса; 8 - тепловой насос Fig. 1. Drawing of domestic building (vertical sectional): 1, 2, 9 - solar collectors; 3 - heat water supply system capacity; 4 - heat insulating shield; 5 - ground heat exchangers; 6 - ground accumulator; 7 - hydraulic pump capacity; 8 - heat pump
Следует подчеркнуть, что одним из показателей энергетической безопасности любого региона является степень обеспеченности собственными энергетическими ресурсами. Эту задачу следует развивать и решать в рамках индивидуального дома комму-
Рис. 2. Схема теплоснабжения жилого дома: 1 - грунтовой
аккумулятор; 2 - регулирующие вентили; 3 - солнечные коллекторы; 4 - емкость системы горячего водоснабжения; 5 - насос системы горячего водоснабжения; 6 - емкость системы горячего водоснабжения; 7 - система горячего
водоснабжения; 8 - емкость системы отопления; 9 - система отопления; 10 - насос системы отопления; 11 - тепловой насос системы отопления; 12 - насос системы аккумулирования-разрядки; 13 - регулирующие вентили;
14 - емкость системы аккумулирования-разрядки; 15 - тепловой насос системы горячего водоснабжения; 16 - насос системы горячего водоснабжения
Fig. 2. Drawing of domestic building heat supply: 1 - ground accumulator; 2 - regulating faucets; 3 - solar collectors; 4 - hot water supply system capacity; 5 - hot water supply system pump; 6 - hot water supply system capacity; 7 - hot water supply system; 8 - heating system capacity; 9 - heating system; 10 - heating system pump; 11 - heat pump of heating system; 12 - pump of accumulation-discharge system; 13 - regulating faucets; 14 - capacity of accumulation-discharge system; 15 -heat pump of hot water supply; 16 - pump of hot water supply
Показатель эффективности работы теплового насоса в общем случае представляет собой функцию среднего перепада температур в конденсаторе Д#К и испарителе Д#И
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Р.А. Амерханов, К.А. Гарькавый. Теплоаккумуляционная и теплонасосная система теплоснабжения на основе ВИЭ
COPth =пк
AßK + T°m
ДАк + Tom +Д#И - /
В случае работы теплового насоса с солнечным контуром, в состав которого входит бак-аккумулятор, формула расчета имеет вид
copTh =Пк
дак+ тг
Aß + Tom + Aß - т
гпот гп
где Тв и - соответственно, средняя температура жидкости в контуре теплового потребителя и в баке-аккумуляторе теплоты гелиоколлектора.
В случае работы теплового насоса с почвенным контуром, когда используется «почвенный» испаритель, формула (2) приобретает вид
copTh =Пк
Aß К + С
да + Tom + Aß - Tср
(3)
где Т'С - средняя температура рабочей жидкости
контура почвенных теплообменников, что является источником теплоты для «почвенного» испарителя теплового насоса; % - КПД эквивалентного цикла Карно; Д#К - разность температур в конденсаторе; Д#и - разность температур в испарителе; Т°т - средняя температура жидкости в контуре теплового потребителя.
Расчет системы теплоснабжения здания должен быть дополнен обоснованием выбора теплового насоса (компрессионного, абсорбционного), расчетом зарядки-разрядки аккумулятора теплоты, определения эффективности потребления теплоты в системе отопления и горячего водоснабжения.
Кроме того, следует принять во внимание рекомендованные в настоящее время эффективные мероприятия, направленные на энергосбережение в системе теплоснабжения зданий.
Установлено, что основное количество теплопо-терь в здании в среднем распределяется следующим образом: через наружные ограждающие конструкции - 45%; через окна - 35%; через крышу и перекрытие над подпольем - 20%. Поэтому особое значение приобретает повышение теплозащиты именно внешних стен. При этом следует ориентироваться на современные средства и методы теплоизоляции.
Немалую роль может сыграть при использовании у основного или резервного источника теплоты котлов конденсационного типа. Конденсационная техника представляет большой шаг вперед и при неизменных тепловом комфорте и расходе горячей воды в доме позволяет снизить расходы газа на 20-30%, уменьшить объем отходящих вредных газов вплоть до 70% по сравнению с обычными источниками тепла.
Возможен и другой перспективный вариант теплоснабжения зданий - это интегрированная система, включающая возобновляемые источники энергии, когенерационную установку на базе теплового дви-
гателя и, в той или инои степени, традиционные ис-
(1) точники энергии. Преимущество такого схемного решения заключается, во-первых, в существенной энергосберегающей эффективности, а во-вторых, в обеспечении потребителя как тепловой, так и электрической энергией. В отдельных случаях может оказаться рентабельным в экономическом отношении использование электрических аккумуляционных
(2) обогревателей динамическим разряжением (к примеру, типа DOA), которые заряжаются в ночное время, при более низком тарифе на электроэнергию, а разряжается в дневное время.
Заметим, что в зарубежном жилищном строительстве за последние пять-семь лет уровень тепловой защиты домов повышен в 2-3 раза по отношению к уровню, нормированному до 1973 года. Анализ энергосберегающих проектов в Северной Америке и странах Западной Европы позволяет сделать вывод, что если в случае традиционного здания в целом уровень энергопотребления находится в диапазоне от 740 до 850 МДж/(м2-год), то для энергоэффективного здания - в диапазоне от 460 до 530 МДж/(м2-год). Это означает снижение энергопотребления примерно на 40% по сравнению с традиционным зданием.
Изложенное выше указывает на возможные варианты схемных решений для эффективного энергосбережения при теплоснабжении зданий. Поэтому есть необходимость в решении оптимизационной задачи для определения наиболее целесообразного в энергетическом и экономическом отношениях варианта. В данном случае рекомендуется обратиться к эксерго-экономической концепции оптимизации [7, 8].
Список литературы
1. Бекаев Л.С., Марченко О.В., Пинегин С.П. и др. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию. Новосибирск: Наука, 2000.
2. Основные положения энергетической стратегии России на период до 2020 г. (проект). М.: Министерство топлива и энергетики РФ, 2000.
3. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / Под общ. ред. П.П. Безруких. С.-Петербург: Наука, 2002.
4. Долинский А.А., Драганов Б.Х. Энергоэффективное здание при использовании альтернативных источников энергии // Промышленная теплотехника. 2007. Т. 29, № 4. С. 83-88.
5. Накорчевский А.И., Басок Б.И., Беляева Т.Г. Проблемы грунтового аккумулирования теплоты и методы их решения // Там же. 2003. № 3. С. 45-50.
6. Амерханов Р.А. Тепловые насосы. М.: Энерго-атомиздат, 2005.
7. Драганов Б.Х. Термоэкономическая оптимизация энергетических систем при эксплуатационном и экологическом режимах их работы // Экотехнологии и ресурсосбережение. 2006. № 2. С. 8-10.
8. Тсатсаронис Дж. Взаимодействие термодинамики и экономики для минимизации стоимости энергопреоб-разующей системы / Под ред. Т.В. Морозюк. Одесса: Студия «Негоциант», 2002.
— TATA — LXJ
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (95) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
