«Исследовательско - аналитическая работа по теме: Энергосбережение зданий и сооружений с использованием возобновляемых энергетических ресурсов Выполнил: ст. гр. ТВ-515 Ксензов М.В. Основной руководитель: д.т.н., ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт инженерно-экологических систем

Кафедра отопления, вентиляция и кондиционирования

Исследовательско - аналитическая работа по теме:

«Энергосбережение зданий и сооружений с использованием возобновляемых энергетических ресурсов»

Выполнил:

ст. гр. ТВ-515 Ксензов М.В.

Основной руководитель:

д.т.н., профессор, Новгородский Е.Е.

Ростов-на-Дону Содержание Введение…………………………………………………………………...…...….. 1 Солнечные теплоэнергетические установки и системы ………………….... 1.1 Солнечная энергетика. Виды использования солнечной энергии…… 1.2 Солнечные коллекторы и их виды………………………………………. 1.3 Различные варианты размещения солнечных коллекторов…………. Соотношение между выработкой теплоты от гелиоколлекторных 1. установок и потребностью в энергии………………………………….………... 1.5 Аккумулирование солнечной теплоты…………………………….…….. Основные задачи и цели исследования комплексов с 1. возобновляемыми источниками энергии………………………………………. 1.7 Задачи и пути совершенствования гелиосистем……

1.8 Климатические показатели г. Ростова- на – Дону для проектирования гелиоколлекторных систем………………………………………………………. 2 Спальный корпус «Зеленая гостиница» на территории базы отдыха «Эльдорадо» п. Чистоозерный………………………………………….……..… Исходные данные для проектирования гелиоколлекторной 2. системы…………………………………………………………………………...… Сравнительный анализ различных видов солнечных коллекторов 2. для спального корпуса «Зеленая гостиница» на территории базы отдыха «Эльдорадо» в п. Чистоозерный. Выбор оптимального варианта………… 2.3 Габаритные размеры и основные технические характеристики плоского коллектора…………………………………………………………....… 2.4 Конструктивные особенности системы.…………………………….….. Определение производительности и необходимого количества 2. солнечных коллекторов………………………………………………...………… 2.6 Определение срока окупаемости и годовой экономии топлива…..…. 3 Четырехквартирный сблокированный жилой дом г. Ростов-на-Дону…… 3.1 Исходные данные для проектирования системы отопления…….....… 3.2 Теплотехнический расчет ограждающих конструкций………....…..… 3.3 Расчет потерь теплоты через наружные ограждения……………......… 3.4 Гидравлический расчёт трубопроводов системы отопления….…...…. Исходные данные для проектирования гелиоколлекторной 3. системы……………………………………………….………………………..…… 3.6 Расчёт установок солнечного горячего водоснабжения ….……….…... 3.7 Габаритные размеры и основные технические характеристики плоского гелиоколлектора Logasol SKN1.0…………………………..………… Экологический анализ малых энергоэкономичных комплексов с возобновляемыми источниками энергии…………………………………….… 4.1 Ущерб окружающей среде при использовании традиционных энергоресурсов…………………………………………………………….……….. 4.2 Распределение энергоисточников по их негативному воздействию на окружающую среду и оценка экологической чистоты малых энергоэкономичных комплексов………………………………………..….…… Сравнение характеристик энергосистем на возобновляемых 4. источниках энергии и топливных энергоресурсов……………………..…….. Заключение……………………………………………………….…………….…. Список используемых источников………………………………………….…. Приложение А…………………………………………………………………….. Таблица А.1 – Материалы ограждающих конструкций, сопротивление теплопередачи ограждающих конструкций, коэффициент теплопередачи…………………………………………………………….…..…… Таблица А.2 - Расчет потерь теплоты через наружные ограждения, количество и тип отопительных приборов…………………………….……… Таблица А.3 Гидравлический расчёт трубопроводов системы отопления……………………………………………………………………...…… Рисунок А.1 – Расчётная схема дальнего участка…………………………..... Рисунок А.2 – Расчётная схема ближнего участка…………………………… Таблица А.4 – Расчёт солнечной установки для четырехквартирного сблокированного жилого дома в г. Ростов-на-Дону …………………………. Введение Проблеме экономии топливно-энергетических ресурсов уделяется большое внимание во всем мире. В связи с этим особое значение приобретает внедрение энергосберегающих технологий, обеспечивающих снижение энергоемкости и позволяющих решать экологические задачи. В экономике России энергетика играет ведущую роль. Структурная перестройка материального производства и жизнеобеспечение населения требуют развития сферы энергетических услуг.

Энергетическое сотрудничество нашей страны с дальним и ближним зарубежьем дает бюджету значительную часть всех валютных поступлений.

Важным направлением развития энергетики в настоящее время является необходимость существенного повышения эффективности преобразования и использования первичных видов энергии. Одна из наиболее важных задач этого направления- это развитие нетрадиционной и автономной энергетики, а также энергетики возобновляемых источников. Это особенно важно с точки зрения обеспечения всех территорий и всего населения такой обширной страны как Россия.

Расширение возможностей нетрадиционной энергетики, которое имеет место во всех странах, в том числе и в России, позволяет ставить и решать вопросы создания оптимальных источников тепловой энергии как для отдельных потребителей и объектов, так и для районов и для регионов в целом.

Решением этих задач занимались многие зарубежные ученые, такие как Твайделл Дж., Уэйр А, Андерсон Б., Зоколей. С. Танада, Р. Суда., и другие.

Среди современных российских ученых, которые исследуют перспективы развития альтернативной энергетики, являются: Шишкин Н.Д, Лушников О.Г., Соболенко Н.А.,Тягунов М.Г. и многие другие.

Объектом исследования является- энергосбережение зданий и сооружений с использованием возобновляемых энергетических ресурсов, а также решение практических задач на примере использования солнечной энергии для обеспечения зданий горячим водоснабжением спального корпуса «Зеленая гостиница» на территории базы отдыха «Эльдорадо» в п. Чистоозерный и четырехквартирного сблокированного жилого дома в г. Ростов-на-Дону.

Целью работы является:

Разработать наиболее перспективную систему обеспечения зданий горячим водоснабжением, а также проанализировать её работу.

Исходя из данной цели, были поставленные следующие задачи:

- выполнить конструктивный обзор гелиоколлекторов наиболее подходящих для решения поставленной задачи.

- рассмотреть различные варианты размещения и использования солнечных коллекторов.

- выбрать основное направление и пути совершенствование гелиосистем.

- оценить климатические параметры Ростовской области для проектирования гелиоколлекторных установок.

- разработать эффективную систему горячего водоснабжения для базы отдыха «Эльдорадо» в п. Чистоозерный.

- произвести расчет производительности и необходимого количества солнечных коллекторов.

- оценить экономическую эффективность, годовую экономию топлива и рассчитать срок окупаемости.

разработать эффективную систему горячего водоснабжения для четырехквартирного сблокированного жилого дома в г. Ростов-на-Дону.

- произвести расчет солнечной системы, используя два различных метода исследования.

- сравнить полученные результаты, выбрать наиболее оптимальный вариант.

- произвести расчёт срока окупаемости системы и годовой экономии топлива.

- провести сравнительную характеристику энергосистем на возобновляемых источниках и топливных энергоресурсов.

- определить экологическую эффективность использования гелиоколлекторных систем.

Данная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения с таблицами и рисунками. Список литературы включает 59 наименований.

Содержание дипломной работы:

Первая глава работы посвящена обзорным данным по солнечной энергетике.

Рассматриваются виды использования солнечной энергии, конструкции различных солнечных коллекторов. Оцениваются климатические показатели Ростовской области для проектирования гелиоколлекторных систем.

Исследуются перспективы развития солнечной энергетики в России, а также анализируются пути совершенствования гелиоколлекторных установок.

Во второй главе рассматривается подбор гелиоустановки для спального корпуса «Зеленая гостиница» на территории базы отдыха «Эльдорадо» в п.

Чистоозерный. Сравниваются различные виды солнечных коллекторов.

Выбирается наиболее эффективный вариант системы. Приведены соответственные расчёты производительности и необходимого количества солнечных коллекторов, а также расчёт срока окупаемости и годовой экономии топлива.

Третья глава посвящена проработке вопросов, связанных с проектированием энергоэффективной системы горячего водоснабжения четырехквартирного сблокированного жилого дома в г. Ростов-на-Дону. Выполнен расчёт установок солнечного горячего водоснабжения, с использованием двух различных методик расчёта, сравниваются полученные результаты, выбирается оптимальный вариант. Определен срок окупаемости системы, годовая экономия топлива и экономическая эффективность системы.

В четвертой главе приведены данные экологического анализа малых энергоэкономичных комплексов с возобновляемыми источниками энергии и результаты распределения энергоисточников по их негативному воздействию на энергоэкономичных комплексов. Сравниваются характеристики энергосистем на возобновляемых источниках энергии и топливных энергоресурсов.

Практическая значимость исследовательско - аналитической работы заключается в том, что проведенные расчёты, характеристики и сравнения могут быть использованы в дальнейшем при решении задач в области энергоэффективного снабжения зданий с использованием солнечной энергии.

1 Солнечные теплоэнергетические установки и системы 1.1 Солнечная энергетика. Виды использования солнечной энергии.

Солнечная энергетика направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. Солнечная энергетика использует неисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов.

Солнечная радиация может быть преобразована в полезную энергию, используя так называемые активные и пассивные солнечные системы.

Пассивные системы получаются с помощью проектирования зданий и подбора строительных материалов таким образом, чтобы максимально использовать энергию Солнца. К активным солнечным системам относятся солнечные коллекторы. Также в настоящее имеются разработки фотоэлектрических систем это системы, которые преобразовывают солнечную радиацию непосредственно в электричество. [1.1] Пассивное использование солнечной энергии Пассивные солнечные здания - это те, проект которых разработан с максимальным учетом местных климатических условий, и где применяются соответствующие технологии и материалы для обогрева, охлаждения и освещения здания за счет энергии Солнца. К ним относятся традиционные строительные технологии и материалы, такие как изоляция, массивные полы, обращенные к югу окна. Такие жилые помещения могут быть построены в некоторых случаях без дополнительных затрат. В других случаях возникшие при строительстве дополнительные расходы могут быть скомпенсированы снижением энергозатрат. Пассивные солнечные здания являются экологически чистыми, они способствуют созданию энергетической независимости и энергетически сбалансированному будущему.

В пассивной солнечной системе сама конструкция здания выполняет роль коллектора солнечной радиации. Это определение соответствует большинству наиболее простых систем, где теплота сохраняется в здании благодаря ограждающим конструкциям. Есть также системы, где предусмотрены специальные элементы для накопления теплоты, вмонтированные в конструкцию здания. Такие системы также классифицируются как пассивные солнечные. [1.2] Активное использование солнечной энергии Активное использование солнечной энергии осуществляется с помощью солнечных коллекторов и солнечных систем. [1.2] 1.2 Солнечные коллекторы и их виды В основе многих солнечных энергетических систем лежит применение солнечных коллекторов. Коллектор поглощает световую энергию Солнца и преобразует ее в теплоту, которая передается теплоносителю (жидкости или воздуху) и затем используется для обогрева зданий, нагрева воды, производства электричества, сушки сельскохозяйственной продукции или приготовления пищи. Солнечные коллекторы могут применяться практически во всех процессах, использующих теплоту.

Существуют солнечные коллекторы различных размеров и конструкций в зависимости от их применения они могут обеспечивать хозяйство горячей водой для хозяйственно- бытовых нужд, либо использоваться для предварительного нагрева воды для существующих водонагревателей. В настоящее время рынок предлагает множество различных моделей коллекторов.

[1.3] Интегрированные коллекторы одновременно является и теплоаккумулирующим баком, в котором нагревается и хранится "одноразовая" порция воды. Такие коллекторы используются для предварительного нагрева воды, которая затем нагревается до нужной температуры в традиционных установках, например, в газовых колонках. В условиях домашнего хозяйства предварительно подогретая вода поступает в бакнакопитель. Благодаря этому снижается потребление энергии на последующий ее нагрев. Такой коллектор - недорогая альтернатива активной солнечной водонагревательной системе, не использующая движущихся частей (насосов), требующая минимального техобслуживания, с нулевыми эксплуатационными расходам. На рисунке 1.2.1. показан пример исполнения интегрированного коллектора Рисунок 1.2.1 - Интегрированный коллектор Плоские коллекторы Плоские коллекторы - самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах.

Обычно этот коллектор представляет собой теплоизолированный металлический ящик со стеклянной либо пластмассовой крышкой, в который помещена окрашенная в черный цвет пластина абсорбера (поглотителя). Остекление может быть прозрачным либо матовым. В плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа (оно пропускает значительную часть поступающего на коллектор солнечного света).

Солнечный свет попадает на тепловоспринимающую пластину, а благодаря остеклению снижаются потери теплоты. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что сокращает тепловые потери.

Плоские коллекторы делятся на жидкостные и воздушные. Оба вида коллекторов бывают остекленными или неостекленными.

На рисунке 1.2.2. показан пример исполнения плоского коллектора.

Трубчатые вакуумированные коллекторы Традиционные простые плоские солнечные коллекторы были спроектированы для применения в регионах с теплым солнечным климатом. Они резко теряют в эффективности в неблагоприятные дни - в холодную, облачную и ветреную погоду. Более того, вызванные погодными условиями конденсация и влажность приводят к преждевременному износу внутренних материалов, а это, в свою очередь, - к ухудшению эксплуатационных качеств системы и ее поломкам. Эти недостатки устраняются путем использования вакуумированных коллекторов.

Вакуумированные коллекторы нагревают воду для бытового применения там, где нужна вода более высокой температуры. Солнечная радиация проходит сквозь наружную стеклянную трубку, попадает на трубку-поглотитель и превращается в теплоту, которое передается жидкости, протекающей по трубке.

Коллектор состоит из нескольких рядов параллельных стеклянных трубок, к каждой из которых прикреплен трубчатый поглотитель (вместо пластиныпоглотителя в плоских коллекторах) с селективным покрытием. Нагретая содержащейся в баке-накопителе.

Вакуум в стеклянной трубке - лучшая из возможных теплоизоляций для теплоотводящую трубку от неблагоприятных внешних воздействий. Результат отличные рабочие характеристики, превосходящие любой другой вид солнечного коллектора.

На рисунке 1.2.3. показан пример исполнения трубчатого вакуумированного коллектора.

Рисунок 1.2.3 - Трубчатый вакуумированный коллектор Фокусирующие коллекторы Фокусирующие коллекторы (концентраторы) используют зеркальные поверхности для концентрации солнечной энергии на поглотителе, который также называется "теплоприемник". Достигаемая ими температура значительно выше, чем на плоских коллекторах, однако они могут концентрировать только прямое солнечное излучение, что приводит к плохим показателям в туманную или облачную погоду. Зеркальная поверхность фокусирует солнечный свет, отраженный с большой поверхности, на меньшую поверхность абсорбера, благодаря чему достигается высокая температура. В некоторых моделях солнечное излучение концентрируется в фокусной точке, тогда как в других лучи солнца концентрируются вдоль тонкой фокальной линии. Приемник расположен в фокусной точке или вдоль фокальной линии. Жидкостьтеплоноситель проходит через приемник и поглощает теплоту. Такие коллекторы-концентраторы наиболее пригодны для регионов с высокой инсоляцией - расположенных близко к экватору и в пустынных районах.

На рисунке 1.2.4. показан пример исполнения фокусирующего коллектора.

Существуют и другие недорогие технологически несложные солнечные коллекторы узкого назначения - солнечные печи (для приготовления пищи) и солнечные дистилляторы, которые позволяют дешево получить дистиллированную воду практически из любого источника. [1.3 ;1.4] 1.3 Различные варианты размещения солнечных коллекторов.

Использование систем солнечного отопления и охлаждения в существующих домах должно стать одной из первоочередных задач. Это обеспечит не только реальное сокращение потребностей в ископаемом топливе, но и сэкономит значительные денежные средства.

Как и для новых зданий, переоборудование старых может осуществляться на различных уровнях технологической сложности, денежных и энергетических расходов и практического подхода. [1.5] Существуют три основных способа переоборудования зданий:

1. Крепление солнечных коллекторов к существующим или несколько видоизмененным наружным стенам или крышам домов;

2. Установка коллекторов на пристройку к зданию (крыльцо, гараж, новое крыло);

3. Строительство сооружения для размещения солнечных коллекторов отдельно от здания (отдельно стоящий сарай, гараж, амбар или сооружение, построенное исключительно для размещения коллектора).

Размещение солнечных коллекторов применительно к существующим зданиям наглядно показано на рисунке 1.3. 1 - на существующей крыше или стене; 2 - коллектор; 3 - только вертикальные стеновые коллекторы (для широт выше 35°с.ш.); 4 - на пристройке к зданию; 5 на отдельной конструкции.

Рисунок 1.3.1 - Размещение солнечных коллекторов применительно к Во дворах вне дома солнечные коллекторы могут размещаться на отдельно стоящих конструкциях. Пример такого устройства показан на рисунке 1.3. Прохладный воздух из дома отбирается через нижнюю часть окна в солнечный коллектор, а подается обратно в помещение через верхнюю часть окна.

Устройство похоже на оконный кондиционер. Более высокая степень регулирования достигается путем подачи прохладного воздуха в коллектор из одного окна и возврата теплого воздуха в другое.

Рисунок 1.3.2 - Портативный солнечный коллектор воздушного типа, При переоборудовании существующих зданий можно применить быстрый и достаточно дешевый метод установки простых солнечных коллекторов воздушного типа в оконной коробке. На рисунках 1.3.3; 1.3.4; 1.3.5 представлены модификации вертикальных термосифонных солнечных коллекторов. Такие коллекторы предназначены для установки в проемы существующих окон. На рисунке 1.3.3 показана конструкция, прохладный воздух в которой, из помещения, засасывается в солнечный коллектор нагретым воздухом, который из коллектора поступает в помещение.

1 - стена дома; 2 - окно; 3 - теплый воздух; 4 - прохладный воздух; 5 - стекло; 6 коллектор; 7 - фанера; 8 – изоляция.

Рисунок 1.3.3 - Солнечный коллектор, встроенный в оконную коробку.

Вертикальный вариант этой конструкции, показанный на рисунке 2.3.,особенно приемлем для крупных зданий.

1 - существующая стена дома; 2 - существующее окно; 3 - нагретый воздух; 4 прохладный комнатный воздух; 5 - стекло или пластмасса; 6 - черная пластина Рисунок 1.3.4 - Вариант устройства солнечного коллектора в оконной коробке:

Солнечный коллектор в оконной коробке может быть почти любого размера, его эффективность, даже и значительная, основываясь на площади, в действительности будет мала, если размеры коллектора существенно не превышают размеров окна. Если для обеспечения пятидесяти процентной потребности в отоплении требуется солнечный коллектор размером 25...50% от площади пола здания, следовательно, для заметной экономии энергии требуются большие коллекторы.

Вариант коллектора, значительно превышающего размер окна, показан на рисунке 1.3.5.

Рисунок 1.3.5- Солнечный коллектор, значительно превышающий размеры окна.

Простой солнечный обогреватель комнаты:

Ориентация коллектора на юг.

1 - холодная вода; 2 - солнечный коллектор; 3 - солнечная радиация; 4 - горячая вода; 5 - перелив; 6 - стена; 7 - фанера; 8 - изоляция (сухая трава); 9 глинобитная крыша; 10 - джутовая изоляция; 11 - воздушный зазор; 12 отверстие для сообщения с атмосферой и заливки; 13 - кран; 14 - стекловата; 15 бак; 16 - подставка для бака; 17 - дверь.

Рисунок 1.3.6 – Солнечный обогреватель комнаты Как видно из рисунка 1.3.6 солнечный коллектор южной ориентации наклонно опирается на стену здания. Высокий бак с горячей водой без теплоизоляции находится в помещении, примыкая хорошо изолированной стенкой к наружной стене. В результате естественной конвекции вода циркулирует из плоского коллектора в бак и обратно в коллектор. Если в данном климате возможны отрицательные температуры, в воду добавляется антифриз.

Теплоту в помещение бак излучает своей передней стенкой. [1.6] 1.4 Соотношение между выработкой теплоты от гелиоколлекторных установок и потребностью в энергии.

Гелиоколлекторные установки для горячего водоснабжения (ГВС) Нагрев питьевой воды является первоочередной задачей для гелиоколлекторных установок. Постоянная потребность в горячей воде в течение всего года просто согласовывается с количеством поступающей солнечной энергии. Потребность в энергии для ГВС летом может почти полностью обеспечиваться гелиоустановкой. Однако, традиционная система отопления должна иметь возможность покрытия потребности в горячем водоснабжении независимо от солнечного нагрева, так как могут наступать длительные периоды ухудшения погоды, во время которых тоже необходимо обеспечивать комфортное приготовление горячей воды (т. е. в заданное время с заданной температурой и заданным расходом). Нагрев воды с помощью энергии Солнца - очень практичный и экономный способ. В то время, как фотоэлектрические системы достигают эффективности 10-15%, тепловые солнечные системы имеют КПД 50Соотношение между выработкой энергии гелиоколлекторной установкой и продемонстрировано на рисунке 1.4.1.

Гелиоколлекторные установки для ГВС и системы отопления Действовать с точки зрения экономного использования топлива и охраны окружающей среды означает, что применение гелиоколлекторной установки следует планировать не только для приготовления горячей воды, но и для системы отопления. Гелиоустановка может отдавать теплоту только при условии, если температура в обратном трубопроводе отопления ниже температуры в гелиоколлекторах. Поэтому идеальным вариантом является их применение для отопительных приборов с большой площадью нагрева и низкими температурами в системе или для систем напольного отопления.

При условии правильного проектирования и монтаже гелиосистема покрывает до 30 % суммарной годовой потребности в энергии для ГВС и отопления.

Соотношение между выработкой энергии гелиоколлекторной установкой и годовой потребностью в тепловой энергии для ГВС и отопления наглядно продемонстрировано на рисунке 1.4.2.

Соотношение между выработкой энергии гелиоколлекторной установкой и годовой потребностью в тепловой энергии для ГВС Соотношение между выработкой энергии гелиоколлекторной установкой и годовой потребностью в тепловой энергии для ГВС и отопления.

Пояснения к рисункам 1.4.1 и 1.4. “a” - Потребность в энергии (реальный спрос) “b” - Выработка энергии гелиоустановкой.

“M” - Месяц.

“Q” - Тепловая энергия.

- Избыток солнечной энергии (пригодной, например, для нагрева бассейна) - Используемая солнечная энергия (покрытие потребности в энергии за счет Солнца) - Потребность в энергии (использование дополнительного нагрева) Данные представляют собой ориентировочные значения и приведены для определенных условий:

- ориентация фасадов на юг - угол наклона гелиоколлекторов от 35° до 45° [2.1] 1.5 Аккумулирование солнечной теплоты Наиболее важной причиной необходимости аккумулирования теплоты в солнечной энергетической установке является непостоянство сияния Солнца и постоянная потребность в энергии. Кроме того, при наличии Солнца, как правило, поступает больше энергии, чем требуется, и поэтому, накопив энергию, её можно использовать в дальнейшем, когда солнца нет.

При проектировании аккумулятора солнечной теплоты необходимо соизмерять стоимость с рабочими характеристиками. Некоторыми решающими факторами стоимости являются:

- выбор теплоаккумулирующей среды для теплового аккумулятора, которой могут служить, например камни, вода.

- необходимое количество этой теплоаккумулирующей среды.

- размещение теплового аккумулятора либо в отапливаемом помещении, либо вне его.

- тип и размеры контейнера для аккумулирующей среды.

- теплообменники, если необходимо, для передачи или отбора теплоты от рабочего тела и механическое устройство для перемещения теплоаккумулирующей среды через аккумулятор или теплообменник.

Кроме этих факторов рабочие характеристики также зависят от средней рабочей температуры, падения давления теплоносителя, движущегося через теплоаккумулирующую среду, и от потерь теплоты контейнером в окружающую среду.

В таблице 1.5.1 приводятся теплоаккумулирующие способности нескольких распространенных материалов [1.3;1.9;1.21]:

Таблица 1.5.1 - Теплоаккумулирующие способности материалов возобновляемыми источниками энергии.

структурообразования и функционирования энергосистем различных объектов на основе альтернативных источников, интегрированных в едином малом энергоэкономичном комплексе.

Одной из главных задач в рамках указанной проблемы является создание для различных типов централизованных, полуавтономных и полностью автономных промышленные и сельскохозяйственные здания, санатории, туристические комплексы и др.

Основные цели исследования в рамках указанной проблемы можно свести к следующим:

1. Создание новых высокоэффективных технологий преобразования возобновляемых источников энергии в тепловую и электрическую энергию.

Разработка на их основе устройства и принципа действия новых типов трансформаторов (преобразователей) для гелиоустановок.

2. Создание структурно- функциональных моделей малых энергоэкономичных комплексов с возобновляемыми источниками энергии для водо-, тепло- и электроснабжения различных объектов.

3. Энергетическая оптимизация, позволяющая свести к минимуму потери энергии в процессе её преобразования и аккумулирования.

4. Экономическая оптимизация, позволяющая найти вариант с минимальными затратами на водо-, тепло- и электроснабжение.

5. Экологическая оптимизация, позволяющая свести к минимуму негативное влияние энергоустановок на окружающую среду [1.9,1.20] 1.7 Задачи и пути совершенствования гелиосистем Гелиоколлектор – основной элемент в системе. От эффективности его работы, в конечном счёте, зависит эффективность работы системы в целом.

Вопросу совершенствования гелиоколлекторов посвящено большинство теоретических и экспериментальных работ по гелиотехнике. [1.10] гелиоколлекторов связано с усложнением их конструкции и удорожанием, что отрицательно сказывается на технико- экономических параметрах гелиосистем и является основным сдерживающим фактором их широкого применения. Так, например, капитальные затраты на плоские гелиоколлекторы, применяемые в системах теплоснабжения, в зависимости от их конструктивного исполнения (наличия остекления, селективного покрытия и т.д) могут отличатся в 2-5 раз.

При этом гелиоколлектор, имеющий больший КПД, может быть менее экономичным, чем более простой, имеющий меньший КПД. Следует отметить, что достаточно дорогостоящие селективные покрытия гелиоколлектора эффективности его работы. [1.11] Анализ данных по технико- экономическим показателям существующих типов гелиоустановок с насосной циркуляцией показывает, что срок окупаемости их, как правило, ненамного меньше, чем срок эксплуатации, а себестоимость тепловой энергии, получаемой из солнечной, практически равна себестоимости тепловой энергии, получаемой при использовании топливноэнергетических ресурсов. [1.12, 1.13] Рассмотрим сначала конструктивные особенности и недостатки известных типов гелиоустановок:

многоступенчатыми коллекторами, выполненными из однородных элементов термосифонного типа или с насосной станцией.

- гравитационные (самотечные) гелиоустановки, с одноступенчатыми или многоступенчатыми коллекторами, выполненных из однородных элементов.

изготовленных из разнородных материалов.

Наиболее широкое применение в настоящее время получили гелиоустановки термосифонного типа, целиком изготовленных из однородных элементов.

Установка показана на рисунке 1.7. 1- гелиоколлектор; 2- циркуляционный трубопровод; 3- бака- аккумулятор Рисунок 1.7.1 – Циркуляционная гелиоустановка термосифонного типа с В нижнюю часть бака- аккумулятора подаётся холодная вода и из верхней части забирается горячая вода. В таких установках для обеспечения процесса термосифонной циркуляции бак- аккумулятор должен обязательно находиться выше гелиоколлектора.

Эти установки могут обеспечить горячей водой лишь небольшие объекты (малоэтажные жилые дома, фермерские хозяйства и др.) Для обеспечения крупных потребителей (многоэтажных жилых и административных зданий, санаториев, крупных животноводческих ферм и др.) применяются циркуляционные гелиоустановки с многоступенчатым гелиоколлектором, выполненным из однородных элементов с насосной циркуляцией. Установка показана на рисунке 1.7.2.

1 - многоступенчатый гелиоколлектор; 2 - циркуляционный трубопровод; 3 - бакаккумулятор; 4 - циркуляционный насос.

Рисунок 1.7.2 – Циркуляционная гелиоустановка с насосной циркуляцией с многоступенчатым гелиоколлектором, изготовленным из однородных элементов.

В этом случае бак- аккумулятор может располагаться ниже многоступенчатого гелиоколлектора, выполненного из однородных элементов, а циркуляция теплоносителя по циркуляционному трубопроводу обеспечивается за счёт насоса.

Общим недостатком циркуляционных гелиоустановок с одноступенчатым или многоступенчатым гелиоколлектором, выполненных из однородных элементов, термосифонного типа или с насосной циркуляцией является то, что гелиоколлектор целиком должен быть выполнен из достаточно дорогих элементов, которые смогут за счёт многократной циркуляции теплоносителя повысить температуру на 20- 40 °С.

Гравитационная (самотечная) гелиоустановка, с одноступенчатым или многоступенчатым коллектором, выполненным из однородных элементов показана на рисунке 1.7. 1- гелиоколлектор; 2 - самотечный трубопровод; 3 - бак- аккумулятор; 4 расходный бак холодной воды; 5 – регулирующее устройство.

Рисунок 1.7.3 – Гравитационная (самотечная) гелиоустановка с гелиоколлектором, выполненным из однородных материалов.

Такая гелиоустановка содержит последовательно расположенные расходный бак холодной воды с поплавковым регулятором уровня, гелиоколлектор, на выходе из которого установлен вентиль, а ниже располагается бак- аккумулятор, в который по самотечному трубопроводу, поступает нагретая вода, что обеспечивает поступление воды самотеком без использования насосов [1.13; 1.14] Основными недостатками этого типа гелиоустановок являются: большие капитальные затраты, связанные с тем, что гелиоколлектор целиком выполнен из дорогостоящих элементов, позволяющих нагреть воду до требуемой температуры, а также невозможность надежной работы, так как получение нагретой воды с заданной температурой, невозможно с помощью устройства, регулирующего расход.

Известен также тип циркуляционных гелиоустановок с многоступенчатыми гелиоколлекторами, изготовленных из разнородных материалов. Такая установка показана на рисунке 1.7. 1 – гелиоколлектор; 2 - циркуляционный трубопровод; 3 – бак- аккумулятор; 4 перфорированные перегородки; 5 – циркуляционный насос.

Рисунок 1.7.4 – Трёхконтурная циркуляционная установка с насосной циркуляцией в каждом из контуров и с трехступенчатым гелиоколлектором, Такая гелиоустановка состоит из многоступенчатого гелиоколлектора, каждая ступень которого имеет принудительную циркуляцию, и связана с одной из температурных зон трехступенчатого (трехзонного) бака- аккумулятора, имеющего перфорированные перегородки. В нижнюю зону бака- аккумулятора подаётся холодная вода из расходного бака, горячая вода забирается из верхней зоны.

Первая ступень состоит из элементов с неселективной поверхностью, теплоизоляцией и одинарным остеклением. Вторая ступень состоит из таких же элементов с двойным остеклением. Третья ступень состоит из элементов с селективной поверхностью, теплоизоляцией и двойным остеклением. [1.15] Основными недостатками этой установки являются:

- большие эксплуатационные затраты на привод нескольких циркуляционных насосов;

- большие капитальные затраты на дорогостоящие элементы гелиоколлектора, достаточно высокого бака – аккумулятора, необходимого для создания трех характерных температурных зон, и сложную систему регулирования расхода в каждом из циркуляционных контуров;

- низкая надежность работы, так как даже при кратковременном отключении электроэнергии прекращается циркуляция воды в контурах, что может привести к значительному перегреву и разрушению гелиоколлектора.

Таким образом, известные типы гелиоустановок, как с одноступенчатыми, так и с многоступенчатыми гелиоколлекторами, обладают весьма существенными недостатками, которые препятствуют их широкому применению.

В этой связи актуальным представляется поиск таких технологий и таких конструктивных решений, который сочетали бы высокую эффективность работы гелиоколлектора с малыми затратами на него и, следовательно, на гелиоустановку в целом.

1.8 Климатические показатели г. Ростова- на – Дону для проектирования гелиоколлекторных систем.

Производительность системы во многом зависит от параметров солнечного излучения в конкретном регионе России.

Данные по температуре и осадкам г. Ростова- на –Дону сведены в таблицу 1.8.1 и показаны на диаграмме 1.8.2 [2.11] Таблица 1.8.1 - Температура и осадки г. Ростова- на – Дону в течении года.

максимум, °C максимум, °C температура, минимум, °C минимум, °C осадков, мм Диаграмма 1.8.2 - Температура г. Ростова - на – Дону в течение года.

Температура °С Географические координаты города Ростов на Дону : широта 47°, долгота 39°.

Продолжительность солнечного сияния в г. Ростов- на – Дону более 2000 ч/ год Интенсивность солнечной радиации для Ростовской области позволяет достигнуть высоких показателей продуктивности солнечных коллекторов.

Температурные показатели также являются оптимальными для проектирования гелиоколлекторных установок.

2 Спальный корпус «Зеленая гостиница» на территории базы отдыха «Эльдорадо» п. Чистоозерный.

2. 1 Исходные данные для проектирования гелиоколлекторной системы:

Месторасположение объекта Ростовская область, Каменск-Шахтинский Назначение гелиоустановки Горячее водоснабжение в летнее, осеннее и Продолжительность С апреля по сентябрь (включительно) использования горячей воды воды в сутки (литры) Свободная площадь для установки коллекторов с ориентацией кровли на Юг (м) 2.2 Сравнительный анализ различных видов солнечных коллекторов для спального корпуса «Зеленая гостиница» на территории базы отдыха «Эльдорадо» в п. Чистоозерный. Выбор оптимального варианта.

Продолжительность солнечного сияния в г. Ростов- на – Дону и Ростовской области более 2000 ч/ год Интенсивность солнечной радиации для Ростовской области позволяет достигнуть высоких показателей продуктивности солнечных коллекторов.

Температурные показатели также являются оптимальными для проектирования гелиоколлекторных установок. Очевидно, что если суметь использовать хотя бы часть этой бесплатной солнечной энергии для горячего водоснабжения, то можно получить значительную экономию.

Рассмотрим несколько вариантов систем, с помощью которых можно добиться максимальной эффективности при получении горячей воды.

2.2.1 Горячая вода с помощью нагревательного бака Самой простой системой для солнечного водоснабжения дома является нагревательный бак. Это просто ёмкость для воды, которая греется днём солнечными лучами. Тем не менее, такой простейший солнечный нагреватель очень эффективен для снабжения тёплой водой в летнее время и получил широкое применение для так называемого «летнего душа».

На рисунке 2.2.1.1. показан пример исполнения нагревательного бака Если нагревательный бак укомплектовать резервуаром для хранения теплой воды, то можно получить ещё более эффективную солнечную нагревательную установку, которая будет снабжать тёплой водой летом и окупится за пару сезонов.

Рассмотрим такой солнечный водонагреватель подробнее.

Самой важной частью солнечной системы, конечно, является сам нагревательный бак. Это может быть любая емкость для воды, например, стальной куб, бочка или несколько труб большого диаметра.

Лучше всего использовать для этой цели специальный бак для летнего душа из полиэтилена объёмом 200-300 литров. Такой бак имеет рациональную для нагрева плоскую форму, не ржавеет, окрашен в чёрный цвет для лучшего теплопоглощения и ввиду небольшого веса легко монтируется на крышу.

Если такой бак просто положить под прямые солнечные лучи, то в жаркий солнечный день вода в нём нагревается к концу дня до 40-45 С, чего вполне достаточно для бытовых нужд. Но если теплую воду не израсходовать вечером, то за ночь, к утру она остынет. Таким образом, тёплую воду невозможно использовать круглосуточно. Очевидно, для устранения этого недостатка нужно «остановить» потери теплоты от нагретой воды. Это можно сделать либо утеплением нагревательного бака в конце дня, либо сливом тёплой воды в утеплённую ёмкость.

Учитывая, что большинство частных домашних хозяйств используют газовые и электрические бойлеры, то выгодно использовать их для хранения тёплой воды из нагревательного бака. Так же в отличие от утепления нагревательного бака, процесс слива менее трудоёмкий, не нужно подниматься к месту установки бака.

Более того, поскольку в пасмурный день вода в нагревательном баке нагревается лишь до 25-30 С, её в любом случае придётся догревать.

На рисунке 2.3.1.2 изображена схема работы простейшей системы для подогрева воды солнцем. Водонагревательная система состоит из нагревательного бака, бойлера, а так же водопровода с тремя кранами. Сначала закрывается кран (3), кран (1) и (2) открыты. Вода из напорного водопровода подаётся в нагревательный бак. После наполнения бака, напорный водопровод закрывается краном (1). В конце дня, когда вода в нагревательном баке нагреется и её нужно будет слить в бойлер, для этого открывается кран (3).Если же нагревательный бак не нужно использовать, то можно просто закрыть кран (2) и бойлер используется в обычном режиме.

Рисунок 2.3.1.2 - Схема работы простейшей системы для подогрева воды Степень наполнения бака удобно контролировать датчиком уровня воды, который можно закрепить на крышке бака. Для водопровода хорошо подойдут металлопластиковые или полипропиленовые трубы для холодной воды (поскольку в системе низкое давление).

Такой способ подогрева воды чрезвычайно прост, но у него есть два серьёзных недостатка:

– необходимо ежедневно наполнять и сливать нагревательный бак;

– получить подогретую воду можно только при тёплой погоде, при температуре воздуха выше +20 С.[1.18] 2.2.2 Пассивный солнечный водонагреватель Следующий тип системы, который будет рассмотрен – это пассивный солнечный водонагреватель. На рисунке 2.2.2.1. показан пример исполнения пассивного солнечного водонагревателя Рисунок 2.2.2.1 - Пассивный солнечный водонагреватель Чтобы подогревать воду солнечным теплом не только в теплую погоду, но и в более прохладное межсезонье (март, апрель, сентябрь, октябрь), нагревательный бак не может быть использован из-за слишком высоких теплопотерь. Для этого его придётся заменить более эффективным солнечным коллектором. Рассмотрим максимально простую и удобную пассивную систему солнечного водонагревателя, то есть такую, которая работает сама по себе без использования насоса.

Прежде всего, нужно сделать солнечный коллектор. Если проанализировать множество известных конструкций солнечных коллекторов, то можно прийти к выводу, что определяющим фактором для надёжности, стоимости и простоты сборки солнечного коллектора является материал его теплообменника. Самыми надёжными считаются металлические трубы, например, тонкостенные медные или стальные, но они стоят дорого, а их сборка трудоёмка. К тому же теплообменник с металлическими трубами обладает значительным весом, что требует прочного короба и усложняет установку.

Более удобны и дешевы теплообменники из полипропиленовых и металлопластиковых труб, но термические деформации при нагревании солнцем и большое количество соединений, увеличивает вероятность протечки и так же повышает трудоёмкость при сборке.

Всех этих недостатков лишен теплообменник из садового шланга. На рисунке 2.2.2.2. показан пример теплообменника из садового шланга. Его сборка заключается лишь в том, что шланг нужно скрутить в виде спирали. Отсутствие соединений и гибкость шланга гарантирует отсутствие протечек, а длина шланг позволяет подвести воду непосредственно от коллектора к трубопроводу внутри дома без промежуточных соединений. Простейший солнечный коллектор из садового шланга показан на рисунке 2.2.2. Рисунок 2.2.2.2 - Пример теплообменника из садового шланга Рисунок 2.2.2.3 - Солнечный коллектор на основе садового шланга. Он состоит из оконного стекла (1), шланга (2) и пенопласта в качестве теплоизоляции и основы (3). Принцип его работы очень прост – коротковолновое солнечное излучение проходит через стекло, нагревает шланг с водой. От нагретого шланга начинается излучение уже длинноволнового спектра, которое значительно отражается стеклом. Таким образом, солнечные лучи попадают в так называемую «тепловую ловушку». При установке солнечного коллектора оптимальный угол наклона будет 35 летом и 40 весной-осенью.

На рисунке 2.2.2.4 показана схема подключения солнечного коллектора к бойлеру. Перед началом нагревания воды солнечным коллектором необходимо заполнить шланг водой и вытеснить из него воздух. Для этого закрывается кран (2) и для слива воды открывается горячий кран сантехнического прибора (6).

Вода из напорного водопровода (1) начинает поступать в солнечный коллектор (4). После того как в сливной воде перестанут подмешиваться пузырьки воздуха, значит – в коллекторе воздушных пробок нет. Далее открывается кран 2 и холодная вода из бойлера под действием термосифонного эффекта (при нагревании коллектора солнцем) начинает перетекать в коллектор. Для отключения солнечного коллектора и использования нагретой воды или работы бойлера в обычном режиме нужно закрыть кран (3).

Рисунок 2.2.2.4 - Схема подключения солнечного коллектора к бойлеру.

Как видно из описания работы системы, эксплуатация не требует сложного и дорого оборудования, единственный минус такой простой системы это то, что нужно периодически включать и отключать подачу воды в солнечный коллектор краном (3). При пасмурной погоде нагрев воды таким солнечным коллектором происходит частично, остальную часть будет «догревать» бойлер, что всё равно даёт экономию. Учитывайте при этом, что при пасмурной погоде или в межсезонье бойлер должен будет включаться на нагрев в конце дня, то есть когда вода в коллекторе уже не нагревается. Иначе при нагревании воды в коллекторе ТЭН’ом она перестанет циркулировать.[1.20] Учитывая все плюсы и минусы этих систем, простоту монтажа, изначальных капитальных и эксплуатационных затрат, а также габариты кровли, на которой планируется установка коллекторов, было принято решение рассматривать, в качестве системы для получения горячей воды - систему на основе садового шланга.

2.3 Конструктивные особенности системы Нижняя граница наружной температуры воздуха, при которой наблюдается экономия при ясной погоде, будет +5 до +8 С. При заморозках воду из коллектора необходимо сливать, для того, чтобы исключить замерзание системы.

Шланг для такого солнечного водонагревателя подойдёт из резины или армированный из ПВХ. Внутренний диаметр шланга не должен быть менее мм, можно и больше. Но если диаметр будет меньше, то значительно повышается гидравлическое сопротивление системы, что замедляет естественное перемешивание воды за счёт термосифонного эффекта. Так же, не желательно выбирать шланг с толщиной стенки менее 1,5 мм, так как шланг с тонкими стенками плохо держит форму и часто перегибается. Садовый шланг не дорог.

Так, армированный шланг из ПВХ с внутренним диаметром 19 мм и толщиной стенки 3 мм в зависимости от производителя стоит от 25 рублей за метр.

Предпочтительно выбирать шлаг черного цвета или темных тонов для лучшего теплоусвоения.

Для перемешивания воды с помощью термосифонного эффекта сама форма шланга не имеет значения, поскольку вода в шланге равномерно прогрета, важна разница уровней между холодной водой в бойлере и горячей водой в коллекторе.

Поэтому для возникновения устойчивого термосифонного эффекта бойлер должен быть приподнят над верхней частью солнечного коллектора по крайне мере на 60 см. Так же нужно стараться максимально уменьшить длину подводящего трубопровода, поскольку, чем длиннее трубы, тем больше сила трения, которая препятствует перетеканию воды из коллектора в накопитель (бойлер). Так же возможно система с принудительной циркуляцией, тогда разница между бойлером и коллектором не имеет значения.

Чтобы снизить теплопотери конвенцией, задняя часть шланга утеплена пенопластом. Так же надо загерметизировать зазор между стеклом и пенопластом. Для этого можно подложить между стеклом и пенопластом мягкую прокладку из поролона или склеить стекло и пенопласт клеем на водной основе (клеи с органическим растворителем могут растворить пенопласт). Например, можно использовать клей для пенопласта или клей ПВА.

Для фиксирования формы шланга солнечного нагревателя в виде спирали, он привязывается к какой либо трубке или бруску. Чтобы закрепить его на пенопласте его достаточно просто привязать.

Стекло обязательно нужно использовать оконное. Органическое стекло или полимерная плёнка не подойдут, так как они очень плохо задерживают длинноволновое излучение. Между стеклом и поверхностью шланга должен быть зазор 12-20 мм. На стекле не должно быть отражающих селективных покрытий, такое стекло отражает значительную часть солнечного излучения.

Что касается выбора между одинарным и двойным остеклением, учитывается два фактора. При двойном остеклении меньше теплопотери, но больше коэффициент отражения солнечного света. А поскольку чем выше температура окружающего воздуха, тем меньше теплопотери, то получается:

– если солнечный нагреватель будет использоваться преимущественно в тёплое время года, то лучше одинарное остекления;

– если же в прохладное, то тогда выгоднее становится двойное.

В нашем случае применяется одинарное остекление, т.к установка будет использоваться для горячего водоснабжение в теплое время года.

Выводы шланга, которые выходят наружу, для снижения теплопотерь нужно теплоизолировать. Для теплоизоляции внутри отапливаемого помещения и при протяжении водопроводов не более 3 м достаточно использовать обычную мягкую теплоизоляцию из пенополиэтилена для труб.

Для более протяженных участков, а так же для теплоизоляции наружных трубопроводов нужно использовать более мощную жесткую теплоизоляцию для труб из фольгированного пенополиуретана.

Подсоединять шланг к трубопроводу можно с помощью хомута для резиновых труб, для этого шланг туго надевается на трубу и зажимается хомутом. Оптимально, чтобы внутренний диаметр шланга был равен диаметру трубы, на которую он будет надеваться.

Произведенные расчеты позволяют сделать вывод о том, что внедрение солнечной установки для горячего водоснабжения на данном объекте- это рациональное и энергоэффективное решение, которое после своей окупаемости будет работать на экономию денежных средств. Описанная конструкция пассивного солнечного нагревателя с коллектором может сэкономить до 80% энергии для горячего водоснабжения летом и до 40% весной и осенью, что за год составит около 400 кВт·час сэкономленной энергии на одного человека.

Будет снижено потребление газа, а следовательно сократиться выброс вредных веществ в атмосферу. [1.20] 2.4 Габаритные размеры и основные технические характеристики плоского коллектора.

Основные размеры и технические характеристики коллектора представлены на рисунках 2.4.1; 2.4.2 и таблице 2.4. Рисунок 2.4.1 – Размеры солнечного коллектора на основе садового шланга Таблица 2.4.1 – Технические данные коллектора (площадь брутто) (площадь проникновения света) (при условии 10 часовой инсоляции в сутки) 2.5 Определение производительности и необходимого количества солнечных коллекторов.

Для расчёта необходимой производительности солнечного нагревателя нужно учитывать, что 1 метр шланга наружным 25 мм ясным днём при +25 С нагревает 3,5 литра горячей (до + 45 С) воды. А при +32 С нагревает 3,5 литра горячей до + 50 С. (данные получены эмпирическим путем) Количество солнечных часов на протяжении дня для г. Каменск- Шахтинский указанно в таблице 2.5.1.[2.12] Таблица 2.5.1 Количество солнечных часов на протяжении дня для г. КаменскШахтинский Следовательно, для расчёта количества получаемой горячей воды в день можем использовать формулу (2.5.1):

где, V – количество воды в 1 м. шланга 25 мм, равное 3,5 литрам.

t- количество солнечных часов в день, в определенный месяц. (ч) Например, при длине шланга в коллекторе 10 м в мае производительность солнечного коллектора составит 3,5л·10м·9ч = 315 литров горячей воды в день.

В нашем случае - необходимое количество горячей воды в сутки для базы отдыха «Эльдорадо» - 2200 литров, исходя из того, что количество проживающих 44 человека и на одного человека приходится 50 л/сутки.

Продолжительность использования горячей воды- с апреля по сентябрь (включительно) Следовательно, нужно определить длину шланга для обеспечения заданной производительности установки. Используя формулу (2.5.1), можем определить необходимое количество шланга (м). Расчёт производится для месяца с наименьшим количеством солнечных дней, чтобы обеспечить требуемую производительность.[1.20] Необходимая длина составит:

Учитывая, что габаритные размеры одного коллектора- 1х1 м, и тот факт, что в один коллектор помещается 11 метров шланга, следует, что необходимое количество коллекторов составит 10 шт.

2.6 Определение срока окупаемости и годовой экономии топлива.

Годовая экономия топлива, т у.т., обеспечиваемая использованием солнечной энергии, определяется по формуле (2.6.1):

,где f год - годовая степень замещения., равная 0.5.

Qн - годовая нагрузка теплоснабжения, Дж/год., равная 114 400.

Qт - теплота сгорания топлива, отнесенная к 1 т. условного топлива., равная 29,3 кДж/т.у.т.

т.г -КПД теплогенерирующей установки, равный 0, Годовая экономия в руб., определяется по формуле (2.6.2):

,где Ст - стоимость тепловой энергии за 1 ГДж, руб., равная f год - степень замещения установки годовая, равная 0, т.г - КПД теплогенерирующей установки, равный 0, Срок окупаемости гелиосистемы, годы, определен по формуле (2.6.3):[1.7],где С гс - удельные затраты на гелиосистему, отнесенные к 1м площади поверхности коллектора., руб/м., равные Fк - необходимая площадь поверхности коллекторов. м 3 Четырехквартирный сблокированный жилой дом г. Ростов-наДону 3.1 Исходные данные для проектирования отопления:

Месторасположение объекта г. Ростов - на- дону ; ул. Шаповалова Параметры наружного воздуха:

пятидневки (обеспеченностью 0,92), text, oС отопительного периода, tht C отопительного периода,zht, сут света параметрами C перекрытия, м Конструкция стен, окон и Указано в Приложении А, Таблице А. перекрытий Источник теплоты для системы Индивидуальная внутридомовая котельная отопления ГВС 3.2 Теплотехнический расчет ограждающих конструкций Цель расчета – определить сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции Rо, м2 · 0С/Вт, в соответствии с требованиями СНиП 23-02- «Тепловая защита зданий» [2.3] и найти необходимую толщину слоя утеплителя.

Приведенное сопротивление теплопередаче Rо, м2·С/Вт, было принято не менее требуемых значений, Rreq, по таблице 4 - СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий»[2.3], в зависимости от градусо – суток отопительного периода Dd, °С·сут.

Значения Rreq для величин Dd, определил по формуле (3.2.1):

где Dd - градусо-сутки отопительного периода, °С·сут, для Ростова-на-Дону;

a, b - коэффициенты, значения которых были приняты по данным таблицы Градусо-сутки отопительного периода Dd, °С·сут, для Ростова- на Дону определил по формуле (3.2.2):

где tint — расчетная средняя температура внутреннего воздуха здания, °С, принимаемая для расчета ограждающих конструкций группы зданий соответствующих зданий по ГОСТ 30494 «Здания жилые и общественные параметры микроклимата» [2.15];

tht, zht — средняя температура наружного воздуха, °С, и продолжительность, сут, отопительного периода, принимаемые по [2.16]; для периода со средней суточной температурой наружного воздуха не более 8 °С.

Приведенное сопротивление теплопередаче Rо, м2·С/Вт – 3, Затем определил коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·°С):

Сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, а также коэффициент теплопередачи ограждающей конструкции указаны в Приложении А, Таблице А.1.

3.3 Расчет потерь теплоты через наружные ограждения Трансмиссионные потери теплоты через наружные ограждения, то есть потери теплоты за счет теплопередачи, определяются отдельно для каждого ограждения рассчитываемого помещения. Согласно приложению 9 [2.2], для расчета используется формула (3.3.1):

где А – расчетная площадь ограждающей конструкции, м2;

Rо –сопротивление теплопередаче ограждающей конструкции, м2·0С/Вт;

tв – расчетная температура воздуха в помещении, 0С;

tн – расчетная температура наружного воздуха, С, принимаемая как температура холодного периода по параметрам Б (температура наиболее холодной пятидневки);

– добавочные потери теплоты в долях от основных потерь;

n – коэффициент, принимаемый в зависимости от положения наружной поверхности ограждающих конструкций по отношению к наружному воздуху (этот коэффициент уменьшает расчетную разность температур, если ограждение не соприкасается непосредственно с наружным воздухом).

Для удобства вычислений формулу (3.3.1) можно изменить и вместо сопротивления теплопередаче ввести коэффициент теплопередачи. Тогда она приобретает вид:

Вт/(м20С);

tв и tн – соответственно температура внутреннего и наружного воздуха, 0С.

Добавочные потери теплоты через ограждающие конструкции приняты в долях от основных потерь:

а) в помещениях любого назначения через наружные вертикальные и наклонные стены, двери, окна, обращенные на север, восток, северо-восток и северо-запад, в размере 0,05;

в угловых помещениях дополнительно – по 0,05 на каждую стену, дверь и окно, если одно из ограждений обращено на север, восток, северо-восток и северо-запад и 0,1 – в других случаях;

б) через не обогреваемые полы первого этажа над холодными подпольями зданий = 0,05, в) через наружные двери без воздушных или воздушно-тепловых завес в размере:

0,22Н – для ординарных дверей;

0,34Н – для дверей без тамбура;

0,27Н – для двойных дверей с тамбуром между ними;

0,2Н – для тройных дверей с двумя тамбурами.

Здесь Н – высота здания, м, определяемая от уровня земли до верха карниза или устья шахты.

Расчет потерь теплоты через наружные ограждения, количество и тип отопительных приборов представлен в Приложении А, Таблице А. 3.4 Гидравлический расчёт трубопроводов системы отопления действующая в системе разность давлений (насосного и естественного) полностью расходуется на преодоление гидравлического сопротивления движению воды в циркуляционных кольцах. Целью этого расчета является определение диаметров трубопроводов всех участков системы отопления таким образом, чтобы при заданном располагаемом давлении было обеспечено отопительный прибор.

Потери давления на участках были определены способом удельных линейных потерь давления на трение по формуле 3.4.1:

,где R - удельная линейная потеря давления на трение, Па/м; L - длина участка, м; Z- потери давления на местных сопротивлениях на участке. Удельная линейная потеря давления на трение определяется по формуле (3.4.2):

,где - коэффициент гидравлического трения; d - диаметр трубопровода, м;

v - скорость движения теплоносителя, м/с; р - плотность теплоносителя, (ламинарного или турбулентного) жидкости в трубопроводах, определяемого значением критерия Рейнольдса, формула 3.4.3.

,где V - кинематическая вязкость жидкости, изменяющаяся в зависимости от температуры и концентрации растворенного вещества для водных растворов, м/с При турбулентном режиме движения жидкости (Re > 3000) различают несколько областей сопротивлений:

а) область гидравлически гладких труб, коэффициент сопротивления трения зависит только от значения критерия Рейнольдса;

б) переходная область, коэффициент сопротивления трения зависит от значения критерия Рейнольдса и от величины относительной эквивалентной шероховатости в) область гидравлически шероховатых труб (квадратичная область). Коэффициент сопротивления трения зависит только от величины относительной эквивалентной шероховатости Определяется сумма коэффициентов местных сопротивлений на каждом рассчитываемом участке.

Потери давления на местных сопротивлениях определены по формуле 3.4.4:

,где - сумма коэффициентов местных сопротивлений.

Полные потери давления определяются на каждом участке, складывая потери давления на трение по длине участка Rl и потери давления в местных сопротивлениях Z. Потери давления всего циркуляционного кольца будут равны сумме потерь давления на всех участка, т.е. (Rl+Z).

Правильность гидравлического расчёта проверяется исходя из условия, что суммарные потери давления в циркуляционных кольцах (без учёта потерь давления в общих участках) не должны отличаться друг от друга более чем на %. Суммарные потери давления дальнего и ближнего стояках (без учета потери давления в общих участках) соотносятся между собой по формуле (3.4.5):

Суммарные потери давления в дальнем участке: 3370 Па Суммарные потери давления в ближнем участке: 3290 Па Невязка между участками составляет 3 %, следовательно, расчёт выполнен верно.

Гидравлический расчёт трубопроводов системы отопления, а также расчётные схемы участков представлены в Приложении А, Таблице А.3 и Рисунках А.1; А. 3.5 Исходные данные для проектирования гелиоколлекторной системы:

Месторасположение объекта г. Ростов - на- дону ; ул. Шаповалова Назначение гелиоустановки Горячее водоснабжение в летнее, осеннее и воды в сутки (литры) Географические координаты Широта 47, долгота Свободная площадь для установки коллекторов с ориентацией кровли на Юг (м) 3.6 Расчёт установок солнечного горячего водоснабжения.

Для расчёта солнечного водоснабжения используется две методики расчета.

Методика № 3.6.1 Оценка располагаемого количества солнечной энергии МДж/(м·день), поступающая на наклонную поверхность, определяется по формуле (3.6.1.1):

Е - среднемесячное дневное количество суммарного солнечного,где излучения, поступающего на горизонтальную поверхность, МДж//(м·день).

R - отношение среднемесячных дневных количеств солнечной радиации, поступающих на наклонную и горизонтальную поверхности.

Для наклонной поверхности с южной ориентацией, формула (3.6.1.2):

,где Е д - среднемесячное дневное количество рассеянной солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, МДж//(м·день) R п - коэффициент перерасчёта прямого излучения с горизонтальной на наклонную поверхность - угол наклона коллектора к горизонту, град.

p - коэффициент отражения для подстилающей поверхности Земли.

Обычно летом равен 0,2.

Среднемесячная величина R п, определяется по формуле (3.6.1.3),где - широта местности, град.

- склонение Солнца, град.

3 ;3/ - часовой угол захода Солнца на горизонтальной и наклонной поверхности, град.

Часовой гол захода(восхода) Солнца для поверхности, определен по формулам:

В качестве 3 принимается меньшая из двух величин, указанных в фигурных скобках.

На рисунке 3.6.1.1 показаны основные углы, используемые в формулах.

- широта местности; - часовой угол; - склонение Солнца; i- угол падения солнечных лучей на наклонную поверхность коллектора. - угол высоты Солнца; ас - азимут Солнца; ан - азимут наклонной поверхности.

Рисунок 3.6.1.1 – Углы, характеризующие положение точки на земной поверхности (а) и наклонной поверхности солнечного коллектора (б), 3.6.2 Определение расходов теплоты на ГВС В отличии от традиционных систем теплоснабжения, в которых для выбора оборудования достаточно определить часовые расходы теплоты, при расчёте солнечных систем, необходимо вычислять месячные расходы теплоты.

Расход теплоты на ГВС, МДж, в данном месяце, определяется по формуле (3.6.2.1):

Vг.в д - суточный расход горячей воды на человека принимается по [2.17] равный 0,09 м(день·чел) nд - число дней в данном месяце.

(Т г.в Т х.в ) температуры горячей и холодной воды,°С Q сут д - суточный расход теплоты на горячее водоснабжение, МДж.

3.6.3 Расчёт суточной теплопроизводительности и степени замещения топлива солнечной энергией.

Вследствие нестабильности поступления солнечной энергии системы солнечного отопления должны работать с дополнительным источником энергии, обеспечивающим 100 % тепловой нагрузки.

Экономически целесообразно покрывать за счёт солнечной энергии лишь определенную долю f год годовой тепловой нагрузки Qн горячего водоснабжения, Остальную часть тепловой нагрузки должен обеспечивать дополнительный источник энергии.

f год принято считать равным 0,6.

Удельный объём аккумулятора теплоты водяного Vак = 0,05 м на 1 м площади поверхности коллектора.

3.6.4 Расчёт необходимой площади поверхности коллекторов.

Основное влияние на величину Fк,оказывают характеристики коэффициент теплопередачи коллектора, объём аккумулятора теплоты и метеоусловия.

Площадь поверхности, м, необходимую для обеспечения требуемой величины f год, определяется по формуле (3.6.4.1):

Для определения окончательного расчётного значения площади поверхности коллектора Fк.расч,м, применяем формулу (3.6.4.2):

,где к, ак -поправочные коэффициенты, влияния характеристик коллектора, и удельного объема бака- аккумулятора. Определяются по рисунку 16.20 [1.7] равные 1,19 и 0,98 соответственно.

3.6.5 Расчёт срока окупаемости и годовой экономии топлива.

Годовая экономия топлива, т у.т., обеспечиваемая использованием солнечной энергии, определяется по формуле (3.6.5.1):

,где f год - годовая степень замещения.

Qн - годовая нагрузка теплоснабжения, Дж/год.

Qт - теплота сгорания топлива, отнесенная к 1 т. условного топлива., равная 29,3 кДж/т.у.т.

т.г -КПД теплогенерирующей установки, равный 0, Годовая экономия, руб., определяется по формуле (3.6.5.2):

С т - стоимость тепловой энергии за 1 ГДж, руб., равная f год - степень замещения установки годовая, равная 0, т.г - КПД теплогенерирующей установки, равный 0, Срок окупаемости гелиосистемы, годы, определен по формуле (3.6.5.3):

,где С гс - удельные затраты на гелиосистему, отнесенные к 1м площади поверхности коллектора., руб/м.

Fк - необходимая площадь поверхности коллекторов. м [1.7] Расчёт солнечной установки сведен в приложение А таблицу А.4.

Методика № 3.6.6 Определение площади солнцепоглощающей поверхности установок.

Все типы установок с дублирующими источниками рассчитываются по данным месяца с наибольшей суммой солнечной радиации за период работы, а системы без дублирующего источника — с наименьшей.[2.16] В нашей системе предусмотрена работа дублирующего источника.

Площадь солнцепоглощающей поверхности установок с дублером А, м2, определена по формуле (3.6.6.1):

,где G — суточный расход горячей воды в системе горячего водоснабжения G, кг, принимается по [2.17] равный 90 кг.

tw2 — требуемая температура горячей воды, равная 60°С.

tw1 —температура холодной воды, равная 15°С.

— КПД установки солнечного горячего водоснабжения.

gj— интенсивность падающей солнечной радиации в плоскости коллектора, Вт/м2, определяется по прил. 3 [2.18] в интервале от 8 до 19 ч для солнечных коллекторов южной ориентации.

Расчет установки солнечного горячего водоснабжения выполняется по часовым суммам прямой и рассеянной солнечной радиации и температуре наружного воздуха. Величина интенсивности солнечной радиации, температура наружного воздуха принимаются по [2.19] Интенсивность падающей солнечной радиации для любого пространственного положения солнечного коллектора и каждого часа светового дня gj, Вт/м определена по формуле (3.6.6.2):

,где Is — интенсивность прямой солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, Вт/м ;

ID — интенсивность рассеянной солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, Вт/м2;

PS, PD — коэффициенты положения солнечного коллектора для прямой и рассеянной радиации соответственно.

Коэффициент положения солнечного коллектора для рассеянной радиации определяется по формуле (3.6.6.3):

где b —угол наклона солнечного коллектора к горизонту.

Коэффициент положения солнечного коллектора PS для прямой солнечной радиации следует определять по таблице 1 прил. 3 [2.18].

Таблица 1 прил. 3 [2.18] - Среднемесячные значения Рs солнечных коллекторов южной ориентации:

наклона коллектора к горизонту b, град

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Интенсивность прямой Is и рассеянной Id солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, определяется по таблице 2,3 прил. 3 [2.18].

Таблица 2 прил. 3 [2.18] - Интенсивность прямой Is солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность Таблица 3 прил. 3 [2.18] - Интенсивность рассеянной Id солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность Приведенную интенсивность поглощенной солнечной радиации q, Вт/м2, следует определять по формуле (3.6.6.4):

,где S и D — соответственно приведенные оптические характеристики солнечного коллектора для прямой и рассеянной солнечной радиации. S = 0,74;

D = 0,64 — для одностекольных.

Основное влияние на величину А,оказывают характеристики коэффициент теплопередачи коллектора, объём аккумулятора теплоты и метеоусловия.

Для определения окончательного расчётного значения площади поверхности коллектора Ак.расч,м, применяем формулу (3.6.6.5):

,где А - площадь солнцепоглощающей поверхности установок с дублером, м к, ак -поправочные коэффициенты, влияния характеристик коллектора, и удельного объема бака- аккумулятора. Определяются по рисунку 16.20 [1.7] равные 1,19 и 0,98 соответственно.

Расчёт установок солнечного горячего водоснабжения сведен в таблицу 3.6.6. Таблица 3.6.6.1 – Расчёт необходимого количества установок солнечного горячего водоснабжения Расчет необходимого количества установок солнечного Pd, для июля 0, Ps, для июля 1, Is, для июля Id, для июля Требуемая площадь коллекторов Окончательная площади поверхности A,м с учётом поправочных коэффициент Оценивая полученные результаты двух расчётов, видно то, что требуемая площадь коллекторов в обоих вариантах практически равна.

Учитывая то, что площадь одного коллектора равна 1,94 м, то к установке можно принять 10 гелиоколлекторов Logasol SKN1.0 фирмы Buderus (Германия) Произведенные расчеты позволяют сделать вывод о том, что внедрение солнечной установки для горячего водоснабжения на данном объекте- это рациональное и энергоэффективное решение, которое после своей окупаемости будет работать на экономию денежных средств. Будет снижено потребление газа, а следовательно сократиться выброс вредных веществ в атмосферу.

Срок окупаемости установки составит 12 лет.

характеристики плоского гелиоколлектора Logasol SKN1. Плоский гелиоколлектор Logasol SKN1. Данный вид гелиоколлектора применяется для приготовления горячей воды.

Основные характеристики и особенности:

- удачное соотношение «цена / производительность»;

- длительная способность к поглощению солнечной энергии благодаря прочности и высокоселективному покрытию хромированным чернением;

присоединительные комплекты, проверенная системой технического контроля;

- быстрое подключение гелиоколлекторов без применения специального инструмента;

- упрощенный монтаж благодаря небольшому весу 30 кг;

- энергосберегающее изготовление с применением материалов, пригодных для вторичной переработки.

- Европейский знак сертификации качества «Solar keymark»

- Устройство гелиоколлектора и функции компонентов Корпус плоских гелиоколлекторов Logasol SKN1.0 – Рисунок 3.7.1 и Рисунок 3.7.2 в виде рамы изготовлен из легкого и высокопрочного стекловолоконного профиля. Для тыльной стенки применен стальной лист толщиной 0,6 мм с алюминиево-цинковым покрытием. Гелиоколлектор закрыт цельным листом безопасного стекла толщиной 3,2 мм. Прозрачное литое структурированное стекло с низким содержанием железа не отражает свет, имеет высокую проницаемость (92% светопропускания) и выдерживает нагрузки. Хорошую теплоизоляцию и высокую эффективность обеспечивает термостойкая минеральная вата толщиной 55 мм. Каждый коллектор имеет гильзу для установки датчика и может быть использован как ведущий коллектор. Абсорбер (поглотитель) изготовлен из отдельных узких полосок с высокоселективным черным хромированным покрытием. Особенно эффективную теплопередачу обеспечивает абсорбер, сваренный с помощью ультразвуковой сварки. Для обеспечения простого и быстрого гидравлического подключения гелиоколлектор Logasol SKN1.0 оснащен четырьмя патрубками для шлангов. Гелиоколлекторы монтируются без применения специального инструмента с помощью ленточных пружинных хомутов, рассчитанных вместе с гелиоколлекторами на температуру до +170°C и давление до 6 бар. Очень хорошую тепловую защиту (тепло изоляцию)и высокую эффективность обеспечивает термостойкая и не выделяющая газы минеральная шерсть толщиной 55 мм. [2.1] Рисунок – 3.7.1 Конструкция коллектора Logasol SKN1. Рисунок 3.7.1;3.7.2 Габаритные размеры плоского коллектора Logasol SKN1.0.

Основные технические данные приведены в таблице 3.7. Таблица 3.7.1 – Основные технические данные гелиоколлектора Logasol SKN1. (принимающая излучение) теплопередачи (К1) давление (испытательное давление) 4 Экологический анализ малых энергоэкономичных комплексов с возобновляемыми источниками энергии традиционных энергоресурсов Дальнейшее экстенсивное развитие энергетики невозможно, так как это связано с ограниченностью традиционных энергоресурсов, неравномерностью их распределения в мире, огромной капиталоёмкостью топливноэнергетического комплекса и всё более возрастающим отрицательным воздействием его на окружающую среду. [1.26; 1.27] Использование топливно-энергетических ресурсов (угля, мазута, печного топлива, газа), сжигаемых в энергоустановках котельных, ТЭС и ТЭЦ, а также в индивидуальных генераторах, приводит к загрязнению атмосферного воздуха вредными веществами, такими как сажа, оксид углерода, диоксид серы и оксиды азота.

Загрязнение атмосферного воздуха выбросами вредных веществ наносит огромный ущерб окружающей среде, складывающихся из гибельного воздействия на здоровье людей, животных и растительный мир, потерь ценных химических веществ, потерь связанных с разрушающим действием агрессивных газов на строительные конструкции. [1.28; 1.29] Следует отметить также, что топливно-энергетические ресурсы являются добавляющими источниками энергии сверх солнечной, способные вызвать тепловой перегрев окружающей среды с вытекающими отсюда глобальными экологическими последствиями. Поэтому предел производства добавляющей энергии неизбежен в недалеком будущем.

Предельно допустимая величина вырабатываемой на Земле в течение года энергии не должна превышать 3-5 % от энергии, передаваемой на Землю Солнцем. Увеличение температуры на несколько градусов в нижних слоях атмосферы может привести к таянию ледников в Гренландии и Антарктиде и затоплению части суши, на которой сейчас проживает почти четвертая часть населения Земли. [1.30] Гидроэлектростанции (ГЭС) отличаются рядом важных преимуществ, таких как эксплуатационная экономичность, комплексное использование водохранилища, создание инфраструктуры. Однако гидроэнергетические ресурсы ограничены и даже при полном их использовании не могут удовлетворить будущие потребности в электроэнергии. К тому же ГЭС, построенные на равнинных реках, отрицательно воздействуют на природную среду, особенно на земельные ресурсы, а следовательно, и на сельское и рыбное хозяйство. При создании водохранилищ для крупных ГЭС площадью несколько тыс.км наносится невосполнимый ущерб лесному хозяйству и культурноисторическому наследию в районах, подлежащих затоплению.

Перспективное широкомасштабное использование атомной энергии на атомных электростанциях (АЭС) также ограничено, так как достаточно подтвержденные и экономически оправданные для применения запасы урана в недрах земли будут исчерпаны уже в ближайшие десятилетия. [1.30] С учетом всего описанного, вполне закономерно и обосновано вместо строительства ТЭЦ, ГЭС и АЭС вложенные средств в мероприятия по экономии тепловой и электрической энергии, в развитие альтернативной нетрадиционной энергетики на основе использования возобновляемых источников энергии.

Возобновляемые источники энергии, к числу которых относится солнечная энергия, не выделяют вредных выбросов в атмосферу, уменьшает тепловое загрязнение атмосферы. Их применение в крупномасштабной энергетике в виде мощных солнечных электростанций мегаваттного класса позволит существенно уменьшить загрязнение атмосферы вредными веществами.

Следовательно, возобновляемые энергетические ресурсы являются более экологически чистыми, чем топливные энергоресурсы,гидроресурсы рек и атомная энергия. Их применение будет наиболее эффективно при совместном использовании с вторичными тепловыми ресурсами в малых энергоэкономичных комплексах.

4.2 Распределение энергоисточников по их негативному воздействию на окружающую среду и оценка экологической чистоты малых энергоэкономичных комплексов.

В настоящее время можно прийти к обоснованному выводу, что развитие энергетики должно идти по пути комплексного использования различных источников энергии, эффективно дополняющих друг друга в различных условиях, обеспечивающих комплексную экономическую и экологическую эффективность объединяющих их систем и природно-технических систем.

[1.28;1.31] Использование возобновляемых источников энергии в регионах во многом зависит от социально – экономической и экологической ситуации, а также финансовых возможностей территории. Недостаточно высокая экономическая эффективность энергоустановок, использующих возобновляемые источники, в основном, обуславливается низкой плотностью потока преобразуемой энергии.

Вследствие этого установки имеют большие размеры и вес, на их изготовление требуются дорогостоящие материалы. Установки характеризуются высокой стоимостью. Поэтому сегодня экономическое обоснование применения возобновляемых энергетических ресурсов должно основываться на учете всех их преимуществ и недостатков, а также учете ущербов и косвенных воздействий энергоустановок, использующих различные виды энергоресурсов.

Следовательно, оптимизация структуры малых энергоэкономичных комплексов и возобновляемых источников энергии должна производиться с учётом всей совокупности факторов негативного воздействия на окружающую среду всех энергоустановок.

Оценка негативного воздействия энергоисточников, применяемых в малых энергоэкономичных комплексах, можно определить по значению условного показателя суммарного негативного воздействия различных энергоисточников на окружающую среду. Условный показатель суммарного негативного воздействия определяется по трехбалльной системе: 2 балла- сильное влияние, балл- незначительное влияние, 0 баллов- полное отсутствие влияния.

Значение условного показателя суммарного негативного воздействия каждого из энергоисточников определяется по формуле (4.2.1):

где К фнi - условный показатель каждого i- го фактора негативного воздействия на окружающую среду.

Результаты расчёта по формуле (4.2.1) приведены в таблице (4.2.1) Таблица 4.2.1- Оценка негативного воздействия энергоисточников, применяемых в малых энергоэкономичных комплексах, на окружающую среду Выбросы загрязняющих Ущерб при изготовлении и транспортировке агрегата Потребление кислорода Акустическое воздействие Биоценотическое влияние Тепловое загрязнение от Значение коэффициента суммарного негативного степени экологической При использовании для автономного газо- и теплоснабжения.

При использовании электроэнергии от центрального источника.

Сокращения:

ГС – гелиосистема ВЭУ – ветроэнергетическая установка БГУ – биогазовая установка ЭН – электронагреватель ДЭГ – дизель- электрогенератор ГВН – газовый водонагреватель Как видно из таблицы (4.2.1) наибольшее значение условного показателя суммарного негативного воздействия использующим традиционные энергетические ресурсы дизельэлектрогенераторам (18 баллов) и электронагревателям, при использовании электроэнергии от централизованного источника электроэнергии (17 баллов), а наименьшее – энергоустановкам, использующим возобновляемые источники энергии: гелиосистемам (1 балл) и ветроэнергетическим установкам (5 баллов).

энергоустановки, использующие возобновляемые ресурсы.

Наиболее наглядно распределение энергоисточников по степени экологической чистоты представлено на Рисунке 4.2.1.

Оценка негативного воздействия энергоисточников, применяемых в малых энергоэкономичных комплексах, на коэффициента энергоисточника Рисунок 4.2.1 распределение энергоисточников по степени экологической 4.3 Сравнительный анализ характеристик энергосистем на возобновляемых источниках энергии и топливных энергоресурсов.

Сравним основные характеристики энергосистем на возобновляемых источниках энергии и топливных энергоресурсах- таблица 4.3.1.

Таблица 4.3.1 – Сравнение характеристик систем на возобновляемых источниках энергии и топливных энергоресурсах Как видно из таблицы, энергосистемы на возобновляемых источниках энергии обладают несколькими несомненными преимуществами. Таким образом, это сравнение позволяет сделать вывод о том, что альтернативные источники предпочтительнее. А некоторые их недостатки можно практически свести к минимуму, а стоимость оборудования может быть существенно снижена при применении более совершенных систем преобразования возобновляемых источников энергии и их рациональном внедрении в автономные энергокомплексы. [1.31] Заключение Использование возможностей солнечной энергетики для снабжения зданий и сооружений горячим водоснабжением является одним из перспективных направлений экономии энергоресурсов.

На основании проведенной работы и рассмотренных выше гелиоустановок можно сделать следующие выводы:

1) Обзор гелиоколлекторов показал, что существуют солнечные коллекторы различных размеров и конструкций в зависимости от их применения они могут обеспечивать хозяйство горячей водой для бытовых нужд, для горячего водоснабжения и поддержания отопления, либо использоваться для предварительного нагрева воды для существующих водонагревателей. В настоящее время рынок предлагает множество различных моделей коллекторов, внедрение которых обеспечивает достижение поставленной задачи.

2) Оценка различных вариантов размещения солнечных коллекторов показывает, что гелиоколлекторы могут использоваться как для новых зданий, так и для переоборудование старых. Они могут быть установлены к существующим или несколько видоизмененным наружным стенам или крышам домов, на пристройку к зданию (крыльцо, гараж, новое крыло). Или же возможно строительство сооружения для размещения солнечных коллекторов отдельно от здания. Возможно расположение, как на горизонтальной, так и на наклонной поверхности.

Всё это свидетельствует о том, что установка коллекторов не требует определенного местонахождения, следовательно, есть возможность внедрения системы на любое здание и сооружение.

3) Было выделено основное направление совершенствования гелиосистем - это поиск таких технологий и таких конструктивных решений, который сочетали бы высокую эффективность работы гелиоколлектора с малыми затратами на него и, следовательно, на гелиоустановку в целом. Этого можно добиться с помощью создания новых высокоэффективных технологий преобразования солнечной энергии в тепловую и электрическую энергию. Провести энергетическую оптимизацию, позволяющую свести к минимуму потери энергии в процессе её преобразования и аккумулирования. Но также, следует отметить, что повышение эффективности элементов гелиоколлекторов связано с усложнением их конструкции и удорожанием, что отрицательно сказывается на техникоэкономических параметрах гелиосистем и является основным сдерживающим фактором их широкого применения.

проектирования гелиоколлекторных установок, можно сделать вывод, что интенсивность солнечной радиации для Ростовской области позволяет достигнуть высоких показателей продуктивности солнечных коллекторов.

Продолжительность солнечного сияния в г. Ростов- на – Дону более 2000 ч/ год.

Температурные показатели также являются оптимальными для проектирования гелиоколлекторных установок. К примеру, средняя температура для летнего периода составляет + 22,9 °C, средний максимум + 29,1 °C, абсолютный максимум +38,4 °C 5) Были рассмотрены несколько вариантов систем, с помощью которых можно добиться максимальной эффективности при получении горячей воды для базы отдыха «Эльдорадо» в п. Чистоозерный. Учитывая все плюсы и минусы рассмотренных систем, простоту монтажа, изначальных капитальных и эксплуатационных затрат, а также габариты кровли, на которой планируется установка коллекторов, было принято решение рассматривать, в качестве системы для получения горячей воды - систему на основе садового шланга.

Произведя расчет производительности и необходимого количества солнечных коллекторов, было получено, что для необходимого горячего водоснабжения данного объекта, будут необходимы 10 коллекторов, размерам 1х1 м.

А проведенный расчёт срока окупаемости и годовой экономии топлива показал, что годовая экономия топлива (В), т у.т. составит 2,3, годовая экономия ( Эгод ) в руб. равна 28430, а срок окупаемости гелиосистемы равен 1.8 года.

Таким образом, анализируя эти результаты можно сделать заключение о том, что внедрение данной установки целесообразно с точки зрения экономии денежных средств и сокращения потребления природного газа, а следовательно будет сокращён выброс вредных веществ в атмосферу.

Описанная конструкция пассивного солнечного нагревателя с коллектором может сэкономить до 80% энергии для горячего водоснабжения летом и до 40% весной и осенью, что за год составит около 400 кВт·час сэкономленной энергии на одного человека.

6) Для энергоэффективного горячего водоснабжения четырехквартирного сблокированного жилого дома в г. Ростов-на-Дону, были проведены необходимые расчёты установок солнечного горячего водоснабжения по двум различным методикам. Оценивая полученные результаты двух расчётов, было получено то, что требуемая площадь коллекторов в обоих вариантах практически равна (19,03 м при первом расчёте и 19,4 м при втором соответственно).

Учитывая то, что площадь одного коллектора составляет 1,94 м, то было принято решение к установке принять 10 гелиоколлекторов Logasol SKN1. фирмы Buderus (Германия) для данного объекта.

Проведенный расчёт срока окупаемости и годовой экономии топлива показал, что годовая экономия топлива (В), т у.т. составит 4,0, годовая экономия ( Эгод ) в руб. равна 42600, а срок окупаемости гелиосистемы равен 12 лет. Учитывая то, что срок эксплуатации установки составляет не меньше 25 лет, можно сделать вывод о том, что внедрение солнечной установки для горячего водоснабжения на данном объекте- это рациональное и энергоэффективное решение, которое после своей окупаемости будет работать на экономию денежных средств. А также будет снижено потребление газа, а следовательно, сократиться выброс вредных веществ в атмосферу.

7) Оценка сравнительных характеристик энергосистем на возобновляемых источниках и топливных энергоресурсов показывает, что наибольшее негативное воздействия на окружающую среду оказывают энергоустановки, использующие традиционные энергетические ресурсы - дизель- электрогенераторы, газовый водонагреватель, а наименьшее энергоустановкам, использующим возобновляемые источники. Возобновляемые источники энергии, к числу которых относится солнечная энергия, не выделяют вредных выбросов в атмосферу, уменьшает тепловое загрязнение атмосферы. Их применение в крупномасштабной энергетике в виде мощных солнечных электростанций мегаваттного класса позволит существенно уменьшить загрязнение атмосферы вредными веществами Следовательно, возобновляемые энергетические ресурсы являются более экологически чистыми, чем топливные энергоресурсы,гидроресурсы рек и атомная энергия. Их применение будет наиболее эффективно при совместном использовании с вторичными тепловыми ресурсами в малых энергоэкономичных комплексах.

Таким образом, задачи, поставленные в данной исследовательско аналитической работе, решены в полном объеме, были проработаны самые важные моменты при решении вопросов, связанных с использованием солнечной энергии для обеспечения зданий горячим водоснабжение. Были разработаны наиболее энергоэффективные системы обеспечения зданий горячим водоснабжением.

Список используемых источников Обрезков В.И Возобновляемые нетрадиционные источники энергии:

Введение в специальность. М.: Энергия, 1987. 188с 1.2 Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: Пер с англ, М. Энергоатомиздат. 1990. 392с 1.3 Андерсон Б. Солнечная энергия (основы строительного проектирования) Пер. с анг. А. Р. Анисимова, Москва Стройиздат, 1982. 155-237с.

1.4 Зоколей С. Солнечная энергия и строительство. Пер. с анг. к.т.н Г.А.

Гухман. М.: Стройиздат, 1979. 19- 25с.

теплохладоснабжением. Пер. с япон. Е. Н. Успенской, М.: Стройиздат, 1982.

1.6 Авезов Р. Р., Зорин М.А., Васильева И. М., Системы солнечного тепло- и хладоснабжения. М.: Стройиздат, 1990.

1.7 Богословский В.Н., Сканави А.Н. Отопление. –М.: Стройиздат, 1991.

Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства.

Ч.1. Отопление. / Под ред. И.Г. Староверова и Ю.И. Шиллера. –М.: Стройиздат, 1990.

1.8 Богословский В.Н., Щеглов В.П., Разумов Н.Н. Отопление и вентиляция. – М.: Стройиздат, 1980.

1.9 Ушаков. В. Г. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии: Учеб.

пособие. Новочеркасск. НГТУ, 1994. 120с.

1.10 Активные системы преобразования солнечной энергии/ Использование солнечной энергии в народном хозяйстве: М.: 1989, №1. с 4 -29.

1.11 Ильин А.К. Опыт разработки солнечных водонагревательных установок// Нетрадиционная энергетика и технология. Материалы международной конференции. Ч 1. Владивосток: ДВО РАН, 1995, с 26-29.

1.12 Л.Д. Богуславский, В.И. Ливчак, В. П. Титов, под ред. Л. Д. Богуславского и В.И. Ливчака. М.: Стройиздат, 1990. 624 с. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования.

1.13 Соколов Е. И., Бродянский В. М. Энергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения. 2- е издание М.: Энергоатомиздат, 1981. 399 с.

1.14 Энегосберегающие технологии в современном строительстве / пер. с анг.;

Под ред. В.Б. Козлова. М.: Стройиздат. 1990. 296 с.

1.15 Б.Дж.Бринкворта Солнечная энергия для человека. Пер. с англ. канд.

техн. наук В.Н.Оглоблева. Под редакцией и с предисловием д-ра техн. наук Б.В.Тарнижевского М.: Мир, 1976. - 291 с.

1.16 Сканави А.Н., Махов Л.М.– Отопление: учебник для вузов / – М.:

Издательство АСВ, 2002. – 576 с.

1.17 Бекман У., Клейн С., Даффи Д. Расчёт систем солнечного теплоснабжения.

М. Энергия, 1982. 128 с.

1.18 Беляев В.С., Хохлова Л. П. Проектирование энергоэкономичных и энергоактивных гражданских зданий.: Учеб. пособие. М.: Высш.шк., 1991. 225 с.

1.19 Булгаков С. Н. Энергоэффективные строительные системы и технологии // АВОК. 1999, № 2 с. 6-9.

1.20 Дьяков А. Ф. Проблемы развития нетрадиционной энергетики на современном этапе // Энергетическое строительство. 1986. № 5. с. 35-39.

1.21 Елистратов В. В. Аккумулирование солнечной энергии в строительном проктировании // Нетрадиционная энергетика и технология: Материалы международной конференции. Ч.1. Владивосток: ДВО РАН, 1995 с. 32.

1.22 Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Использование альтернативных источников топлива. Серия 4.1. Каталог. М.: Информэлектро.

1999. 24 с.

1.23 Холтон. Д. К. Энергоэкономичные малоэтажные жилые здания // АВОК.

1998. № 2. с. 14-16.

1.24 Шишкин Н.Д. Гелиоустановка. Астрахань. ИЛ АЦНТИ. № 106-95. 1994.

4с.

1.25 Шишкин Н.Д. Структурно- функциональные модели малых экологическичистых комплексов с возобновляемыми источниками энергии // Известия АПЭ.

1999. № 3. с. 61-64.

1.26 Бретшнайдер Б., Курфюрст И. Охрана воздушного бассейна от загрязнений: технология и контроль: Пер. с англ./ Под ред. А. Ф. Туболкина. Л.:

Химия, 1989. 288с.

1.27 Троицкий В. С. Размышления об энергетике будущего // Энергия. 1984. № 9 С. 5- 1.28 Васильев Ю. С. Хрисанов Н. И. Экология использования возобновляемых энергоисточников Л. Изд-во ЛГУ, 1991, 343 с.

1.29 Журавлев В. П. Серпокрылов Н. С. Пушенко С. Л. Охрана окружающей среды в строительстве: Учебник М.: Изд-во АСВ, 1995. 328с.

1.30 Петросьянц А. СССР и развитие ядерной энергетики. Обзор аварии в Чернобыле и планы на будущее // Бюллетень. Вена: Международное агентство по атомной энергии, 1986. Т. 28. № 23. с. 15-21.

1.31 Лушников О. Г., Соболенко Н.А., Тягунов М. Г. Оптимизация структуры энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии // Гидротехническое строительство. 1997. № 3 с. 10-15.

1.32 Mellis M. Regenerative Energieqellen. BWK: Brenst.- Warme- Kraft.- 1998, № 4.- S. 74-81.

2 Стандарты, правила, методики и др.

2.1 Buderus, Документация по проектированию. Гелиотехника Logasol для горячего водоснабжения и поддержания отопления. Издание 04/2006. А6.01. 2.2 СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование / Госстрой России. – М.: ФГУП ЦПП, 2004. – 55 с.

2.3 СНиП 23.02-2003. Тепловая защита зданий. - М.: Госстрой России, 2004.

2.4 СП 23-101-2004. Свод правил по проектированию и строительству.

Проектирование тепловой защиты зданий. - М.: Госстрой России, 2005. -132с.

2.5 СНиП 41-01-2003. Строительные нормы и правила. Отопление, вентиляция и кондиционирование. - М.: Госстрой России, 2004.- 100с.

2.6 СНиП 31-01-2003. Строительные нормы и правила. Здания жилые многоквартирные. - М.: Госстрой России, 2004.

Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч.1. Отопление/ Под ред. И.Г. Староверова и Ю.И. Шиллера. - М.:

Стройиздат, 1990.- 344с.

2.8 СНиП 23-01-99. Строительные нормы и правила. Строительная климатология. - М.: Госстрой России, 2000. -158с.