ПРИМЕНЕНИЕ ЭНЕРГОХРАНИЛИЩ В СИСТЕМАХ ТЕПЛО-ХОЛОДОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ

THE USE OF STORAGE OF ENERGY IN THE HEATING OF COOLING SYSTEM OF BUILDINGS

Anna Kogal

postgraduate student of the Department of engineering systems of buildings and constructions

of the Far Eastern Federal University,

Russia, Vladivostok

Alla Shtym

candidate of Science, associate Professor, Professor of engineering systems of buildings and constructions

of the far Eastern Federal University,

Russia, Vladivostok

АННОТАЦИЯ

В статье представлены схемы систем тепло- и холодоснабжения зданий на основе возобновляемых источников энергии. Подобраны наиболее оптимальные комбинации источников в различное время года.

ABSTRACT

The article presents the scheme of the heating and cooling of buildings which based on renewable energy sources. The most optimal combination of sources is chosen at different times of the year.

Ключевые слова: естественные источники энергии; аккумуляция холода; системы охлаждения; системы теплоснабжения; энергохранилище.

Keywords: natural sources of energy; accumulation of cold; the cooling system; heating system; storage of energy.

Энергия – одно из основных понятий естествознания, определяющее сущность энергетики как способа деятельности по получению, преобразованию, хранению, передаче и использованию энергии в интересах человека. Потребление энергии является обязательным условием существования человечества. Наличие доступной для потребления энергии всегда было необходимо для удовлетворения потребностей человека, увеличения продолжительности и улучшения условий его жизни [1].

Потребление энергии неразрывно связано с такими понятиями как энергоэффективность, энерго- и ресурсосбережение. В настоящее время в мировой практике проектирования энергоэффективных зданий следуют принципам Trias Energetica [3]:

• уменьшение энергозатрат посредством снижения потерь энергии и применения мер по энергосбережению;
• применение возобновляемых источников (энергия небольших водотоков (малых рек, каналов); кинетическая, тепловая и химическая энергия вод морей и океанов; солнечная энергия; энергия ветра; энергия биомассы; тепловая энергия земли; энергия снега и льда);
• эффективное использование энергии в тех случаях, когда возобновляемые источники недоступны.

Возобновляемые источники энергии широко применяются для систем теплоснабжения, холодоснабжения, горячего водоснабжения зданий. Наиболее эффективно комбинировать различные источники энергии для оптимальной работы систем жизнеобеспечения в различные периоды года.

Коллективом кафедры «Инженерных систем зданий и сооружений» Дальневосточного федерального университета разработаны несколько принципиальных схем работы систем тепло-холодоснабжения зданий на основе гибридных установок.

Система на базе использования энергии воздуха, представленная на рисунке 1, включает в себя: тепловой насос «воздух-вода», воздушные солнечные коллектора, фанкойлы, энергохранилище.

Рисунок 1. Систем тепло-холодоснабжения на базе использования энергии воздуха

В целях энергосбережения и стабилизации работы теплового насоса, была разработана конструкция воздушного солнечного коллектора, состоящего из ДСП, металлического профилированного листа (теплоприемник) и поликарбоната. Важным фактором при работе воздушного солнечного коллектора является наличие турбулентного движения потока воздуха внутри него. При ламинарном течении потока появляются неподвижные слои воздух, которые не соприкасается с поверхностью теплообмена.

Тепловой насос «воздух-вода» снижает потребление электрической энергии в три раза. Установка воздушно-водяного теплового насоса требует меньших капиталовложений по сравнению с геотермальным тепловым насосом. Тепловой насос извлекает естественным образом возникающую энергию из атмосферного воздуха и использует ее для обогрева дома и горячего водоснабжения. Тепловой насос, восприняв низкопотенциальную энергию воздуха, превращает ее в высокопотенциальную, нагревая воду до 40ºС. Затем нагретая вода поступает в систему отопления дома – фанкойлы.

В качестве источника дополнительной тепловой энергии в зимний период и источника холодоснабжения в летний период предусмотрено энергохранилище. Энергохранилище (энергоаккумулятор) – установка, работающая на базе естественного источника холода. Принцип аккумуляции энергии заключатся в фазовом переходе воды из жидкого состояния в твердое, при котором выделяется энергия, равная 333 кДж/кг.

Энергохранилище представляет собой помещение, в котором установлены емкости с водой. В холодный период года воздух из помещения подается для поддержки работы теплового насоса, и вода в емкостях постепенно замораживается. Лед сохраняется до теплого периода и служит для охлаждения воздуха для системы кондиционирования. Помещение энергохранилище необходимо тщательно изолировать, для максимального снижения теплохолодопотерь в окружающую среду.

Принцип работы системы заключается в следующем:

1. Для холодного периода года:

Наружный воздух, проходящий через воздушные солнечные коллектора, нагнетается вентилятором в помещение, где установлен тепловой насос до тех пор, пока температура внутреннего воздуха не становится равной или меньше температуры поверхности солнечного коллектора. Затем вентилятор отключается и открывается заслонка приточного воздуховода наружного воздуха, который подается до момента, пока температура наружного воздуха не опускается ниже -15^оС. Как только это происходит, заслонка перекрывается и запускается система воздуховодов энергохранилища, расположенного в подвале. По вытяжному воздуховоду воздух забирается из в помещения, где установлен тепловой насос и подается в энергохранилище, проходя через которое позволяет замораживать воду внутри энергохранилища. Энергохранилище преимущественно работает в ночное время.

2. Для теплого периода года:

Энергохранилище используется в системе кондиционирования здания. Холодный воздух подается по системе воздуховодов, когда температура во внутренних помещениях превышает +28^ОС. При охлаждении воздуха до заданной температуры подача прекращается. Для предотвращения подачи в помещения слишком холодного воздуха предусматривается рециркуляционная линия, которая осуществляет подмес вытяжного воздуха к приточному.

Система на базе использования энергии воды, представленная на рисунке 2, включает в себя: водяные солнечные коллекторы, тепловой насос «вода-вода», энергохранилище, скважины водозаборные и водоприемные. Теплохолодоносителем данной системы будет являться незамерзающая жидкость – раствор этиленгликоля.

Солнечные коллектора предназначены для получения солнечной энергии, и использования ее для покрытия тепловой нагрузки на нужды горячего водоснабжения и на поддержание работы теплового насоса. Излишки тепловой энергии могут быть использованы в энергохранилище для повышения температуры воды перед отопительным периодом.

Рисунок 2. Систем тепло-холодоснабжения на базе использования энергии воды

Тепловые насосы типа «вода/вода» используют тепло грунтовых вод, открытых водоемов или технологической воды. Грунтовые воды характеризуются достаточно стабильной температурой 6–12°C в течение всего года. В сравнении с другими источниками низкопотенциального тепла, использование воды обеспечивает наиболее высокую эффективность теплового насоса. Водозабор и водосброс осуществляется искусственно создаваемыми колодцами и грунтовыми скважинами. Вода, извлекаемая из скважины (колодца) подается в тепловой насос где, охлаждаясь, возвращается через водоприемные колодцы и скважины снова под землю [2].

В этом случае в емкости с водой, расположенные в энергохранилище, помещаются теплообменные контуры, объединенные сборными коллекторами, направление движения теплоносителя в системе попутное. В холодный период года теплоноситель, проходящий через теплообменные контуры, повышая свою температуру, постепенно охлаждает воду, до ее полной заморозки. Лед сохраняется до теплого периода и служит для охлаждения теплоносителя для системы кондиционирования. В теплое время года, когда холодоисточник в энергохранилище окончательно растаял, появляется возможность нагреть воду аккумулировать тепловую энергию до холодного периода года.

Принцип работы системы различается для холодного и теплого периода года и заключается в следующем:

1. Для холодного периода года.

В светлое время суток теплоноситель, проходя через солнечный коллектор, нагревается и сохраняется в аккумулирующей емкости, откуда забирается тепловым насосом. Контур «тепловой насос – бак-аккумулятор» задействован пока температура в баке-аккумуляторе не понизится до +5^оС - это произойдет в темное время суток.

После отключения контура «тепловой насос - бак-аккумулятор» теплоноситель начинает циркулировать через энергохранилище, процесс продолжается до того момента, пока вода в емкостях полностью не замерзнет. Когда замерзание воды завершилось, лед в энергохранилище сохраняется до теплого периода года.

В случае, когда энергохранилище уже не используется, теплоноситель циркулирует через контур «тепловой насос – скважины».

2. Для теплого периода года.

Тепловой насос работает в режиме кондиционирования. Теплоноситель для системы кондиционирования охлаждается двумя способами. Энергохранилище выступает в роли холодоаккумулятора. Теплоноситель, проходя через систему трубопроводов, находящихся в емкостях со льдом, охлаждается, и подается на тепловой насос. В случае недостатка охлаждения при помощи естественного холода, может быть задействован контур «тепловой насос – скважины».

Аккумуляция энергии естественных источников холода позволяет существенно экономить затраты на электроэнергию. Эффективные схемы комбинирования работы различного оборудования на базе возобновляемых источников энергии позволяет поддерживать комфортные условия нахождения людей в помещении.

Широкое использование возобновляемых источников энергии будет способствовать экономическому росту, повышению уровня жизни людей и улучшению состояния окружающей среды.

Список литературы:

1. Горлачев В.Ю. Социально-экологические основания перехода к альтернативной энергетике (Философско-методологический анализ): дис. канд. филос. наук: 09.00.08 / Горлачев Владимир Юрьевич. - М., 2006. - 140 с.
2. Горшков В.Г. Тепловые насосы. Аналитический обзор // Справочник промышленного оборудования, сентябрь-октябрь № 2. – М.: ЗАО «ВВТ», 2004 – 224 с.
3. Infoblad: Trias Energetica en energieneutraal bouwen – [Электронный ресурс] – Режим доступа – URL: www.rvo.nl/energieneutraalbouwen (Дата обращения 06.07.2016).