Тавричанка, Приморский край, Россия
с 01.01.2020 по 01.01.2022
Хабаровск, Хабаровский край, Россия
УДК 697.7 Прочие виды отопления, например отопление энергией солнечных лучей
Солнечная энергия является одним из источников возобновляемой энергии, однако на территории России в холодный период года использование солнечной энергии затруднено из-за низких температур наружного воздуха. Целью данной статьи является анализ возможности энергосбережения для индивидуального жилого дома в городе Владивостоке при использовании накопления солнечной энергии в пристройке-теплице и теплового насоса для передачи теплоты в систему отопления. Широта города 43°, однако, расчетная температура для проектирования отопления составляет -22 °С, что сильно затрудняет использование солнечной теплоты. Анализируется возможность накопления низкопотенциальной теплоты в специально оборудованной пристройке (теплице) для преобразования тепловым воздушно-водяным насосом, чтобы в дальнейшем использовать для нужд отопления. В качестве материала отделки пристройки были рассмотрены две конструкции: двухслойный поликарбонат с воздушной прослойкой и энергосберегающий стеклопакет. Расчет показал, что в самый холодный месяц – январь потенциал солнечной тепловой энергии составляет 14–37 % от необходимой потребности в теплоте в зависимости от применяемого в конструкции пристройки материала. В марте и апреле образуется излишек теплоты, который может быть использован для нужд горячего водоснабжения. Таким образом, для индивидуального жилого дома использование солнечной теплоты, аккумулированной в пристройке-теплице актуально в качестве дополнительного источника теплоты для системы отопления.
энергоэффективный дом, энергосбережение, солнечная радиация, пассивный дом, отопление
Введение. Использование солнечной энергии для нагрева теплоносителя для удовлетворения потребности в отоплении становится все более популярным. Связано это в том числе со стремительным сокращением природных ресурсов планеты и, как следствие, ростом цен на ископаемое топливо [1]. Впервые нагреть воду с помощью солнца попытался швейцарский ботаник Орас Бенедикт де Соссюр в 1767 году [2]. С тех пор технология претерпела ряд изменений и была значительно улучшена. На сегодняшний день распространено использование солнечной энергии для строительства энергоэффективного или пассивного домов [3]. Примером такого дома может служить дом Нордендрф. При его проектировании было учтено множество факторов, которые могут повлиять на его экономичность. Так, он сориентирован балконами и террасами на южную сторону, чтобы солнечное тепло могло максимально проникать внутрь, в то время как с северной стороны остекление весьма незначительное [4]. Существует множество примеров не только строительства новых пассивных домов, но и реконструкции старых неэкономичных зданий с применением основных принципов энергоэффективности по всему миру [5]. Довольно распространена практика использования воздушных солнечных коллекторов и других способов аккумулирования солнечной теплоты для повышения энергетической эффективности домов [6]. Однако, стоит отметить, что эффективность солнечного отопления напрямую зависит от угла падения солнечных лучей. Так, разработаны технологии, позволяющие следовать углу падения солнечных лучей в течение года [7] или суток [8].
Идея использовать дополнительные пристройки для накопления солнечного тепла и его дальнейшего использования в темное время суток давно описывается в научных работах [9, 10]. Также обязательным условием при проектировании пассивного дома является использование рекуперации [11]. Тепловые насосы позволяют собрать и сохранить максимум энергии, полученной от солнца [12]. Так, в научной работе был рассмотрен двухэтажный каркасный дом с пристроенной теплицей. Для передачи тепла от пристройки к северной стене используют систему труб с водой в качестве теплоносителя [13].
Объект и задачи исследования. В данной статье объектом исследования является частный жилой дом с возможностью частичного удовлетворения нужд отопления накопленной солнечной энергией, собираемой тепловым насосом в пристройке-теплице.
Поставлены следующие задачи: определить теплотехнические показатели исследуемого объекта; произвести расчет теплопоступлений от солнечной радиации в теплицу для каждого месяца отопительного периода; оценить эффективности использования теплоты солнечной радиации.
Методика. Проводится анализ результатов расчета поступления солнечной радиации в объем пристройки и сравнение с расчетной нагрузкой по отоплению.
Основная часть. Описание объекта:
а) место строительства – г. Владивосток (зона влажности - нормальная);
б) назначение здания – жилое, температура внутреннего воздуха tв = 20 °С;
в) высота здания – 8,2 м, количество этажей - 2, общая площадь – 95 м2 ;
д) расчетные параметры наружного воздуха, для проектирования отопления: температура воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 t5н = -22 °С, продолжительность периода со среднесуточной температурой ≤ 8 °С zот.пер =199 сут., средняя температура за этот период tот.пер = -4,3 °С;
е) размеры теплицы 3×6,4 м, кровля имеет уклон 20°, высота в месте примыкания к дому h = 3,8 м (рис. 1);
г) данные по плотности потока солнечной радиации в г. Владивостоке были получены из исследований NASA (табл. 1). На соответствующем сайте были заданы координаты города Владивостока и получены данные о рассеянной и суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность.
В качестве основного материала стен жилого дома принят полистиролбетон (рис. 2).
Таблица 1
Поверхностная плотность потока солнечной радиации, Вт/м2
|
Параметр |
ноябрь |
декабрь |
январь |
февраль |
март |
апрель |
|
Поверхностная плотность потока прямой солнечной радиации |
1680 |
1530 |
1870 |
2730 |
3270 |
3180 |
|
Поверхностная плотность потока рассеянной солнечной радиации |
650 |
450 |
480 |
680 |
1180 |
1830 |
Рис. 1. План первого этажа с пристройкой
Рис. 2. Теплотехнические показатели проектируемого ограждения из полистиролбетона
Выполнен теплотехнический расчет стены с учетом неоднородностей. В качестве теплотехнических неоднородностей приняты элементы навесного вентилируемого фасада: саморезы длиной 70 мм и диаметром 4,2 мм, деревянный брус с размерами сечения 50×50 мм. На 1 м2 стены приходится 4 элемента теплотехнической неоднородности. Требуемое сопротивление теплопередачи 
=3,092 м2·°С/Вт. Осредненное по площади условное сопротивление теплопередаче 
= 4,74 (м2·°С)/Вт, приведенное сопротивление теплопередаче глухой (без проемов) стены с НФС 
= 4,42 (м2·°С)/Вт, коэффициент теплотехнической неоднородности составил 0,93.
Произведен расчет теплопотерь для месяцев года со среднемесячной температурой ниже 8 °С (табл. 2). Теплопотери разделены на 2 части: через ограждающие конструкции – Qогр и расход теплоты на нагрев вентиляционного воздуха Qвент. При расчетной температуре tн=-22 °С Qогр составили 5460 Вт.
Потребность теплоты на подогрев вентиляционного воздуха определена при норме 3 м3/ч на м2 жилой площади дома. Требуемый расход приточного вентиляционного воздуха – 241 м3/ч, минимально требуемый расход вытяжного воздуха 165 м3/ч. По балансу расход вытяжного воздуха увеличен до 216 м3/ч. Система вентиляции принята механическая как наиболее надежная и обеспечивающая устойчивый воздухообмен. Для сокращения тепловой нагрузки на подогрев приточного воздуха принято использовать пластинчатый рекуператор в приточно-вытяжной установке как одно из наиболее эффективных решений по экономии энергоресурсов для жилых домов [14]. Подобрана приточно-вытяжная установка c мембранным рекуператором Royal clima серия SOFFIO Uno модель RCS-350-U. Максимальный расход воздуха 319 м3/ч. При минимальной эффективности рекуперации (из технических характеристик эффективность рекуператора составляет 68–84 %) при расчетной температуре расход тепла на подогрев приточного воздуха снизится с 3433 до 1128 Вт.
Удельная характеристика расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию составляет 0,519 Вт/(м3·°С), и, соответственно, частный жилой дом отвечает требованиям энергетической эффективности зданий согласно приказу №1550/пр от 17 ноября 2017г. «Об утверждении Требований энергетической эффективности зданий, строений, сооружений».
Результаты расчетов также представлены на рисунке 3.
Таблица 2
Теплопотери через ограждающие конструкции и вентиляцию
|
Параметр |
Месяц |
|||||
|
ноябрь |
декабрь |
январь |
февраль |
март |
апрель |
|
|
Среднемесячная температура, °С |
-0,9 |
-9,5 |
12,6 |
-9,1 |
-2,1 |
4,8 |
|
Qогр, Вт |
625,80 |
1263,61 |
1493,52 |
1233,94 |
722,41 |
185,06 |
|
Qвент без рекуперации, Вт |
1708,2 |
2411,1 |
2664,5 |
2378,4 |
1806 |
1242,3 |
|
Qвент с рекуперацией, Вт |
461,1 |
732,9 |
830,8 |
720,2 |
499,0 |
281,0 |
|
Эффективность рекуперации, Вт |
1247,1 |
1678,2 |
1833,6 |
1658,2 |
1307,3 |
961,4 |
Рис. 3. Диаграмма, отражающая теплопотери через ограждающие конструкции и вентиляцию с применением и без применения рекуперации
Расчет теплопоступлений от солнечной радиации в теплицу. Пристройка представляет из себя прямоугольное в плане помещение, имеющее одну общую стену с домом. Остальные три стены и крыша выполнены из светопрозрачных конструкций. Размеры пристройки в плане 6,4×3 м. Высота: от 2,7 м до 3,8 м. Угол наклона крыши пристройки составляет 20˚.
Рассмотрено два варианта конструкций:
– теплица из поликарбоната;
– теплица из энергосберегающего стеклопакета.
Сопротивление теплопередаче для поликарбоната составляет 0,727 м2·°С/Вт, для энергосберегающего стеклопакета 1,56 м2·°С/Вт.
Для расчета потока солнечной радиации на наклонную поверхность принята методика, основанная на общеизвестных зависимостях [15]. Вычислена прямая и рассеянная радиация за каждый час светового дня в каждом месяце года на горизонтальную и наклонную поверхности по четырем сторонам ориентации здания (по Ю-З, С-З, С-В и Ю-В направлениям). Интенсивность солнечной радиации у земли на произвольно наклоненную поверхность, Вт/м2 [16]:
, (1)
где 
– интенсивность солнечной радиации у земной поверхности на горизонтальную поверхность, Вт/м2, за расчетный час; 
широта, рад.; 
– склонение Солнца, рад.; 
– часовой угол Солнца в данный момент времени, отсчитываемый от момента истинного полудня, рад; 
– угол наклона солнечной поверхности к горизонту, рад (рис. 4).
– азимут поверхности, измеряется как угол между нормалью к поверхности и направлением на юг, рад.
На рисунке 5 представлен график суммарного потока радиации на 1 м2 теплицы по часам суток январь и март на стену и крышу под углом 20° в юго-западном направлении.
Рис. 4. Падение солнечного луча S на произвольно наклоненную поверхность
Рис. 5. График суммарного потока радиации на 1 м2 теплицы по часам суток январь и март на стену и крышу под углом 20
в юго-западном направлении
Задача расчета теплового потока в теплицу зависит от множества факторов: аккумулирующей способности ограждающих конструкций и поверхностей, температурного режима работы теплового насоса, теплопоступлений от солнечной радиации в светлое время суток, теплопоступлений через стену дома от отапливаемых помещений, теплопотерь через светопрозрачные ограждения, распределения воздушных потоков внутри теплицы. Для упрощения задачи на данном этапе исследований, для зимних месяцев (декабрь, январь, февраль) температура внутри теплицы принята 0 °С для ноября, марта, апреля +5 °С, и тепловой поток через 1 м2 светопрозрачных ограждающих конструкций рассчитан упрощенно, как суточная сумма теплопоступлений для каждого часа суток, Вт/м2:
(2)
где ip – количество суммарной солнечной радиации, падающей на 1 м2 произвольно наклоненной ограждающей конструкции в расчетный час суток, Вт/м2; 
– светопроницаемость светопрозрачной ограждающей конструкции (принята 76 % для поликарбоната и 56 % для энергосберегающего стеклопакета); 
– коэффициент, учитывающий степень загрязнения светопрозрачной конструкции, принят 0,9; R – сопротивление теплопередаче, 
; 
– средняя температура наружного воздуха в расчетный месяц; 
– среднесуточная температура внутреннего воздуха в теплице: в зимний период – 0 °С, в межсезонье – 5 °С.
На рисунке 6 приведены результаты расчета теплового потока через 1 м2 крыши теплицы.
Рис. 6. График теплового потока через 1 м2 крыши теплицы с ноября по апрель по часам в течение суток на наклонную поверхность в юго-западном направлении
Результаты расчета по оценке эффективности использования теплоты солнечной радиации, поступающей в теплицу-пристройку, для ограждающих конструкций из поликарбоната и энергосберегающего стеклопакета приведены в таблице 3.
Таблица 3
Оценка эффективности использования теплоты солнечной радиации
|
Параметр |
Месяц |
|||||
|
Ноябрь |
Декабрь |
Январь |
Февраль |
Март |
Апрель |
|
|
Средняя температура за месяц, ˚С |
-0,9 |
-9,5 |
-12,6 |
-9,1 |
-2,1 |
4,8 |
|
Теплопотери удельные без рекуперации, Вт |
2334 |
3675 |
4158 |
3612 |
2529 |
1427 |
|
Теплопотери удельные с рекуперацией, Вт |
1087 |
1996 |
2324 |
1954 |
1221 |
466 |
|
Теплопотери без рекуперации в сутки, Вт·сут |
56016 |
88193 |
99792 |
86696 |
60688 |
34257 |
|
Теплопотери с рекуперацией в сутки, Вт·сут |
26085 |
47915 |
55784 |
46900 |
29314 |
11184 |
|
Для поликарбоната |
||||||
|
Суммарные теплопоступления в теплицу, Вт·сут |
23332 |
8909 |
8048 |
31473 |
58545 |
87001 |
|
Обеспечение отопления без применения рекуперации |
42 % |
10 % |
8 % |
36 % |
96 % |
254 % |
|
Обеспечение отопления с применением рекуперации |
89 % |
19 % |
14 % |
67 % |
200 % |
778 % |
|
Для энергосберегающего стеклопакета |
||||||
|
Суммарные теплопоступления в теплицу, Вт·сут |
29433 |
18614 |
20903 |
40635 |
64931 |
87037 |
|
Обеспечение отопления без применения рекуперации, % |
53 % |
21 % |
21 % |
47 % |
107 % |
254 % |
|
Обеспечение отопления с применением рекуперации, % |
113 % |
39 % |
37 % |
87 % |
222 % |
778 % |
Выводы. Проанализирована возможность использования теплоты солнечной радиации, поступающей в пристройку-теплицу, для частного жилого дома в холодный период года. В месяц с самой низкой температурой – январь, при отсутствии рекуперации теплоты вентиляционного воздуха теплопоступления в теплицу составляют 14 % (стеклопакет) или 8 % (поликарбонат) от суточной потребности в теплоте для отопления дома, при использовании рекуперации – 37 % (стеклопакет) или 21 % (поликарбонат). Для марта и апреля теплопоступления от солнечной радиации полностью обеспечивают нужды отопления и имеющиеся излишки могут быть использованы для нагрева воды для ГВС. При использовании энергосберегающего стеклопакета и рекуперации теплоты теплопоступления в теплицу также обеспечивают нужды отопления в ноябре месяце. Использование рекуперации теплоты вытяжного воздуха существенно снижает нагрузку на отопление. С ноября по февраль потребность в теплоте может быть лишь частично удовлетворена солнечной энергией и требуется основной источник теплоты – котел.
Таким образом, использование энергосберегающего стеклопакета для накопления солнечной энергии более эффективно, однако стоимость одного квадратного метра энергосберегающего стеклопакета в среднем составляет около 6400 р., а два слоя прозрачного сотового поликарбоната толщиной 16 мм обойдутся примерно в 2000 р. за кв. м., что существенно скажется на экономических показателях.
1. Hussain J., Khan A., Zhou K. The impact of natural resource depletion on energy use and CO2 emission in Belt & Road Initiative countries: A cross-country analysis // Energy. 2020. Vol. 199. 117409
2. Фрид С.Е., Мордынский А.В., Арсатов А.В. Солнечные водонагреватели аккумуляционного типа // Теплоэнергетика. 2012. Том 59. № 11. С. 874-880. doi:https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117409.
3. Attia S. Evolution of Definitions and Approaches // Net Zero Energy Buildings (NZEB). Butterworth-Heinemann, 2018. 400 p.
4. Ламмаер Ф. Типовые проекты: энергосберегающие и пассивные дома. Pro Passivhaus, 2017. 42 с.
5. Лисина О.В. Оценка потенциала инновационной концепции энергоэффективного экодевелопмента: новинки инженерного оборудования и технологии проектирования // Управление устойчивым развитием. 2016. № 2. С. 66-72.
6. Towler F.B. The Future of Energy. Academic press, Queensland, 2014. 376 p.
7. Пат. 171 845, Российская Федерация, МПК A01G 9/24, F24J 2/52. Система солнечного теплоснабжения / А. В. Бастрон; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Красноярский государственный аграрный университет". № 2014144390, заявл. 31.10.2014; опубл. 19.06.2017, Бюл. № 17.
8. Пат. 2 740 437, Российская Федерация, МПК H01L 31/02, H01L 31/054. Концентраторная солнечная энергетическая установка / Андреев В.М., Андреева А.В., Давидюк Н.Ю., Садчиков Н.А., Чекалин А.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук. № 2020115244, заявл. 28.04.2020; опубл. 14.01.2021, Бюл. № 2.
9. Пат. 110823, Российская Федерация, МПК F24D 3/12. Устройство для обогрева загородного дома с пристенной теплицей / Долгополов В.Д., Рыбьякова М.В., Финаев А.В.; заявитель и патентообладатель Долгополов В.Д. № 2011131222/12. заявл. 26.07.2011; опубл. 27.11.2011, Бюл. № 33.
10. Пат. 2 606 891, Российская Федерация, МПК E04H 1/00, F24D 5/10, E04B 1/76. Энергоэффективное отапливаемое здание с теплицей / Ризванов С.Ф.; заявитель и патентообладатель Ризванов С.Ф. № 2015122787, заявл. 15.06.2015; опубл. 10.01.2017, Бюл. № 1.
11. Чуйков Д. А. Система энергосбережения путем рекуперации уходящего тепла // Научные исследования молодых учёных. Cборник статей XVI Международной научно-практической конференции. Пенза, 2022. С. 63-66.
12. Lazzarin R. Heat pumps and solar energy: A review with some insights in the future // International Journal of Refrigeration. 2020. Vol. 116. Pp. 146-160. doi:https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2020.03.031.
13. Mears D.R. Solar Heated Home Using an Attached Greenhouse and a Woodburning Stove. NAR ASAE Meeting. New jersey, 2004. 11 p.
14. Ma P.J., Lizarraga S., Picallo-Perez A. Exergy Analysis and Thermoeconomics of Buildings. Butterworth Heinemann, 2020. 1069 p.
15. Кондратьев К.Я. Актинометрия. Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1965, 693 с.
16. Назаров Б.И., Салиев М.А., Махмудов А.Н., Абдуллаев С.Ф. Расчёт потока суммарной радиации на наклонную плоскость солнечных приёмников в условиях аэрозольного Загрязнения атмосферы // Доклады академии наук республики Таджикистан. 2015. Том 58. №12. 8 c.
