Научно-методологические основы использования солнечной энергии в замещении тепловых нагрузок зданий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.03, доктор технических наук Щукина, Татьяна Васильевна

• Щукина, Татьяна Васильевна
• доктор технических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор технических наук Щукина, Татьяна Васильевна

Введение.

Глава 1. Приоритетность экологически чистых энергогенерирующих технологий.

1.1. Тенденции развития энергетики.

1.2. Гелиоэнергетика в замещении топливных ресурсов лидирующих государств и возможности ее развития в условиях РФ.

1.3. Выводы и постановка задачи исследований.

Глава 2. Распределение ресурсов солнечной энергии по территории России.

2.1. Свойства энергетического поля солнечной радиации для прогнозируемого и эффективного использования.

2.2. Солнечная энергооблученность зданий и сооружений.

2.3. Теплопоступления от солнечной радиации на сооружения и в помещения.

2.4. Выводы по второй главе.

Глава 3. Способы обеспечения сооружений солнечной энергоемкой облученностью.

3.1. Пассивные солнечные системы отопления для зданий и сооружений.

3.2. Активные системы солнечного теплоснабжения.

3.3. Выводы по третьей главе.

Глава 4. Повышение эффективности гелиотехнических устройств.

4.1. Разработка установок с высокими показателями трансформирования солнечной энергии в тепловую.

4.2. Конструктивные решения по тепловой защите сооружений при пассивном солнечном отоплении.

4.3. Хранение тепловой энергии при нестабильных климатических условиях.

4.3. Выводы по четвертой главе.

Глава 5. Моделирование процессов теплообмена в энергоактивных сооружениях и на гелиополигонах.

5.1. Исследование температурных режимов строительных конструкций при нагревании солнечной радиацией.

5.2. Тепло аккумулирующая способность веществ при изменении агрегатного состояния для длительного хранения теплоты.

5.3. Исследование влияния конструктивных решений коллекторов на эффективность преобразования солнечного излучения.

5.4. Выводы по пятой главе.

Глава 6. Экспериментальное исследование солнечной системы теплоснабжения.

6.1. Методика проведения экспериментального исследования.

6.2. Экспериментальная установка солнечной системы теплоснабжения.

6.3. Приборы и средства измерения.

6.4. Анализ результатов экспериментального исследования.

6.5. Выводы по шестой главе.

Глава 7. Определение технико-экономической эффективности солнечных систем теплоснабжения.

7.1. Основные критерии оценки технико-экономической эффективности солнечных систем теплоснабжения.

7.2. Структура расходов на выработку теплоты.

7.3. Результаты численного эксперимента по определению эффективности солнечных систем теплоснабжения зданий коттеджного типа.

7.4. Выводы по седьмой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научно-методологические основы использования солнечной энергии в замещении тепловых нагрузок зданий»

Уже в течение ближайших 15-20 лет возобновляемые источники энергии должны внести существенный вклад в мировой энергетический баланс, обеспечивая замещение истощающихся запасов органического топлива и экологическое оздоровление окружающей среды. i

Солнечная энергия рассматривается сегодня как наиболее технологически доступный и экономически целесообразный вид возобновляемой энергии, использование которой для теплоснабжения сооружений было бы неверно ограничивать районами с теплым климатом и достаточным числом безоблачных дней солнечного сияния и величиной солнечной радиации.

Вопросами использования солнечной энергии в пассивных и активных системах солнечного теплоснабжения занимается целый ряд научных, проектных pi производственных коллективов России: Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН, комитет Российского союза научных и инженерных общественных организаций по проблемам использования возобновляемых источников энергии (возглавляемый Безруких П.П.), Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, акционерное общество «Новые и возобновляемые источники энергии», отделение нетрадиционных источников энергии в ОАО энергетическом институте им. Г.М. Кржижановского (ранее возглавляемое Тарнижевским Б.В.) и др. Значительный вклад в развитие этих вопросов принадлежит Оси-пову Г.Л., Богословскому В.Н., Табунщикову Ю.А., Кувшинову Ю.Я., Бродач М.М, Попелю О.С., Бутузову В.А., Тарнижевскому Б.В., Фриду С.Е., Мухид-динову П.М., Пенджиеву A.M. и др.

В России традиционно широко применяется солнечная энергия в теплицах, парниках и лимонариях, сельскохозяйственных производственных помещениях. Улавливаемая и концентрируемая теплота солнечного излучения используется в технологии выращивания сельскохозяйственных культур, для сушки сельскохозяйственной продукции, опреснения воды, обеспечения горячей водой животноводческих помещений. Научный и практический интерес представляет возможность использования солнечной энергии в технологии производства строительных материалов, особенно для ускорения процесса твердения бетона, вместо традиционного пропаривания. Это позволит сократить цикл термообработки, увеличить оборачиваемость форм и получить продукцию высокого качества, при экономии условного топлива и расхода воды.

Несмотря на разнообразные способы применения солнечной энергии, нетрадиционное теплоснабжение объектов различного назначения осуществляется крайне редко. Проблема состоит в ограниченности использования солнечной энергии на территории РФ: лишь в южных регионах гелиоустановки широко используются, но практически не применяются в центральных и северных областях. Препятствием для распространения установок утилизации солнечной энергии во все регионы РФ является не только их дороговизна и отсутствие типовых решений, главная причина состоит в отсутствии высокоэффективных и высокопроизводительных конструкций гелиосистем, улавливающих, преобразующих и аккумулирующих солнечную энергию в нестабильных климатических условиях регионов.

Диссертационная работа выполнялась в рамках приоритетного направления развития фундаментальных и прикладных наук РААСН «Ресурсо- и энергоминимизация в архитектурно-строительном комплексе. Энергосберегающие технологии»

Цель работы - научно-методологические основы обеспечения максимального замещения солнечной энергией тепловых нагрузок зданий за счет повышения эффективности процессов улавливания, аккумулирования и передачи потребителю теплоты.

Для достижения этой цели необходимо решать следующие научно-технические задачи:

1. Количественная оценка энергетического потенциала солнечной радиации для различных климатических условий на основе анализа данных актино-метрических наблюдений на территории РФ.

2. Комплексное обоснование принципиальных решений систем альтернативного теплоснабжения объектов для различных районов строительства с учетом энергооблученности ограждений проектируемых сооружений.

3. Разработка перспективных направлений по осуществлению максимально возможного замещения солнечной энергией в теплообеспечении зданий на основе повышения потенциала оборудования гелиосистем.

4. Создание на базе концептуального прогнозирования развития гелиосистем технических решений по улавливанию, хранению и транспортировке теплоты, вызывающих повышение показателей основных процессов в энерго-замещепии.

5. Оценка на основе математического моделирования возможностей наименее затратного пассивного способа применения солнечной радиации, как в производственных процессах стройиндустрии, так и при замещении тепловой нагрузки в отоплении зданий различного назначения.

6. Разработка рекомендаций по эффективному использованию массивов с регулируемыми светопрозрачными ограждениями для пассивного солнечного отопления и осуществления гелиотермообработки в условиях средней полосы России и более северных широт.

7. Обоснование технических решений, повышающих кпд активных гелиосистем посредством математического моделирования процессов, протекающих в оборудовании основного назначения. Анализ расчетных данных, полученных на базе проведенных исследований, и прогнозирование на его основе изменений теплотехнических показателей установок при применении новых конструктивных решений для обеспечения максимально возможного энергозамещения.

8. Экспериментальное исследование режимов функционирования активной гелиосистемы и ресурса возможного энергозамещения в зависимости от конструктивных особенностей оборудования и климатических условий его использования.

9. Разработка структурной схемы и методики расчета энергозамещения солнечной радиацией в балансе потребления с учетом климатических особенностей и параметрических эксплуатационных характеристик оборудования при прогнозируемом повышении их показателей.

10.Определение целесообразности применения солнечных систем в энергообеспечении зданий коттеджного типа при проведении численного эксперимента с учетом эффективности конструкторских разработок.

Научная новизна работы.

- установлены классификационные характеристики возможного использования солнечной радиации для энергозамещения потреблений сооружениями в зависимости от ее валового потенциала и создаваемых условий, способствующих дополнительной облученности воспринимающих поверхностей;

- разработаны научно-методологические основы концептуальных направлений повышения эксплуатационных параметров оборудования гелиосистем, позволяющих увеличить долю замещения в энергообеспечении сооружений;

- на основе математического моделирование пассивного использования солнечной энергии дана оценка технических возможностей и условий, способствующих росту энергооблученности строительных конструкций;

- обосновано комплексное повышение теплотехнических характеристик оборудования активных солнечных установок, вызывающее увеличение общего кпд гелиосистем и расширяющее территориальных диапазон их применения;

- разработаны конструктивные решения улавливающих, аккумулирующих и передающих энергию потребителю устройств, позволяющих эффективно использовать солнечную радиацию в пассивном и активном режиме;

- в результате математического моделирования установлено влияние на температурный режим теплоносителя технических параметров гофрированного светопрозрачного покрытия абсорбера и пластинчатого теплообменника-аккумулятора, с предусмотренной в нем функцией контроля времени хранения и передачи теплоты потребителю;

- обоснована целесообразность замещения солнечной энергией теплопо-требления зданий для ряда регионов с нестабильными климатическими условиями, в том числе и с учетом повышения кпд современных гелиосистем.

Основные положения, выносимую на защиту:

- комплексная оценка уровня возможного использования ресурсов солнечной радиации на территории РФ с прогнозированием ее роста в энергообеспеченности зданий для ряда климатических зон; технико-экономическое обоснование базисных решений по применению гелиосистем для конкретных климатических условий регионов;

- научно-методологические подходы к вопросам поиска способов повышения эффективности пассивных и активных гелиосистем для достижения максимального возможного замещения в энергопотреблении сооружений;

- результаты теоретических исследований пассивного использования солнечной радиации для проведения производственных процессов термообработки строительных изделий и для компенсации теплопотерь помещениями в холодный период года при нагревании конструкций ограждений;

- рекомендации, разработанные на основе системного анализа и моделирования пассивных способов утилизации излучения, по организации структур поглощающих массивов, включая теплоизоляционные материалы и экранирующие солнцезащитные устройства для сезонных изменений в нагрузках;

- технические решения, обоснованные математическим моделированием и повышающие степень улавливания солнечной энергии, а также обеспечивающие ее длительное хранение при нестабильных погодных условиях в активных гелиосистемах;

- результаты экспериментальных исследований1 альтернативного энергозамещения нагрузок и эффективности плоского коллектора с гофрированным светопрозрачным ограждением в системе солнечного автономного теплоснабжения здания определенного типа.

Обоснованность и достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций, содержащихся. в работе, подтверждены следующими положениями:

- полученные в работе научные результаты базируются на классических положениях теории тепломассообмена;

- удовлетворительным соответствием результатов расчетов, полученных на основе предложенных математических моделей, данным испытаний солнечной системы теплоснабжения, а также известным ранее экспериментальным и теоретическим данным других исследователей.

Практическая значимость работы определяется решением в рамках диссертации крупной проблемы, имеющей энерго- и ресурсосберегающее значение в области развития и совершенствования ЖКХ, а также автономного обеспечения зданий и отделенных населенных пунктов.

Практическая значимость результатов работы заключается в:

- научно-методологическом обосновании возможности применения систем солнечного теплоснабжения в климатических условиях средней полосы России и территорий, относящихся к северным регионам;

- предложенных методологических основах прогнозирования и оценки возможного энергозамещения в теплопотреблении сооружений при проектировании активных и пассивных систем солнечного теплоснабжения;

- технических решениях, повышающих эффективность использования солнечного излучения и расширяющих территориальный диапазон экономической целесообразности альтернативного энергозамещения.

Внедрение в практику состоит в использовании следующих положений диссертации:

- системного подхода к поэтапному решению технических задач использования солнечной радиации в энергозамещении нагрузки объектов в климатических условиях РФ;

- использование на стадии проектирования расчетных алгоритмов определения валового потенциала солнечной радиации для различных регионов, подбора требуемого оборудования гелиосистем, их теплового и гидравлического расчета, включая вопросы стоимости и окупаемости разрабатываемых мероприятий;

- поиска совместно с проектными и монтажными организациями на стадии принятия решений приоритетных объектов для альтернативного теплоснабжения, позволяющих применять энергосберегающие технологии строительства;

Заключение диссертации по теме «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение», Щукина, Татьяна Васильевна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

По среднегодовой интенсивности солнечной радиации территорию ЧРФ предложено подразделять на следующие зоны: южная (ниже 50° с.ш.) - с уровнем радиации 4-4,5 кВт-ч/(м2-день); центральная и северная (от 50° до 65° с.ш., более 70° в.д.) - 3,5-4 кВт-ч/(м2-день) и северо-западная (от 65° до 70° с.ш., менее 70° в.д.) - 3-3,5 кВт-ч/(м2-день). Уровень суммарной солнечной радиации большинства регионов подтверждает возможность альтернативного энергозамещения в потреблении объектов, что согласуется с энергетической стратегией России на период до 2030 г. и утвержденными программами энергосбережения областей. Получены аппроксимационные зависимости для расчета среднемесячной величины солнечного излучения с учетом широты местности, облачности и ориентации плоскости, воспринимающей излучение, позволяющие оценить ресурсы радиации для прогнозирования энергозамещения в зданиях при конкретных метеорологических параметрах района строительства.

На базе существующих способов преобразования и хранения солнечной энергии для теплообеспечения зданий, расположенных в областях с нестабильными климатическими условиями, научно обоснованы приоритетные направления и тенденции повышения эффективности основного оборудования гелиосистем, способствующие в дальнейшем увеличению альтернативной энергии в балансе потребления.

Предложен научно-методологический системный подход в конструировании гелиоустановок для сооружений с учетом климатических особенностей регионов и возможных способов увеличения энергооблученности воспринимающих поверхностей.

Разработаны новые технические решения, повышающие степень улавливания солнечной энергии, эффективность ее использования и увеличи

232 '"'.■.'. вающие:продолжительность хранения при избытке для районов с нестабильными. климатическими условиями. Обеспечиваемый системный рост показателей рабочих режимов оборудования, увеличивает производительность проектируемых гелиоустановок на 30.-40? %, тем самым расширяя территориальные границы их. применения. • ' .

6. 'Для снижения' затрат рекомендовано, осуществлять, процессы: гелиотер--мообработки при производстве бетонных и. железобетонных конструкций, впоследствии применяемых в том числе и при возведении-сооружений с энергосберегающими техническими решениями. Укрытия, имеющие подвижные светопрозрачные ограждения и выполненные без изоляции корпуса, способствуют нагреванию помещенных в них изделий в теплый период года в условиях средней полосы России до требуемых для набора прочности температур 60-80 °С.

7. Применение в плоском коллекторе эффективной тепловой изоляции (с коэффициентом теплопроводности менее 0,05 Вт/(м-°С)) обеспечивает на 20-40 % более равномерный прогрев элементов по сравнению с устройством без, теплоизоляции, что сокращает время проведения гелиоте-мообработки. ■

8. Впервые в результате математического моделирования обосновано аккумулирование теплоты с применением химически активных составов, претерпевающих фазовые превращения от воздействия-активатора и позволяющих увеличить временной интервал между режимами интенсивного улавливания и пикового потребления энергии от 2 до 10 суток. Установлено, что использование в качестве аккумулирующего вещества солевых растворов с низкой температурой плавления, способных переходить в твердое состояние с выделением теплоты лишь только при начальном воздействии активатора, позволяет проводить стабильное энергообеспечение при ухудшении погодных условий, существенно сокращая расход топливных ресурсов при снижении энергооблученности.

9. Экспериментальные исследования тепловой мощности системы теплоснабжения здания, использующей солнечную энергию для замещения нагрузок, позволили получить аналитические зависимости доли альтернативного энергообеспечения в балансе потребления от конструктивных параметров гелиоустановки. Исследования коллектора с гофрированным светопрозрачным ограждением показали повышение кпд по сравнению с базовыми устройствами, имеющими плоское остекление, на 8-11 %.

10. Обоснована экономическая целесообразность использования солнечной энергии для автономного теплоснабжения зданий коттеджного типа, при этом наиболее эффективными являются системы солнечного горячего водоснабжения. Значения доли замещения в нагрузке горячего водоснабжения, обеспечиваемой нетрадиционным решением, и сроки окуJ паемости при среднемировой цене на тепловую энергию составляют соответственно: для Приморского края 66 %, 3 года; для Краснодарского края 53 %, 4 года; для Воронежской области 44 %, 5 лет; для Московской области 40 %, 5,2 года; для Архангельской области 34 %, 6,5 лет; для Ленинградской области 33%, 7,5 лет.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Щукина, Татьяна Васильевна, 2011 год

1. Абуев И.М. Испытание солнечного водонагревателя// Водоснабжение и санитарная техника. 1994. - № 10. - С. 22-23.

2. Авезов Р. Р., Орлов А. Ю. Солнечные системы отопления и горячего водоснабжения. Ташкент: ФАН, 1988. 285 с.

3. Аверкиев М. С. Рассеянная радиация безоблачного неба// Метеорология и гидрология. 1956. № 5. С. 29 32.

4. Анапольская JI. Е., Гандин JI.C. Метеорологические факторы теплового режима здания. Ленинград, 1973. - 239 с.

5. Андерсон Б. Солнечная энергия: Основы строительного проектирования. М.: Стройиздат, 1982 г. - 375 с.

6. Аруова Л.Б. Гелиотехнология при производстве железобетонных изделий в Республике Казахстан// Бетон и железобетон. 2005. - № 3. - С. 16.

7. Ахназарова С. Л., Кафаров В. В. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии: Учеб. пособие для химико-технологических вузов.-М.: Высш. школа, 1978.-319 с.

8. Баланчевадзе В.И., Барановский А.И., Блинкин В.Л. и др. Энергетика сегодня и завтра; Под ред. А.Ф. Дьякова.-М.:Эпергоатомиздат, 1990.-344 с.

9. Безруких П. П., Стребков Д. С. Возобновляемая энергетика: стратегия, ресурсы, технологии. М: ГНУ ВИЭСХ, 2005. - 264 с.

10. Бекмап У., Клейн С., Даффи Дж. Расчет систем солнечного теплоснабжения. М.: Энергоиздат, 1982. - 80 с.

11. Беляев Н.М., Рядно A.A. Методы теории теплопроводности/ Н.М. Беляев, A.A. Рядно учеб. пособ.: в 2-х ч. - М.: Высш. школа, 1982. - Ч. 1. -327 с.

12. Биарзи В. Солнечные коллекторы: эффективность вертикальной установки// Энергосбережение. — 2007, № 3. — С. 80-82.

13. Бизнес и инвестиции в области возобновляемых источников энергии в России: Труды Международного Конгресса, Москва 31 мая 4 июня1999/ Под ред. А. Б. Яновского, П. П. Безруких. Ч. I. М.: Ниц «Инженер», 1999.-32 с.

14. Бизнес и инвестиции в области возобновляемых источников энергии в России: Труды Международного Конгресса, Москва 31 мая 4 июня 1999/ Под ред. А. Б. Яновского, П. П. Безруких. Ч. III. - М.: Научно-инженерный центр «Инженер», 1999. - 407 с.

15. Богословский В. Н. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха): Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1982 - 415 с.

16. Богословский В.Н. Тепловой режим здания.- М.:Стройиздат, 1979.-248 с.

17. Богуславский JI. Д. и др. Экономика теплогазоснабжения и вентиляции. -М.: Стройиздат, 1988. 345 с.

18. Бордовский Г.А., Кондратьев A.C., Чоудери А.Д.Р. Физические основы математического моделирования. — М.: Издательский центр «Академия», 2005.-320 с.

19. Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Бутузов В.В. Гелиоустановки котельных малой мощности// Промышленная энергетика. 2007. - № 6. - С. 43-44.

20. Бутузов В.А., Брянцева Е.В., Потапов Е.А., Бутузов В.В. Разработка и испытание солнечно-топливной котельной// Промышленная энергетика. -2005.-№ 7.-С. 46-49.

21. Бутузов В.А. Состояние и перспективы российского рынка солнечных коллекторов// Промышленная энергетика. 2006. - № 7. — С. 52-55.

22. Валов М. И., Асташенко В. А., Зимин Е. Н. Оценка стоимости солнечного коллектора для систем гелиотеплоснабжения и пути ее снижения //Гелиотехника. 1984. - № 3. - С. 65 - 69.

23. Васильев Ю. С., Хрисанов Н. И. Экология использования возобновляющихся энергоисточников. J1: ЛГУ, 1991. 343 с.

24. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч. I. Отопление / В. Н. Богословский, Б. А. Крупнов, А. Н. Сканави и др.; Под ред. И. Г.

25. Староверова и Ю. И. Шиллера. 4-е изд., перераб. И доп. - М.: Стройиз-дат, 1990.-344 с.

26. Вейеи Ф., Сергиевский Э.Д. Моделирование системы солнечного водонагревателя с использованием MATLAB(Simulink)// Теплоэнергетика. -2005.- № 4. С. 77-80.

27. ВСН 52-86. Нормы проектирования. Установки солнечного горячего водоснабжения.- М.: Госгражданстрой СССР, 1988. 16 с.

28. Гаврилов В. А. О нефелометрическом методе определения прозрачности атмосферы//Метеорология и гидрология. 1951. № 8. С. 37 40.

29. Гамбург П.Ю. Расчет солнечной радиации в строительстве. Учет тепла, вносимого солнечной радиацией.-М.: Стройиздат, 1966. 140 с.

30. Голубчиков Ю. Россия и энергосберегающие технологии// Энергия.-1977.-№ 4.-С. 41-43.

31. ГОСТ Р 51594-2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Термины и определения. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000. - 16 с.

32. ГОСТ Р 51595-2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Общие, технические условия. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000. - 8 с.

33. ГОСТ Р 51596-2000. Нетрадиционная энергетика. Солнечная энергетика. Коллекторы солнечные. Методы> испытаний. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2000.-23 с.

34. Гусев Н.М. Естественное освещение зданий.-М.:Стройиздат, 1961.-171 с.

35. Даффи Дж. А., Бекман У.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии. Мир, 1977. - 420 с.

36. Демиденко Е. 3. Линейная и нелинейная регрессия. М.: Финансы и статистика, 1981 -302 с.

37. Егиазаров А. Г. Отопление и вентиляция зданий и сооружений сельскохозяйственных комплексов. — М.: Стройиздат, 1981. — 239 с.

38. Естественное освещение и инсоляция зданий/ Под ред. Н. М. Гусева. М.: Издательство литературы по строительству, 1968. 271 с.38