WWW.KNIGI.KONFLIB.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 
<< HOME
Научная библиотека
CONTACTS

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |

«СЕКЦИЯ 3: Комбинированные энергетические технологии, сочетающие геотермальную энергию и другие ВИЭ КОМБИНИРОВАННАЯ ГЕЛИО-ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ СИСТЕМА ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ...»

-- [ Страница 1 ] --

II Международная конференция

«Возобновляемая энергетика: Проблемы и перспективы» - Махачкала – 2010

Секция 3: «Комбинированные энергетические технологии, сочетающие геотермальную энергию и другие ВИЭ»

СЕКЦИЯ 3:

«Комбинированные энергетические технологии,

сочетающие геотермальную энергию и другие ВИЭ»

КОМБИНИРОВАННАЯ ГЕЛИО-ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ СИСТЕМА

ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ КОТТЕДЖНОГО ДОМА

Алхасов А.Б., Алишаев М.Г.

Учреждение Российской академии наук Институт проблем геотермии Дагестанского НЦ РАН;

Махачкала, Россия; 367030, пр.И.Шамиля, 39а; e-mail: alishaev@rambler.ru Предлагается технология теплоснабжения коттеджей или обособленных хозяйственных зданий совмещенной системой солнечных коллекторов и скважинного теплообменника. Солнечные коллектора в летнее время используются не только для получения горячей воды для бытовых нужд, но и в целях аккумуляции дополнительного количества теплоты и восстановления теплового баланса грунтовых пород, путем закачки нагретой в солнечных коллекторах воды в скважинный теплообменник. В зимнее время скважинный теплообменник с тепловым насосом обеспечивают нагрев воды в системе напольного отопления.

Введение. Геотермальные ресурсы, наряду с другими альтернативными источниками энергии, реально могут претендовать на более значимое место в топливно-энергетическом балансе ряда регионов [1-2]. Основным элементом систем энергоснабжения предприятий с использованием сухого тепла горных пород является теплообменник, в котором теплоноситель отбирает тепло горного массива [3-4]. Во избежание истощения тепла горного массива при длительной эксплуатации, ниже предлагается в летнее время прогонять воду через теплообменник и солнечный коллектор и заранее аккумулировать в горной породе тепловую энергию, которая будет затрачиваться зимой на отопление здания. Вопрос состоит в подборе режимов работы солнечного коллектора и скважинного теплообменника.

С переходом на рыночные формы хозяйствования значительно возрос спрос на коттеджи, расположенные вдали от городского шума. Фермерские хозяйства также требуют освоения новых земель и угодий. Зачастую им необходимо автономное обеспечение энергией, теплом и водой. Нетрадиционные источники энергии порой оказываются более привлекательными, нежели проведение работ по строительству новых коммуникаций.

На рис.1 приведена принципиальная схема солнечно-геотермального теплоснабжения. Аналогичные схемы теплоснабжения коттеджей, использующие неглубокие скважины с грунтовыми теплообменниками, и прогнозные расчеты для средних широт России можно найти в [5]. На возможность реализации сезонного режима работы скважинного теплообменника указано в [6], где приведены соответствующие расчёты. Целью данной работы является разработка методики и проведение расчётных исследований по аккумулированию некоторого количества теплоты в горной породе, за счет циркуляции подогретой солнечным II Международная конференция «Возобновляемая энергетика: Проблемы и перспективы» - Махачкала – Секция 3: «Комбинированные энергетические технологии, сочетающие геотермальную энергию и другие ВИЭ»

коллектором воды в летнее время, и использования такого рода аккумулированного тепла для горячего водоснабжения и напольного отопления в зимнее время.

3 6 14 8 Рис.1. Принципиальная схема солнечно – геотермальной системы отопления и горячего водоснабжения жилого дома (1 – солнечный коллектор; 2 – теплообменник; 3 – теплоизолированный бак-аккумулятор горячего водоснабжения; 4 – отвод горячей воды; 5 – подвод холодной воды; 6 – электронагреватель; 7 – разбор горячей воды; 8 – тепловой насос; 9 – скважина-теплообменник; 10 – циркуляционный насос; 11 – теплоизоляция; 12 – система напольного отопления; 13, 14, 15, 16 – вентили).

Солнечная радиация. Важным элементом изучения является потенциальные возможности солнечных коллекторов для получения теплой и горячей воды в зависимости от общей площади коллекторов и их ориентации, устанавливаемых на крыше здания. Солнечная радиация зависит от времени года и широты местности. Температура нагреваемой воды определяется её объёмом и длительностью дневного времени суток, облачностью и расходом воды по коллектору, если он проточный. На подогреваемой в солнечном коллекторе температуре воды будут отражаться как суточный цикл, так и годовой цикл солнечной радиации. Суточные циклы будем игнорировать, усредняя температуры и радиацию в пределах суток.

Другим важным элементом является скважинный теплообменник. Здесь внутренняя лифтовая труба теплоизолированная. Диаметр скважины 146 мм, диаметр внутренней трубы 54 мм, толщина трубы 7 мм, толщина теплоизолированного слоя 10 мм, кольцевой зазор составляет 29 мм. Естественно нагнетать воду и летом и зимой в кольцевой зазор между лифтовой колонной и скважиной, чтобы иметь лучшие возможности накопления тепла или его съёма.

Ниже изоляция считается идеальной, чтобы существенно упростить расчёты.

Процесс аккумуляции тепла в горной породе и его отдачи в скважину при пониженных температурах воды является периодическим во времени, с периодом в 1 год. Это позволяет отказаться от начальных условий при моделировании задачи, т.е. ограничиться вынужденным периодическим режимом «Возобновляемая энергетика: Проблемы и перспективы» - Махачкала – Секция 3: «Комбинированные энергетические технологии, сочетающие геотермальную энергию и другие ВИЭ»

температурного поля горной породы, которое устанавливается в процессе длительной устойчивой работы системы.



Вначале опишем характер циклического годового режима поступления солнечной энергии на примере г. Сочи (на широте 43,6°, что близко к Махачкале). В метеоданных имеются замеренные значения суммарного поступления солнечной радиации в среднем за каждый месяц. В таблице приведены значения солнечной радиации в г. Сочи для трёх случаев:

горизонтально расположенная панель, наклоненная под углом 35° панель, и вращающаяся вокруг полярной оси панель, следящая за солнцем [7].

Судя по таблице 1, поступление прямой солнечной радиации в летнее время достигает до 200 и более кВт·час в месяц на каждый квадратный метр.

Один солнечный коллектор имеет размеры 1,51,5 м2, и в летнее время может обеспечить съем энергии за месяц до 450 кВт·час, что соответствует потребностям средней семьи. В регионах Северного Кавказа солнечная радиация имеет значения ещё выше из-за большего количества ясных дней в году.

Имеющийся опыт реализации прямой солнечной радиации в тепловую энергию воды свидетельствует о следующем [1]:

• В гостинице «Акация» на курорте «Золотые пески» в Болгарии прямо на крыше установлено 120 коллекторов площадью по 1,5 м2 каждый. Они позволяют нагреть в течение дня 12 м3 воды до температуры 55-60°С. Прирост температуры на 40°С. Суточная тепловая энергия с 1 м2 коллектора составляет 12·4,19·40/180/3,6=3,1 кВт·час.

• На другом Болгарском курорте «Албена» на крыше ресторана «Орхидея»

размещено 100 водяных коллекторов площадью по 1,5 м2 каждый. Они нагревают более 10 м3 воды в день до температуры 70°С. Нагрев воды примерно на 50°С. Суточная энергия с 1 м2 коллектора составляет 10·4,19·50/1,5/100/3,6=3,9 кВт·час.

Эти два примера показывают взаимное согласие и техническую возможность получения с квадратного метра коллектора суточной тепловой энергии 3-4 кВт·час на широтах около 43°. Сравним её со средней суточной солнечной радиацией, замеренной в г. Сочи. Среднесуточная за год радиация составляет для трех случаев расположения панели соответственно значения: 3,74;

4,22 и 5,84 кВт·час. Вероятнее всего, в таблице 1 приведены максимальные возможности летних месяцев. Среднее по июню, июлю и августу (62 дня) суточные значение солнечной радиации составят для трех случаев значения 9,53;

9,35 и 13,58 кВт·час. Для солнечных коллекторов, установленных неподвижно на крышах зданий, за коэффициент полезного действия можно с уверенностью принять 3,5/9,35=0,37. На такое, или большее значение коэффициента полезного действия можно ориентироваться и в г. Махачкале, расположенном чуть южнее Сочи. Опыт эксплуатации австрийских солнечных домиков на полигоне «Солнце»

показывает, что вода в коллекторах прогревается в летние дни до температур 60С.

В летнее время температура подогретой в солнечном коллекторе и закачиваемой в скважинный теплообменник воды может достигать до 60°С, тогда «Возобновляемая энергетика: Проблемы и перспективы» - Махачкала – Секция 3: «Комбинированные энергетические технологии, сочетающие геотермальную энергию и другие ВИЭ»

как в зимнее время её значение едва ли достигнет и до 10°С. Среднее значение температуры закачиваемой воды за год составит 35°С, что превышает температуру нейтрального слоя на 20°С. Циклический режим закачки воды с её температурой из солнечного коллектора в естественном режиме означает, что на среднюю температуру воды 35°С накладываются и её колебания с амплитудой 25°С.

На рис.2 представлено сравнение получаемой коллектором солнечной радиации при ее наклоне 35° с аппроксимирующей кривой, представляющей квадрат синусоиды с добавленной константой, соответствующей минимальному значению месячной солнечной радиации, т.е.

Из сравнения видно, что такое описание является удовлетворительным.

Рис.2. Сравнение суммарной месячной солнечной радиации в г. Сочи (кВт·час/м2) с периодической гармоникой, подобранной для её аппроксимации.

Если рассматривать поступление прямой солнечной радиации за пределами плотной атмосферы на панель, расположенную на сферической поверхности Земли горизонтально, то надо воспользоваться так называемой солнечной постоянной. Её значения по многолетним спутниковым наблюдениям стабильно и меняется в пределах от 1365 до 1367 Вт/м2. Это поток солнечной энергии, падающий на площадку, расположенную перпендикулярно солнечным лучам. Что касается потока энергии на горизонтальную площадку, то её значение получим как произведение солнечной постоянной на косинус угла между направлением на солнце и нормалью к земной поверхности. Этот угол зависит от географической широты местности, времени года и времени суток.

Способ расчета солнечной радиации на любое время суток в зависимости от географической широты и положения земного шара в плоскости эклиптики указан, например, в [8]. При некоторых упрощающих предположениях (орбита Земли принята за окружность, радиус Земли принят пренебрежимо малым по сравнению с расстоянием от Земли до Солнца) удается проинтегрировать за световой день поток солнечной на горизонтальную площадку и для каждого из 365 дней получить суммарный за световой день поток лучистой энергии. На рис. представлены кривые для экватора и северных географических широт 20°, 40° и 60°. Как видно на рис. 3, суточный поток лучистой солнечной энергии на экваторе составляет около 10 кВт·час, на широте 40° максимальное летнее значение доходит до 12 кВт·час, минимальное зимнее значение выше 3,6 кВт·час. Что «Возобновляемая энергетика: Проблемы и перспективы» - Махачкала – Секция 3: «Комбинированные энергетические технологии, сочетающие геотермальную энергию и другие ВИЭ»

касается месячных значений солнечных радиаций, то их значения приведены в таблице 2.



Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |