Процессы отопления и горячего водоснабжения административных и жилых зданий агрогородков на основе гибридных высокоэффективных технологий использования традиционных видов топлива и возобновляемых источников энергии

Для нормальной работы теплоноситель, он должен иметь допустимые технические характеристики:

- защита от замерзания: до -28°С

- плотность при 20°C: 1,032 ~ 1,035 г/см3

- вязкость при 20°C: 4,5 ~ 5,5 мм2/с

- значение рН: от 9,0 до 10,5.

В настоящее время выпускается несколько марок антифризов для систем отопления, как правило, их основа - этиленгликоль или пропиленгликоль, а так же специальные присадки. В основном эти антифризы различаются по температуре кристаллизации [19]. Вследствие токсичности этиленгликоля применение антифризов изготовленных на его основе в двухконтурных котлах нежелательно, так как возможно попадание теплоносителя из отопительного контура в контур водообеспечения. Указанные антифризы не следует применять в открытых системах отопления (с открытым расширительным баком), там, где возможно испарение антифриза.

Менее токсичен антифриз, в основу которого входит пропиленгликоль. Наиболее безопасным можно считать антифриз на основе пищевого пропиленгликоля.

С тем, чтобы избежать перегрева теплоносителя выше 107°С, при котором происходит тепловое разложение этиленгликоля и антикоррозионных присадок, необходимо обеспечить соответствующую циркуляцию теплоносителя [19].

2.7 Трубопровод (трубы и теплоизоляция)

Трубы необходимо использовать металлические (медные, нержавеющие, стальные неоцинкованные), т.к. все известные нам пластиковые трубы не выдерживают возможные температуры (максимальная температура пара в контуре, даже неэффективных солнечных коллекторов, может достигать 150°С, а рабочая температура теплоносителя - 110°С). По этой же причине повышенные требования и к трубной теплоизоляции, которая должна выдерживать высокие температуры, а также не впитывать влагу и не давать усадку.

Удовлетворяет всем необходимым требованиям теплоизоляция из вспененного каучука. Для обеспечения достаточного снижения теплопотерь в трубопроводе, а также в целях безопасности необходимо применять теплоизоляцию толщиной не менее 19 мм.

Запрещено использовать теплоизоляцию из вспененного полиэтилена, надетую непосредственно на трубу без температуроподавительного слоя.

Теплоизоляция, находящаяся на открытом воздухе должна быть устойчивой к ультрафиолетовому излучению, а также к граду и другим механическим воздействиям (Таблица 12) [20].

Таблица 12 - Теплоизоляционные материалы [20]

Не рекомендуем использовать в качестве защиты фольгу или другие материалы с блестящим покрытием, т.к. птицы нарушают целостность не только верхнего покрытия, но и теплоизоляции. Диаметры труб подбираются индивидуально, исходя из необходимого гидравлического сопротивления системы и расхода теплоносителя. Выбираемые параметры системы и диаметры труб должны быть согласованы с параметрами насосных модулей. Трубки коллектора не устанавливают до тех пор, пока не подсоединят все остальные трубы, заполнят систему, и управление полностью работает. Обычно применяют тубы диаметром 1/2” и 3/4” т.к. поток относительно небольшой [21]. Соединительный материал должен выдерживать давления и температуру, которые могут возникнуть в наихудшем случае. Изоляция не должна ухудшаться, а трубы иметь наклон вверх по направлению к коллектору, чтобы оградить систему от поступления воздуха.

2.8 Баки-аккумуляторы

Специфика работы систем солнечного теплоснабжения заключается в необходимости аккумулирования солнечной тепловой энергии с целью ее использования в различное время суток, следовательно, в необходимости использования бака-аккумулятора. Данная необходимость обусловлена, нестабильностью солнечного излучения в течение суток, в то время как горячая вода и тепловая энергия для целей отопления необходима, в т.ч. когда солнечное излучение вообще отсутствует. Эффективность гелиосистемы значительно зависит от правильности выбора объема баков-аккумуляторов [22].

Для определения необходимого объема баков-аккумуляторов необходимо следовать двум правилам [23]:

1. В отличие от бойлеров, нагреваемых традиционным источником тепловой энергии 2-3 раза в сутки, объем бака в гелиосистеме должен быть не менее суточной потребности в горячей воде t=55-60оC. При необходимости данный объем можно уменьшить на планируемый расход ГВ в обеденный период.

2. Объем аккумулятора должен быть не менее 40 л/м2 полезной площади солнечных коллекторов.

Контур гелиоколлекторов подключается к нижней части бака-аккумулятора, а дублирующий источник энергии (эл.ТЭН, котел и др.) должен работать только на верхнюю часть, чтобы не снижать эффективность работы гелиосистемы.

Для гелиосистем с необходимым объемом бака-аккумулятора до 1500л, рекомендуется использовать баки-аккумуляторы с внутренними теплообменниками. Для гелиосистем с объемом бака-аккумулятора свыше 1500л - баки-аккумуляторы c внешним теплообменником.

Для комбинированных гелиосистем ГВС+отопление, когда суточный расход воды, до 500 л/сут., t=55oC целесообразно использовать комбинированные баки аккумуляторы [23].

Конструктивные особенности бака-аккумулятора (Таблица 13) [9]:

* Внутреннюю поверхность бака водонагревателя предохраняет от коррозии эмалированная глазурь, которая обжигается в печи

при температуре 850°С;

* Сменный магниевый анод продлевает срок службы бака (дополнительно защищает его от коррозии);

* Водонагреватель имеет фланец, который позволяет очищать бак от накипи и отложений;

* Теплоизоляция толщиной 50 мм, позволяет минимизировать тепловые потери;

* Встроенный электрический ТЭН (2,2 кВт) в средней части бака;

* Внешний кожух - металл, покрыт порошковой краской белого цвета.

Таблица 13 - Рекомендованные параметры бака-аккумулятора [9]

3. Возможность применения возобновляемых источников энергии ВИЭ на горячее водоснабжение административных и жилых зданий агрогородков с использованием гелиосистем с естественной циркуляцией

Одним из способов, позволяющих значительно сократить потери тепловой энергии, является производство горячей воды прямо в теплопунктах зданий-потребителей, а в межотопительный период - использование гелиоколлекторных водонагревателей.

Опыт применения комплексных систем централизованного теплоснабжения мало-этажных жилых зданий с использованием местных топливно-энергетических ресурсов и солнечной энергии на примере модернизации системы горячего водоснабжения с установкой гелиоводонагревателей показывает, что гелиоколлекторы могут позволить жильцам сэкономить до 50% средств, направляемых на оплату горячего водоснабжения, а срок окупаемости гелиоколлекторных систем может составлять до 8 лет при сроке эксплуатации до 20 лет.

Несмотря на климатические условия северной области Республики Беларусь, повышение эффективности теплоснабжения малоэтажных жилых зданий агрогородков путем модернизации системы горячего водоснабжения с установкой гелиоводонагревателя позволяет не только снизить затраты на энергоресурсы, но и существенно улучшить качество предоставления услуг горячего водоснабжения в сельской местности в межотопительный период.

Технико-экономические показатели работы гелиоустановок в составе комплексных систем теплоснабжения поданным КУП «Орша - теплосети» представлены в таблице 14.

Таблица 14 - Технико-экономические показатели работы гелиоустановок в составе комбинированных систем теплоснабжения

Для отопления и горячего снабжения, в климатических условия Республики Беларусь, для наиболее эффективного использования возможно применение гелиосистем с естественной циркуляцией по двум схемам обеспечения подачи горячей воды и отопления:

1. параллельное использование гелиоколлектора для горячего водоснабжения и отопления (рисунок 12);

2. совмещенная схема теплоснабжения и горячего водоснабжения с дублирующим источником тепловой энергии (рисунок 13).

Схема, представленная на рисунке 12 используется преимущественно на малых площадях, но вполне применима и для небольших строений.

Для многоквартирных жилых домов в агрогородках гелиосистемы могут использоваться исключительно как дополнительные, к прочим системам отопления, работающим на традиционных источниках энергии, что в такой системе, бак-накопитель тепловой энергии связан с другим источником тепла. Таким источником, как на приведенной схеме (рисунок 13), может служить нагревательный котел, использующий различный виды топлива (уголь, газ, жидкое топливо) индивидуального использования, или централизованная система отопления, подключаемая к внутреннему контуру обогреваемого дома.

В случае если с помощью гелиосистемы будет осуществляться только горячее водоснабжение дома, тогда потребуется установка меньшей мощности и соответственно меньшая площадь солнечного коллектора. Если же с помощью солнечной энергии предполагается и отапливать дом, то здесь мощность установки и площадь коллекторов должна быть значительно большей.

Так площади солнечного коллектора 4-6 м2 будет достаточно, чтобы обеспечить на 50-70% горячее водоснабжение в доме. Площади 10-12 м2 уже должно полностью хватать для горячего водоснабжения и частично - для отопления. Это означает, что размер коллектора должен быть таким, чтоб прибор мог обеспечить в среднем 85-95% горячей воды, используемой в теплом полугодии, а семье из четырех человек нужен коллектор [24]:

- или плоский, площадью 1-1,5 м2 на человека, то есть 4-6 м2,

- или трубчатый, площадью 0,6-0,8 м2 на человека, то есть 2,4-3,2 м2.

Рисунок 12 - Схема параллельного обеспечения горячего водоснабжения и отопления

Рисунок 13 - Совмещенная схема теплоснабжения и горячего водоснабжения с твердотопливным котлом

Рассмотренные коллекторы, размещены на кровлях, либо установлен-ные вблизи с жилыми и административными зданиями. Баки-аккумуляторы выполнены из нержавеющей стали. Схемы гелиоустановок - одноконтурные, циркуляция воды через солнечные коллекторы - термосифонная. Процесс переноса жидкости происходит естественным образом, бак аккумулятор находиться выше солнечного коллектора.

В гелиосистемах с естественной циркуляцией, циркуляция осуществля-ется за счет конвекции и заключается в следующем: теплоноситель разогре-вается в солнечном коллекторе под действием солнечной энергии. Теплая жидкость обладает меньшей плотностью (меньшим весом), поэтому она все-гда устремляется вверх, и тем самым как бы вытесняет более холодную жид-кость, находящуюся в баке аккумуляторе выше. При этом происходит накопление тепловой энергии в аккумулирующей емкости. Циркуляция про-исходит до тех пор, пока разность температуры (соответственно и разность плотностей) жидкости в баке и в коллекторе будет настолько мала, что дви-жущая сила не сможет преодолевать гидравлическое сопротивление в конту-ре системы.

С ростом площади и эффективности гелиоколлекторов возрастает эффективность температурной стратификации по секции бака. При этом для каждой площади гелиоколлекторов существует некоторое оптимальное число секций (высота бака), свыше которой эффективность гелиосистемы существенно не возрастает.

Полное обеспечение дома тепловой энергией возможно только при площади солнечного коллектора больше 12 м2. Хотя это зависит еще и от размеров самого дома и насколько эффективно он утеплен. Если же солнечной энергии, в какой-то период для отопления будет недостаточно, например при значительном похолодании или отсутствии солнечной погоды, то для этого в отопительный контур параллельно подключают резервный котел: электрический, газовый или другой, в зависимости от доступности того или иного вида топлива.

Проведенные исследования конструктивных и теплотехнических показателей дают основание сделать следующие выводы, что для подогрева воды до 40 - 500С при КПД не менее 0,4 гелиоколлектором оптимальные параметры гелиосистемы с естественной циркуляцией теплоносителя должны находиться в следующих пределах; объем воды в баке - 0,05 - 0,085м3, внутренний диаметр поглощающих труб - 0,012 - 0,03м, ширина и длина гелиоколлектора, соответственно -- 0,6 - 1м и 1,7 - 2,5м, степень поглощения и излучения теплоприемника, соответственно -- 0,77 - 0,96 и 0,7 - 0,82, толщина теплоизоляции корпуса -- 0,012 - 0,03м. А также, что тепловая эффективность тройного остекления выше на S - 10% однослойного и на 4 - 5% двуслойного. Однако, трехслойное остекление значительно дороже, поэтому в каждом конкретном случае необходимо оценивать экономические показатели различных типов остекления. Для получения более высокой температуры воды в баке гелиосистемы, эффективно ступенчатое остекление, когда в нижней части гелиосистемы (первый ряд гелиоколлекторов) -- одно стекло, в средней, более горячей (второй ряд) - два, в верхней (третий ряд) - три.

Основные особенности системы с естественной циркуляцией:

* скорость циркуляции теплоносителя гораздо меньше, чем в напорных системах;

* в абсорбер коллектора нет турбулизации потока жидкости, что снижает коэффициент теплопередачи;

* для поддержки циркуляции гидравлическое сопротивление в кон-туре системы должно быть минимальным;

* в ночное время может возникнуть обратная циркуляция. Для ее предотвращения необходимо предусмотреть обратный клапан;

* солнечные коллекторы могут использоваться повсеместно, как на скатных крышах, так и на крышах или плоских поверхностях;

* системы просты в установке и интеграции с котлом;

* солнечные коллекторы требуют простой системы: достаточно со-единить систему с гидравлическими соединениями;

* системы работают простым способом: им не нужны циркулятор и электронные регуляторы; следовательно, они не производят потребление электроэнергии;

* солнечные коллекторы позволяют сэкономить до 60% на потреб-лении энергии в бытовой горячей воде.

Энергоэффективность использования гелиосистем оценивается уровнем удельного годового теплопотребления здания, отнесенной к 1 м2 общей отапливаемой площади или 1 м3 объема. Для энергетического анализа вариантов проектного решения определяется тепловая мощность системы отопления и годовое потребление теплоты, вычисляемое по тепловым балансам каждого месяца.

Выбор вида гелиоустановки и ее мощности зависит от того назначения, для которого она предназначена и района проживания: количество солнечных дней в году и минимальная температура воздуха зимой. Так как в наших широтах зимой имеют место отрицательные температуры, то лучшим выбором будут двухконтурные установки с теплоносителем о виде незамерзающей жидкости.

Гелиоколлектор является основным элементом системы солнечного теплоснабжения, но для надежного функционирования всей системы необходим правильный подбор и расчет других элементов системы, таких как теплоаккумулирующий и расширительный баки, теплоизоляция и трубопроводы, блок автоматики и прочие комплектующие. Количество солнечных коллекторов, их способ соединения и размеры, сконструированные для конкретной системы, также значительно влияют на эффективность, надёжность и бесперебойную работу солнечных коллекторов и гелиосистемы в целом. солнечный радиация коллектор

От совершенства конструкции солнечного коллектора в значительной степени зависит эффективность работы всей системы. Все конструктивные особенности солнечного коллектора сводятся к обеспечению максимального поглощения солнечной энергии и минимальным тепловым потерям. Чем больше солнечной энергии поглотит гелиоколлектор, чем быстрее преобразует ее в тепловую энергию и чем меньше потеряет по пути к теплоаккумулирующему баку, тем эффективнее будет работать гелиосистема отопления или ГВС [25].

Заключение

Проведенные исследования применения гелиоводонагревателя с естественной циркуляцией содержат, модель расчета теплотехнических характеристик и оценку эффективности их работы.

Специфика работы систем солнечного горячего водоснабжения заключается в необходимости аккумулирования солнечной тепловой энергии с целью ее использования в различное время суток, следовательно, в необходимости использования бака-аккумулятора. Данная необходимость обусловлена, нестабильностью солнечного излучения в течение суток, в то время как горячая вода и тепловая энергия для целей отопления необходима, в т.ч. когда солнечное излучение вообще отсутствует.

Ежегодная потребность одного человека в горячей воде требует 1500 кВт*ч тепла, а для отопления одного квадратного метра современного жилища - примерно 100 кВт*ч в год. Оборудование объекта гелиосистемой означает появление на объекте дополнительного источника, способного поставлять в систему теплоснабжения от 30 до 70% необходимого тепла. В принципе, это уже само по себе даёт повод к тому, чтобы лишний раз подумать над тем, какой же из источников после этого следует воспринимать в качестве дополнительного.

Если в зимний и летний периоды котёл и гелиосистема поочерёдно принимают на себя основные сезонные функции, то в периоды межсезонья между ними устанавливается плавное взаимодействие. Такое рациональное сочетание не только позволяет существенно разгрузить котёл, но и, что ещё особенно ценно - обеспечивает более мягкий режим его эксплуатации. Оба указанных обстоятельства способствуют тому, чтобы считать, что наличие гелиоустановки создаёт условия для увеличения срока службы и повышает надёжность работы оборудования.

Анализ влияния метеорологических и конструктивных характеристик на эффективность работы гелиосистемы с естественной циркуляцией теплоносителя проводился с целью оценки влияния метеорологических или конструктивных параметров на эффективность работы гелиосистемы при изменении поочередно одного из них.

Для удовлетворения бытовых нужд населения, а также технологических потребностей в горячей воде был выбран следующий диапазон выходных характеристик гелиоустановки; температура потребляемой воды находится в диапазоне 40 -- 500С, при этом термический КПД конкурентноспособной гелиосистемы должен быть не менее 40%.

Проведенные исследования конструктивных и теплотехнических показателей дают основание сделать следующие выводы;

- для подогрева воды до 40 - 500С при КПД не менее 0,4 гелиоколлектором типа Ц.08.ПВХ оптимальные параметры гелиосистемы с естественной циркуляцией теплоносителя должны находиться в следующих пределах; объем воды в баке - 0,05 - 0,085 м3, внутренний диаметр поглощающих труб - 0,012 - 0,03 м, ширина и длина гелиоколлектора, соответственно -- 0,6 - 1 м и 1,7 - 2,5 м, степень поглощения и излучения теплоприемника, соответственно -- 0,77 - 0,96 и 0,7 - 0,82, толщина теплоизоляции корпуса -- 0,012 - 0,03 м;

- теплопроводность материала теплопоглощающей поверхности в предлагаемой конструкции гелиоколлектора не оказывает существенного влияния на эффективность работы гелиосистемы, так как основное влияние на коэффициент теплопроводности оказывает термическое сопротивление воды внутри трубки (80 - 90%) , а термическое сопротивление стенки трубки, которое зависит от теплопроводности материала, значительно меньше 10 - 20%. Следовательно, использование полимерных материалов в качестве теплопоглощающей поверхности не снижает эффективности работы гелиоколлекторов;

- тепловая эффективность тройного остекления выше на S - 10% однослойного и на 4 - 5 % двуслойного. Однако, трехслойное остекление значительно дороже, поэтому в каждом конкретном случае необходимо оценивать экономические показатели различных типов остекления. Для получения более высокой температуры воды в баке гелиосистемы, эффективно ступенчатое остекление, когда в нижней части гелиосистемы (первый ряд гелиоколлекторов) -- одно стекло, в средней, более горячей (второй ряд) - два, в верхней (третий ряд) - три.

С ростом площади и эффективности гелиоколлекторов возрастает эффективность температурной стратификации по секции бака. При этом для каждой площади гелиоколлекторов существует некоторое оптимальное число секций (высота бака), свыше которой эффективность гелиосистемы существенно не возрастает.

Разработанный проект рекомендаций позволяет рассчитать технические характеристики необходимого оборудования на горячее водоснабжение в агрогородках с использованием гелиосистем с естественной циркуляцией.

Установка гелиосистем с естественной циркуляцией в малых сельских городах и агрогородках позволит существенно сократить расход потребления электроэнергии на отопление и горячее водоснабжение, вследствие чего сократятся и коммунальные платежи, что создаст наиболее комфортные условия для населения.

Список использованных источников

1. Государственный кадастр возобновляемых источников энергии // Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь.

2. Китиков В.О. Повышение эффективности автономных сельскохозяйственных гелиоводонагревателей с принудительной циркуляцией теплоносителя за счет применения фотоэлектрических преобразователей. 05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Академия аграрных наук Республики Беларусь Белорусский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства (БелНИИМСХ) Минск. 1996. Стр. 20-25.

3. Климат и средняя погода круглый год в Пинск.

4. Погода в Пинске по месяцам.

5 Климат и средняя погода круглый год на Loshitsa / Minsk International 1

6. Климат и средняя погода круглый год в Орша

7. Pokotilov, V. V. Heliosystems and bioclimatic architecture for Belarus condition / V. V. Pokotilov, S. A. Makarevich, S. A. Zenhanka // CISBAT' 99: Conference Internationale Energie Solaire et Batiment, Lausanne, 22-23 septembre 1999. - EPFL, Batiment LESO. - P. 283-287.

8. Богословский, В. Н. Системы микроклимата экспериментального многоквартирного жилого дома с эффективным использованием энергии (проект для Москвы) / В. Н. Богословский, В. В. Покотилов // Проблемы строительной теплофизики систем микроклимата и энергосбережения в зданиях: четвертая науч.-практ. конф. - М.: Рос. акад. арх-ры и стр-х наук, НИИСФ, 1999. - с. 37-47.

9. Пособие по проектированию и расчету гелиосистем

10. Солнечные технологии.

11. Методы определения потребности промышленных потребителей в паре и горячей воде

12. Методы расчета и проектирования установок солнечного тепло -- и хладоснабжения

13. Нагревательная система с изолированным накопителем и тепловой циркуляцией.

14. Возобновляемые источники энергии

15. Характеристика и расчёт солнечного коллектора

16. Расчет гелиоколлектора

17. Расчет параметров солнечного коллектора

18. Инструкция по проектированию. Гелиоколлекторы фирмы Viessmann - для любых нужд

19. Этиленгликоль или пропиленгликоль что лучше для системы отопления/

20. Проектирование солнечных систем нагрева воды/

21. Солнечные системы горячего водоснабжения и отопления (солнечные термические коллекторы)

22. Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий. Сборник статей Международной научно-практической конференции 25 июня 2018 г.МЦИИ ОМЕГА САЙНС Самара, 201853.

23. Баки-аккумуляторы.

24. Отопление дома с помощью гелиосистемы (гелиоустановки)

25. Солнечные коллекторы

Размещено на Allbest.ru