VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Рациональное потребление и использование энергетических ресурсов в условиях стабильного роста цен на традиционное ископаемое углеводородноетопливо и высокой степени загрязнения окружающей среды становится одним из главных факторов, влияющих на формирование тенденций в развитии энергетической отрасли в целом и систем теплоснабжения в частности.Наиболее перспективныминаправлениями развития энергетикис точки зрения энергосбережения и охраны воздушного бассейна являются гелиоэнергетика, ветроэнергетика и геотермальная энергетика.

Применение технологий использования возобновляемых источников энергии солнца, ветра, рек, тепла Земли и низкопотенциального тепла окружающей среды в теплоснабжении становиться все более актуальным. Особенно востребованным является использование нетрадиционной энергетики при устройстве автономных систем теплоснабжения зданий в условиях малоэтажного строительства и индивидуальной застройки в негазифицированных населенных пунктах.

Надежное энергоснабжение потребителей, стабильные рабочие параметры энергетического оборудования ивысокие технико-экономические показатели применения возобновляемых источников энергии могут быть достигнутытолько при совместном использованииразличных видов возобновляемых источников энергиии технологийтрадиционной энергетики.

Принцип комплексного использования энергосберегающих технологий на основе нетрадиционных возобновляемых источников энергии был применен при разработке схемы системытепло- и холодоснабжения энергоэффективного жилого дома площадью 240 квадратных метров, расположенного в Нижнем Новгороде (Рис. 1)[1]. В системе энергоснабжения дома предусматривается использование альтернативных возобновляемых источников тепловой энергии - низкопотенциальной энергии грунта, солнечного излучения, энергии ветра - наряду с традиционнымиэнергетическими ресурсами, такими как электроэнергия и древесное топливо.

Автономная система теплоснабжения здания базируется на системе сбора теплоты грунта, которая включает в себя контур циркуляции низкопотенциального теплоносителя1, 2, проходящего через скважинные теплообменники3, соединенный с тепловым насосом системы «грунт-вода»4, установленном в тепловом пункте здания.

В баке емкостного нагрева 5с пиковым электрическим нагревателем 6и нижним 7и верхним 8теплообменниками происходит нагревание воды на нужды системы горячего водоснабжения здания и аккумулирование горячей воды в часы минимального потребления для покрытия недостатка теплоты при максимальных нагрузках.

1, 2 - трубопроводы внешнего контура; 3 - скважинные теплообменники; 4 - тепловой насос;

5 - бак емкостного нагрева; 6, 25, 29 - пиковый водонагреватель;7, 8, 11, 12, 26, 30 - теплообменники; 10 - солнечный коллектор; 13 - буферная емкость;14 - трехходовые краны;

9, 15, 16, 17 - трубопроводы внутреннего контура теплоносителя;18, 19 - трубопроводы теплохладоносителя; 20, 21 - трубопроводы контура системы отопления;22 - трубопровод холодного водоснабжения; 23 - трубопровод горячего водоснабжения;24 - бак косвенного нагрева; 27 - бак-аккумулятор; 28 - парафин; 31, 32 - трубопроводы контура котла; 33 - котел;

34 - ветрогенератор; 35, 36 - электрические кабели.

Рис. 1 Принципиальная схема системы энергоснабжения дома

Система сбора теплоты солнечной энергии включает в себя контур циркуляции теплоносителя9, проходящего через вакуумированный трубчатый коллектор10, соединенный с нижним теплообменником бака емкостного водонагрева7 и теплообменником11, размещенным в баке косвенного нагрева24. Бак косвенного нагрева позволяет наиболее эффективно аккумулировать и затем использовать солнечную энергию. В нем размещен теплообменник11, соединенный с солнечным коллектором, пиковый электрический нагреватель 25и второй теплообменник26, соединенный с тепловым насосом системы «грунт-вода». Когда температура в баке косвенного нагрева такая же, как в земляном контуре, тепловой насос работает напрямую с грунтовым контуром по байпасам через трехходовые краны 14, а когда температура в баке поднимается за счет работы солнечных коллекторов, то тепловой насос работает через него с большей эффективностью.

В системе теплоснабжения дома запроектирована установка парафинового бака-аккумулятора27, внутри которого размещен теплообменник.Совместное применение парафинового аккумулятора и теплового насоса повышает энергоэффективность последнего, так как у теплового насоса максимальная температура нагрева теплоносителя 50°С, а при нагреве до 50°С парафин аккумулирует больше теплоты, чем вода за счет фазового перехода[2]. Таким образом, с помощью парафинового аккумулятора достигается наиболее эффективная работа солнечных коллекторов.

Нагрев теплоносителя на нужды отопления происходит в буферной емкости13, которая снабжена пиковым электрическим нагревателем 29и вторым теплообменником, вход и выход которого через трубопроводы 31 и 32соединены с введенным в систему дополнительным источником теплоты в виде пеллетного или твердотопливного котла33.

Ветрогенераторы34, установленные на крыше здания, электрически связаны с пиковыми нагревателями25 и 29бака косвенного нагрева и буферной емкости.

На крыше здания также установлены солнечные панели, преобразующие солнечную радиацию в электрическую энергию. Изделие представляет собой панель, с герметично заламинированными на ней кремниевыми пластинами, в которых происходит преобразование солнечной энергии в электрическую. Сверху панель покрыта закаленным стеклом с низким содержанием оксидов железа, что увеличивает его прозрачность. Панель полностью герметична и выдерживает большие ветровые и снеговые нагрузки. Полученная электрическая энергия накапливается в аккумуляторах и затем используется как на освещение здания, так и для работы теплового насоса.

Система вентиляции в целях энергосбережения спроектирована с рекупераций воздуха. Принцип рекуперации реализован с помощью приточно-вытяжной вентиляционной установки с  рекуперацией теплоты вытяжного воздуха УВРК-50 [3]. Установка УВРК вмонтирована в наружную стену зданияи подает в помещение свежий теплый воздух в автоматически регулируемом объеме, не потребляя энергии на его нагрев.

УВРКобладает КПД более 90%, и позволяет сокращать вентиляционные потери теплоты на нагрев до комнатной температуры поступающего наружного воздуха в 10 раз.

При обеспечении требуемых характеристик микроклимата потери теплоты на нагрев поступающего в помещение наружного воздуха составляют более половины в тепловом балансе здания. Соответственно, использование рекуперативной установки в системе вентиляции  примерно в два раза сокращает теплопотребление здания.

Применение современных новейших энергосберегающих технологий при проектировании систем теплоснабженияпри максимальном использовании альтернативных возобновляемых источников энергии повышает эффективность потребления энергетических ресурсов. Внедрения комплексных энергоэффективных систем автономного и смешанного энергообеспечения зданий с использованием возобновляемых источников энергии позволяет снизить потребление невозобновляемых углеводородных топливных ресурсов, уменьшить негативное влияние на окружающую среду систем теплоснабжения и обеспечитьповышение показателей энергоэффективности зданий.

Список использованных источников

1.    Патент на полезную модель № 135344, Российская Федерация, 2012;

2.    Елистратов В.В. Использование возобновляемой энергии: Учебное пособие. - СПб.: Изд-во Политехн.ун-та, 2008;

3.    Патент на полезную модель № 88110, Российская Федерация, 2009.