В связи с ограниченностью запасов ископаемых источников энергии задача удовлетворения нарастающих потребностей населения и промышленности в электрической и тепловой энергии приводит к необходимости более широкого использования возобновляемых источников энергии: солнца, ветра, рек и водотоков, тепла Земли и низкопотенциального тепла.
В России, с ее многочисленными запасами ценных полезных ископаемых, энергосберегающие технологии в теплоснабжении пока имеют статус нетрадиционных. В условиях стабильного роста цен на традиционные энергетические ресурсы (уголь, природный газ, нефть) и угрожающих масштабов загрязнения окружающей среды наиболее перспективными направлениями развития энергетической отрасли с точки зрения энергосбережения и охраны окружающей среды являются гелиоэнергетика, ветроэнергетика и геотермальная энергетика.
Высокие технико-экономические показатели применения возобновляемых источников энергии, стабильные рабочие параметры энергетического оборудования и стабильное энергоснабжение потребителей достигаются при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии, комплексном ее аккумулировании, и при сочетании различных видов возобновляемых источников энергии, как между собой, так и с технологиями традиционной энергетики.
Рассмотрим систему тепло- и холодоснабжения энергоэффективного жилого дома площадью 240 квадратных метров, расположенного в Нижнем Новгороде (рис. 1). Система энергоснабжения дома предусматривается комплексное использование альтернативных возобновляемых источников тепловой энергии (тепло окружающей среды, солнечное излучение, энергию ветра) наряду с традиционными (электричество, древесное топливо). В основу технического решения заложен принцип максимального использования возобновляемых источников тепловой и электрической энергии [1].
Система теплоснабжения и холодоснабжения здания включает в себя систему сбора теплоты грунта, состоящую из контура циркуляции низкопотенциального теплоносителя, проходящего через скважинные теплообменники и соединенного с тепловым насосом системы «грунт-вода», установленном в тепловом пункте здания.
В баке емкостного водонагрева с пиковым электрическим нагревателем и нижним и верхним теплообменниками происходит нагрев воды на нужды горячего водоснабжения здания. Кроме того, назначением бака емкостного водонагрева является накопление тепловой энергии во время минимального потребления теплоты и отдача ее при максимальных нагрузках.
Система сбора теплоты солнечной энергии включает в себя контур циркуляции теплоносителя, который проходит через вакуумированный трубчатый коллектор, соединенный с нижним теплообменником бака емкостного водонагрева и теплообменником, размещенным в баке косвенного нагрева. Бак косвенного нагрева позволяет наиболее эффективно аккумулировать и затем использовать солнечную энергию. В нем размещен теплообменник, соединенный с солнечным коллектором, пиковый электрический нагреватель и второй теплообменник, соединенный с тепловым насосом системы «грунт-вода». Когда температура в баке косвенного нагрева такая же как в земляном контуре, тепловой насос работает напрямую с грунтовым контуром по байпасу, а когда температура в баке поднимается за счет работы солнечных коллекторов, то тепловой насос работает через него с большей эффективностью.
Рис. 1. Принципиальная схема системы энергоснабжения дома: 1, 2 – трубопроводы внешнего контура; 3 – скважинные теплообменники; 4 – тепловой насос; 5 – бак емкостного нагрева; 6, 25, 29 – пиковый водонагреватель; 7, 8, 11, 12, 26, 30 – теплообменники; 10 – солнечный коллектор; 13 – буферная емкость; 14 – трехходовые краны; 9, 15, 16, 17 – трубопроводы внутреннего контура теплоносителя; 18, 19 – трубопроводы теплохладоносителя; 20, 21 – трубопроводы контура системы отопления; 22 – трубопровод холодного водоснабжения; 23 – трубопровод горячего водоснабжения; 24 – бак косвенного нагрева; 27 – бак-аккумулятор; 28 – парафин; 31, 32 – трубопроводы контура котла; 33 – котел; 34 – ветрогенератор; 35, 36 – электрические кабели
В системе теплоснабжения дома запроектирована установка парафинового бака-аккумулятора, внутри которого размещен теплообменник. Совместное применение парафинового аккумулятора и теплового насоса повышает энергоэффективность последнего, так как у теплового насоса максимальная температура нагрева теплоносителя 50°С, а при нагреве до 50°С парафин аккумулирует больше теплоты, чем вода за счет фазового перехода. Также с помощью парафинового аккумулятора достигается наиболее эффективная работа солнечных коллекторов. [2]
Нагрев теплоносителя на нужды отопления происходит в буферной емкости, которая снабжена пиковым электрическим нагревателем и вторым теплообменником, вход и выход которого через трубопроводы соединены с введенным в систему дополнительным источником теплоты в виде пеллетного или твердотопливного котла.
Ветрогенераторы, установленные на крыше здания (рис. 2), электрически связаны с пиковыми нагревателями бака косвенного нагрева и буферной емкости.
На крыше здания также установлены солнечные панели, преобразующие солнечную радиацию в электрическую энергию. Изделие представляет собой панель, с герметично заламинированными на ней кремниевыми пластинами, в которых происходит преобразование солнечной энергии в электрическую. Сверху панель покрыта закаленным стеклом с низким содержанием оксидов железа, что увеличивает его прозрачность. Панель полностью герметична и выдерживает большие ветровые и снеговые нагрузки. Полученная электрическая энергия накапливается в аккумуляторах и затем используется как на освещение здания, так и для работы теплового насоса.
Система вентиляции в целях энергосбережения спроектирована с рекупераций воздуха. Принцип рекуперации реализован с помощью приточно-вытяжной вентиляционной установки с рекуперацией тепла вытяжного воздуха УВРК-50, вмонтированной в наружную стену здания [3].
Оборудование УВРК подает в помещение свежий теплый воздух в автоматически регулируемом объеме, не потребляя энергии на его нагрев. Работу установки УВРК-50 можно разделить на четыре фазы (Рис. 3).
В фазе 1 вентилятор установки удаляет воздух из комнаты. Воздух, проходя через теплоемкий воздухопроницаемый регенератор, нагревает его.
В фазе 2 регенератор прогрет и происходит реверсирование вентилятора.
В фазах 3 и 4 холодный наружный воздух, проходя через регенератор установки, нагревается почти до комнатной температуры и подается в помещение.
Рис. 2. Энергосберегающий дом: 1 – световой фонарь; 2 – солнечный элемент; 3 – ветрогенератор; 4 – стена энергоэффективного ядра; 5 – солнечный фонарь; 6 – дымоход; 7 – сан.тех. стояк; 8 – охлаждающая поверхность; 9 – греющая поверхность; 10 – буферный бак; 11 – тепловой насос; 12 – геозонд; 13 – аквакамин; 14 – теплые полы; 15 – станция биологической очистки; 16 – аккумулятор теплоты; 17 – декоративный бассейн; 18 – решетка канала рекуперации; 19 – солнечные элементы; 20 – воздухозаборная решетка; 21 – грунтовый контур теплообмена
Рис. 3. Принцип работы установки УВРК-50
Далее процессы повторяются.
Обладая КПД более 90 %, УВРК в 10 раз сокращает вентиляционные потери теплоты на нагрев поступающего воздуха до комнатной температуры и последующее его удаление через систему вытяжки. Такие потери составляют более половины в тепловом балансе здания. Соответственно, примерно в два раза сокращается теплопотребление дома. [4]
Применение современных новейших технологий при проектировании системы энергоснабжения данного здания позволяет максимально использовать альтернативные возобновляемые источники энергии – ветер, солнечный свет и тепло недр Земли. Актуальность внедрения комплексных энергоэффективных систем автономного и смешанного энергообеспечения зданий с использованием возобновляемых источников энергии состоит в снижении потерь невозобнавляемых углеводородных топливных ресурсов, негативного влияния на окружающую среду систем теплоснабжения и в обеспечении повышения энергоэффективности зданий и сооружений.