Энергоэффективность и энергосбережение

 Радиационный режим Беларуси аналогичен многим среднеевропейским странам с развитым применением солнечной энергии как в области гелиоархитектуры домостроения и градостроительства, так и в области применения специальных тепловых гелиосистем теплоснабжения и горячего водоснабжения.

Поэтому в настоящее время развитие солнечной энергетики в Беларуси рассматривается в качестве перспективного направления как на уровне государственных инициатив, так и непосредственно частными фирмами и застройщиками.

В Центральной Европе годовое количество солнечной прямой и рассеянной энергии на горизонтальную поверхность составляет 1000…1400 кВт·ч/м2 (в Германии – 1200, в Беларуси – 1100 кВт·ч/м2). В Германии, Великобритании, Швейцарии, Финляндии, США и др. странах для большинства вновь возводимых объектов применяют принципы «солнечной архитектуры» и пассивные конструкции, снижающие теплозатраты на отопление на 30…60% до уровня 10…40 кВт·ч/м2 в год при сроке окупаемости 2…4 года. Начиная с 80-х годов правительство Германии настойчиво проводит политику внедрения «солнечной архитектуры» и гелиотехники. К настоящему времени в связи с отказом от атомной энергетики Германия ориентируется на повсеместное использование возобновляемых источников энергии, как это было принято в Австрии несколько десятилетий тому назад.

Для нагревания воды горячего водоснабжения солнечная энергия используется с помощью специальных гелиосистем, основными элементами которых являются гелиоколлекторы, преобразующие высокочастотное солнечное излучение в тепловую энергию, а также аккумулятор тепловой энергии, сглаживающий между собой нерегулярности поступления солнечной энергии и нерегулярности потребления тепловой энергии системой горячего водоснабжения.

Основную себестоимость гелиосистемы несут в себе гелиоколлекторы – 50…70% от общей себестоимости. Срок окупаемости гелиосистемы зависит от сравниваемого варианта и при сопоставлении с тепловыми сетями составляет не менее 15 лет. Однако современная Европа учитывает перспективу неуклонного роста стоимости невозобновляемых источников энергии, а также и перспективу окончания их добычи. Поэтому в европейских странах активно стимулировалось применение гелиосистем уже более 30 лет назад. В некоторых районах Австрии более 20 лет назад гелиосистемы горячего водоснабжения были смонтированы для всех эксплуатируемых жилых зданий.

В Беларуси первая современная гелиосистема горячего водоснабжения реализована в 1998 г. для здания Международного института по радиоэкологии им. А.Д. Сахарова в г. Минске (МИРС) с применением комплекта оборудования, подаренного фирмой DOMA (Австрия) при содействии сотрудников ENERGIESPAR VEREIN, Dornbirn (Австрия). Для нашей республики гелиосистемы в настоящее время уже становятся все более востребованными, что сразу же отражается в активизации предложений ряда зарубежных фирм-производителей гелиотехнического оборудования: Viessmann, Thermomax, Bosch, De Dietrich, Vaillant, Junkers, Kospel, Jäspi, Thermo|solar Žiar s.r.o., Buderus, Herz и др., в том числе многочисленные китайские производители. Большинство фирм предлагают свои услуги в части проектирования, подбора оборудования и монтажа, опираясь на собственные базовые электронные программы проектирования. На десятках различных государственных, частных объектах и индивидуальных жилых домах уже функционируют гелиосистемы различных фирм-производителей с площадью гелиоколлекторов в основном 4…10 м2, но не более 20 м2, с баками-аккумуляторами не более 2 м3.

Из практики проектирования и эксплуатации гелиосистем горячего водоснабжения известно, что экономически оптимальными для климата – аналога Беларуси являются гелиосистемы, запроектированные на компенсацию 60…70% годовых теплозатрат, необходимых на нужды горячего водоснабжения. При более высокой компенсации резко возрастают капитальные затраты. Поэтому остальные 30…40% годовых теплозатрат, приходящиеся на зимние месяцы, восполняются в зависимости от конкретных местных условий: либо от традиционных источников – котельной или теплых сетей, либо от нетрадиционных, в том числе от возобновляемых источников энергии. Достаточно широко для предварительного нагревания воды применяется утилизация теплоты сточных вод, температура которых может достигать 35 °С при условии отделения от них сточных вод от унитазов.

Тепловые гелиоколлекторы – основной элемент гелиосистемы. Существуют коллекторы «условно плоские», преобразующие солнечную энергию непосредственно в плоскости падения солнечных лучей, и коллекторы с концентрирующими отражательными устройствами, располагаемыми либо в конструкции самого коллектора, либо являющиеся самостоятельными устройствами. Эволюция конструирования гелиоколлекторов насчитывает лишь несколько десятилетий, но уже на настоящий момент можно назвать устоявшимися основные конструктивные тенденции.

Сегодня выпускается несколько типов гелиоколлекторов с плоским теплоизолирующим светопрозрачным покрытием. Среди них можно выделить коллекторы фирмы Buderus с теплоизолирующим слоем в виде светопрозрачной прослойки из инертного газа низкой теплопроводности, а также плоские вакуумированные коллекторы фирмы Thermo|solar Žiar s.r.o., представляющие собой предмет гордости компании, имеющей «единственное в мире производство плоских вакуумных коллекторов». Стоимость коллекторов с плоским теплоизолирующим светопрозрачным покрытием в 1,5…2,0 раза выше их традиционных аналогов с одинарным остеклением.

Наибольшее распространение получили вакуумированные трубчатые коллекторы. Основными элементами являются «трубка» (рис. 1), которая состоит из стеклянной колбы поз. 1 с двойным остеклением и вакуумированным зазором, и тепловоспринимающий элемент поз. 2.

Плоский тепловоспринимающий элемент поз. 2а имеют наиболее дешевые коллекторы, в которых колбу надо поворачивать при монтаже на какой-либо оптимальный угол за солнцем, что на самом деле не приносит практически никакого эффекта.

Идея теплового цилиндрического элемента поз. 2б позволяет воспринимать излучение при любом угле падения солнечного излучения, но вызывает сомнение эффективность теплопередачи за счет теплопроводности пластины поз. 2б по «длинному» пути к поверхности тепловой трубы поз. 3.

Коллекторы рис. 1, а, б имеют низкую себестоимость. Применение тепловых трубок поз. 3 не дает теплового преимущества в эффективности передачи теплоты от тепловоспринимающей поверхности к теплоносителю по сравнению с традиционным способом непосредственной циркуляции теплоносителя (рис. 1, в, г).

Коллекторы рис. 1, в, г имеют более высокие теплотехнические качества по сравнению с коллекторами рис. 1, а, б ввиду непосредственного контакта тепловоспринимающего элемента с теплоносителем. Но они неудобны в транспортировке и имеют более высокую стоимость.

Наиболее качественным по теплотехническим показателям является коллектор рис. 1г, но стоимость его значительно выше всех иных трубчатых коллекторов и тем более значительно превосходит стоимость обычных плоских коллекторов с одинарным остеклением.

Реальная тепловоспринимающая поверхность трубчатого коллектора значительно меньше его геометрической поверхности. На рис. 2 для оценки реальной поверхности показан характер облучения стеклянной колбы коллектора.

Реальная тепловоспринимающая поверхность трубчатого коллектора составляет 0,60…0,62 от его геометрической поверхности. Для плоских коллекторов это соотношение составляет 0,9…0,85. Таким образом, при проектировании для получения идентичной тепловоспринимающей поверхности гелиоколлекторов геометрическая поверхность трубчатых коллекторов должна быть в 0,88/0,61 = 1,44 раза больше.

При сравнении стоимости также следует сравнивать между собой удельную стоимость одного квадратного метра реальной поверхности плоского и трубчатого коллектора:

  • „для плоского коллектора, зная его стоимость Спл и площадь по наружным габаритам Апл, удельная стоимость определится следующим образом суд = Спл/(0,88·Апл);
  • „для трубчатого коллектора, зная его стоимость Стр и площадь по наружным габаритам Атр, удельная стоимость определится следующим образом стр = Стр/(0,61·Атр).

Механическая прочность оценивается в основном по устойчивости к граду. Трубчатые коллекторы, показанные на рис. 1, не выдерживают крупный град. Исключение составляют трубчатые коллекторы с одинарным стеклом повышенной толщины. Они выдерживают град размером до 35 мм. В коллекторах данного типа вакуумируется все пространство стеклянной трубы.

На механическую прочность влияет также упавший между трубами коллектора слой подтаявшего снега, который, расширяясь в весенних циклах замораживания-оттаивания, может нарушить целостность стеклянных колб.

Срок службы не более 10 лет, гарантийный срок от 1 до 5 лет.

Большинство фирм-производителей трубчатых коллекторов (а также других типов коллекторов с теплоизолирующим светопрозрачным покрытием) рекомендуют их повсеместное применение для любых климатических зон, особенно в холодный период года. Эксплуатационные натурные исследования, например выполненные специалистами Германии, не показали в условиях центрально-европейского климата столь явного преимущества трубчатых коллекторов перед обычными плоскими. Основная причина – изморозь, налипающая на «холодные» трубы коллектора, не давая проникать солнечному излучению.

Существенным недостатком коллекторов с теплоизолирующим светопрозрачным покрытием является значительное повышение температуры теплоносителя при отсутствии циркуляции более 200 оС по сравнению с плоскими, температура которых достигает не более 150 оС. Ввиду этого для исключения кипения теплоносителя необходимо в коллекторах поддерживать высокое избыточное давление. При высоких температурах срок службы незамерзающей жидкости резко уменьшается.

Коллекторы с теплоизолирующим светопрозрачным покрытием по своим характеристикам оптимальным образом подходят для климатических условий высокогорной местности.

Солнечные плоские коллекторы с одинарным светопрозрачным покрытием выпускаются десятками фирм в мире. В коллекторе соединение тепловых элементов между собой выполняются по схемам, показанным на рис. 3.

В плоских гелиоколлекторах применяется обычное оконное силикатное стекло, выдерживающее удары крупного града и значительные изгибающие нагрузки, а также стекла со специальной наружной поверхностью без «блесткости», которая исключает отражение солнечных лучей при угле падения менее 30о. Коллекторы со специальным стеклом без «блесткости» имеют более высокую стоимость. Срок службы свыше 20 лет, гарантийный срок от 1 до 10 лет.

Конструирование гелиосистемы зависит от задаваемых исходных данных. Для систем с гелиоколлектором примерно до 20 м2 применяют бак-аккумулятор воды горячего водоснабжения со встроенными поверхностями нагрева. Таким образом, с помощью одного устройства обеспечивается температурное расслоение по высоте бака, суточное аккумулирование тепловой энергии, нагревание воды от гелиосистемы и от дополнительных источников энергии.

Для крупноразмерных гелиосистем с площадью гелиоколлекторов более 30 м2 следует предусматривать бак-аккумулятор с промежуточным теплоносителем. В практике такие баки обычно называют буферными. Буферные баки емкостью 1…2 м3 выпускаются со встроенными змеевиками гелиосистемы и змеевиком для нагревания воды горячего водоснабжения. Например, для гелиосистемы с коллектором 120 м2 используют 4 таких бака с системой обвязки, обеспечивающей «последовательную» автоматическую зарядку баков с помощью переключающих трехходовых клапанов. Более удобным по эксплуатации и с минимальными капитальными расходами считается вариант с одним баком-аккумулятором на 8 м3 со скоростными теплообменниками со стороны гелиоколлектора и со стороны потребителя – системы горячего водоснабжения. В общем виде подобная система показана на рис. 4.

Подобные крупноразмерные гелиосистемы в отечественной практике не применялись, поэтому все ее элементы, кроме гелиоколлекторов, необходимо изготовить на местных предприятиях, в том числе и систему автоматического регулирования и контроля.

В эксплуатации должны присутствовать белорусские сервисанты-производители отечественного оборудования в области систем автоматизации, учета производимой и потребляемой теплоты, теплообменников, теплоаккумулирующих устройств. Ввиду этих обстоятельств предлагается гелиосистема горячего водоснабжения, значительно упрощающая в сравнении с европейскими аналогами проектное решение в части его реализации, а также и в части предстоящей эксплуатации. При этом предлагаются технические решения, повышающие годовую тепловую эффективность гелиосистемы горячего водоснабжения при снижении капитальных затрат.

На рис. 5 показана общая схема гелиосистемы для многоэтажного энергоэффективного жилого дома, на которой представлены принципиальные решения, не приведены контрольные приборы, системы защиты, фильтры, системы заполнения и подпитки, некоторая часть запорной арматуры и др.

На ней указаны ориентировочные значения избыточного давления в трубопроводах.Для обеспечения эффективной работы расширительных баков поз. 9 последние монтируются на техническом чердаке. Балансовый вентиль поз. 7 настраивается на минимальный расчетный расход теплоносителя. Пропорциональный регулятор поз. 13 и клапан поз.8 срабатывают на поддержание температуры не менее 50 оС при снижении теплопроизводительности гелиосистемы путем дросселирования потока вплоть до полного закрытия клапана при температуре менее 50 оС. При значительно более высокой температуре клапан поз. 8 полностью открыт, и система имеет максимальную теплопроизводительность.

Применяется циркуляционный насос с электронным управлением частотой вращения, которая изменяется при изменении сопротивления системы под воздействием клапана поз. 8. Приведенный принцип управления позволяет почти в 1,5 раза увеличить годовую теплопроизводительность гелиосистемы за счет эффективного использования малой интенсивности излучения в облачный период, а также в утренние и вечерние часы.

Позиционный регулятор поз. 14а настраивается на температуру 92 оС, при превышении которой с помощью циркуляционных насосов и теплообменника поз. 12 излишки производимой гелиосистемами теплоты перекачиваются в грунт через свайные теплообменники. При понижении температуры до 85 оС позиционный регулятор поз. 14а выключает циркуляционные насосы.

Буферный бак-аккумулятор поз. 2 заполняется водой из тепловой сети по датчику уровня поз. 15. Бак работает под атмосферным давлением, имеет систему аварийной сепарации и сброса пара в атмосферу при аварийном закипании воды в баке. Бак изготавливается из котловой или обычной стали на заводах Беларуси. Внутренние элементы бака: сепаратор поз. 2а, перфорированный распределитель поз. 2б и др., предназначенные для поддержания температурного расслоения в баке, следует изготовить из нержавеющей стали.

Рис. 1. Сечение трубки различного типа вакуумированных трубчатых коллекторов
а), в) с тепловым плоским элементом; б) с тепловым цилиндрическим элементом; 
г) с тепловым литым элементом из алюминиевого сплава; 
1 – колба с двойным остеклением и вакуумированным зазором; 2а, 2в – плоский тепловоспринимающий элемент; 2б – тепловоспринимающий элемент цилиндрического вида с пружинным контактом с тепловой трубкой; 2г – тепловой элемент литой из алюминиевого сплава; 3 – тепловая трубка; 4 – U-образная медная трубка циркулирующего теплоносителя

Рис. 2. Оценка реальной тепловоспринимающей поверхности трубчатых коллекторов

Рис. 3. Схемы плоских коллекторов

Рис. 4. Схема крупноразмерной гелиосистемы горячего водоснабжения с применением промежуточного теплоносителя и буферного бака-аккумулятора

Рис. 5. Схема гелиосистемы 132-квартирного 19-этажного жилого дома
1 – гелиоколлекторы по 120 м2; 2 – буферный бак 12 м3; 3 – пластинчатые неразборные теплообменники; 4 –воздухосборник; 5 – сепаратор воздушный; 6 – визуальный расходомер; 7 – балансовый вентиль минимального расчетного расхода; 8 – клапан повышения расхода; 9 – расширительные баки; 10 – расширительный бак; 11 –разборный теплообменник горячего водоснабжения; 12 – разборный теплообменник для теплоносителя скважин; 13 – пропорциональный регулятор; 14 (14а) – контроллер гелиосистемы; 15 – датчик уровня системы подпитки

 

 

 

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Мы в соцсетях:

rss   фейсбук   твиттер   

 
 
Зеленые Здания
000970039
Сегодня
Вчера
Этот месяц
Всего
71
259
18384
970039

Ваш IP: 54.224.214.93
Server Time: 2017-09-25 03:37:16