Перспективи використання геліосистем з високотемпературними органічними теплоносіями

Гламаздін Павло Михайлович

доцент кафедри теплотехніки

Київський національний університет будівництва і архітектури

Сірохіна Евеліна Олександрівна

студентка 6 курсу, спеціальність 192 «Будівництво та цивільна інженерія»

Київський національний університет будівництва і архітектури

ЕКОЛОГІЯ (Альтернативні (відновлювані) джерела енергії)

Перспективи використання геліосистем з високотемпературними органічними теплоносіями

Сонячна енергія - це найбезпечніше екологічне джерело енергії. У сучасному світі сонячна енергія широко використовується в різних галузях, зокрема, в теплопостачанні, включаючи гаряче водопостачання і опалення, а також для холодопостачання, кондиціонування повітря і в інших технологічних процесах [1].

На сьогодні найбільш ефективним і простим напрямом використання сонячної енергії є безпосереднє перетворення її в низько потенціальну теплову енергію. Використання систем сонячного теплопостачання характеризуються доступністю, відновленням, безпечністю та екологічністю.

За своїми кліматичними умовами Україна сприятлива та приваблива до використання енергії сонячного випромінювання в системах теплопостачання. Середньорічний потенціал сонячної енергії в Україні досить високий. Максимальне сумарне сонячне випромінювання за день в Україні сягає 8 кВт-год/м² влітку і 3 кВт-год/м² в сонячний зимовий день, залежно від регіону, рівень сонячної радіації, в Україні складає 1000-1350 МВт рік, а можливий потенціал сонячної генерації в Україні становить приблизно 4 ГВт [2], що дає зможу ефективно використовувати теплоенергетичне обладнання на території країни.

Основним елементом для перетворення сонячної радіації в теплову енергію є сонячний коллектор. Ефективність сонячних колекторів залежить від конструкції і дає можливість використати навіть до 85% сонячної енергії [3]. На даний час існує два види сонячних колекторів – плоскі сонячні колектори та вакуумно-трубчасті сонячні колектори. Традиційними теплоносіями для систем є вода та водні розчини пропіленгліколю.

Геліотеплопостачання привабливе не тільки з точки зору, наближення до безвуглецевої енергетики, а й з точки зору зменшення шкідливих викидів в атмосферу оксиду вуглецю СО та оксидів азоту (NOx), які супроводжують використання органічних палив. Можна оцінити зменшення цих викидів на прикладі використання геліосистем для покриття навантаження на гаряче водопостачання, як набільш просту, ефективну і дешеву геліосистему для умов України. Для аналізу вибрано два об’єкти з різним навантаженням на гаряче водопостачання: котедж з чотирма мешканцями та багатоквартирний житловий будинок з трьохсот сорока (340) мешканцями. Кількість тепла, необхідного для покриття середньодобового навантаження на гаряче водопостачання отримано за нормативною методикою ДБН В.2.6- 31 2006. Кліматичні умови прийняті для регіону м. Києва згідно ДСТУ-Н Б В.1.1-27:2010. Результати розрахунків зведено в таблицю 1.

Кількість палива, необхідна для отримання необхідної теплоти отримано за умов використання природного газу з теплотворною здатністю 8400 ккал/м³ згідно стандарту ГОСТ 5542. Для порівняння прийнято два варіанти теплопостачання: від конденсаційного газового котла з ККД 98 % та через електричні водонагрівачі. В останньому варіанті джерелом електроенергії прийнято теплову електростанцію, що працює за циклом Ренкіна з ККД 38%. Кількість викидів, що супроводжує генерування оцінена за методикою ГКД 34.02.305-2002 «Викиди забруднюючих речовин в атмосферу від енергетичних установок» і результати представлені в таблиці 2.

Але досягнути таких результатів навряд чи можливо через нестабільне надходження сонячного випромінювання на колектори протягом доби, року і навіть протягом світлового дня. Для досягнення повного заміщення органічного палива необхідно використовувати або дублери, які спалюють так, чи інакше органічні палива або використовувати акумулятори теплоти. Якщо ставити за мету відсутність викидів СО та NOx при експлуатації геліосистеми, то необхідно розглядати другий варіант геліосистеми – використання акумуляторів тепла.

Але при прагненні досягнення повного заміщення органічного палива виникають проблеми з розмірами акумулятора і площею геліополя. Крім того для геліосистеми, призначеної для гарячого водопостачання, з’являється проблема відсутності синхронованості між споживанням теплоти і її надходженням – найбільша інтенсивність інсоляції приходиться на середину дня, але цей час як раз співпадає з денним зменшенням споживання гарячої води. Цей час можна було б використовувати для заряджання  теплоакумулятора, але при використанні традиційного для геліосистем гарячого водопостачання теплоносія – води або водних розчинів пропіленгліколя – виникає проблема так званої стагнації системи. При відсутності розбирання теплоти температура води в колекторі і відповідно і усій системі починає різко зростати і може досягати значень, що перевищують температуру насичення. Поява великої кількості водяної пари в системі призведе до різкого зростання тиску в системі і в результаті до аварійних ситуацій. На сьогодні існує декілька методів запобігання закипанню води, [4], але всі вони призводять до виключення системи на час стагнації, що веде до втрати найбільш інтенсивної інсоляції (рис.1).

Для компенсації цих втрат приходиться збільшувати площу геліополя, що небажано з декількох причин. Такий перебіг розвитку геліосистеми геліосистем гарячого водопостачання стримує їх розповсюдження. Вирішення проблеми бачиться в заміні – води та водних розчинів пропіленгліколю на інші рідини, які б мали високу температуру насичення при малому тиску. В якості такої рідини можуть виступати так звані високотемпературні органічні теплоносії (ВОТ), досвід використання яких накопичений в інших галузях промисловостей [5]. Серед них є такі, що мають температуру кипіння до 400 ºС при тиску на рівні 0,2...0,3 МПа, який може бути прийнятий для конструкцій елементів геліосистеми. Це зніме проблему стагнації геліосистеми. Більше того, можливість отримувати і відповідно акумулювати теплоту при більш високих температурах дає змогу зменшити об’єм, акумуляторів теплоти. Наприклад, якщо для розглянутих на початку статті прикладів об’єми добових акумуляторів для котеджа і багатоквартирного будинку при температурі теплоносія 95 ºС складають 0,5 м³ (500 л ) та 2 м³ (2000 л )  відповідно, та при температурі 300 ºС вони зменшуються до 0,1 м³ (130 л ) та 0,5 м³ (528 л )

Висновок Використання ВОТ для геліосистем дозволяє збільшити інтенсивність поглинання інсоляції і зменшити через це розміри геліополя і акумулятора теплоти, розширюючі тим самим перспективи використання геліосистем.

Література:

1. «Солнечные установки Vaillant». Електронний ресурс. Режим доступу: https://www.vaillant.ua/downloads/ catalog/2019-2020/vaillant-innovation-catalog-2019-2020-1662120.pdf


2. Карта розповсюдження сонячного випромінювання по Україні [Електронний ресурс] uk.wikipedia.org/wiki/ Сонячна_енергетика_ України.


3. Нетрадиційні та поновлювальні джерела енергії: Навчальний посібник О.І.Соловей, Ю.Г. Лега, В.П. Розен, О.О. Ситник, А.В. Чернявський, Г.В.Курбака; За заг. ред. О.І. Солов’я. – Черкаси: ЧДТУ, 2007.


4. Руководство по проектированию систем солнечного теплоснабжения. К 10-летию ООО «Виссманн» в Украине. К. «Злато-Граф», 2010 – Язык русский/[Електронний ресурс]/file:///D:/pr_kniga-pro-solnce_06-2010.pdf


5. Heat transfer technique with organic media/ by Obering. Walter Wagner with 2nd Edition 1997 © 1997 by Dr. Ingo Resch GmbH Maria-Eich StrafSe 77, 82166 Graefelfing, Germany.

Керівник: Гламаздін П.М., кандидат технічних наук,

доцент кафедри теплотехніки