Кенисарин М.М., Карабаев М.К. Централизованные системы солнечного теплоснабжения с сезонным аккумулированием тепла

Подождите немного. Документ загружается.

О Б З О Р Н А Я

ИНФОРМАЦИЯ

Научно-исследовательский институт

научно-технической информации

и технико-экономических исследований

Госплана Узбекской ССР

Централизованные системы

солнечного теплоснабжения

с сезонным аккумулированием

тепла

Ташкент – 1987

Научно-исследовательский институт научно-технической

информации и технико-экономических исследований

Госплана Узбекской ССР

УДК 699.7

М. М. Кенисарин, М. К. Карабаев

ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫЕ СИСТЕМЫ

СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ С СЕЗОННЫМ

АККУМУЛИРОВАНИЕМ ТЕПЛА

(обзор)

Ташкент – 1987

УДК 697.7

Централизованные системы солнечного теплоснабжения с се-

зонным аккумулированием тепла (обзор). Кенисарин М.М., Карабаев

М. К. – Ташкент: УзНИИТИ, 1987

Описаны различные типы сезонных аккумуляторов тепловой

энергии. Рассмотрены технико-экономические параметры центра-

лизованных солнечных систем теплоснабжения с долговременными

аккумуляторами тепла, которые эксплуатируются, в настоящее вре-

мя, в различных странах Европы.

Показана целесообразность ис-

следо-вания и разработки подобных систем в южных регионах стра-

ны.

Табл. 5, рис. 2, библиогр. 54

Рецензент Р. Р. Авезов

Мурат Мухамедович Кенисарин,

Мухаммед Карабаевич Карабаев

Централизованные системы солнечного теплоснабжения

с сезонным аккумулированием тепла

Ответственная за выпуск Э.К.Молодовская

Редактор З.К.Сеттарова

Техред-

машинистка З.Г.Сафиуллина

Подписано в печать 16.04.87 Формат бумаги 60х84 1/16

Печ.л. 2,25 Усл. п. л. 2,0 Уч.-изд.л 2,1 Усл.кр.-от. 2,55

Изд. № 357/87 Инд.143 Тираж 342 Цена 42 коп. Р 17002

Печатно-множительный отдел Заказ № 550

информации и технико-экономических исследований

Госплана Узбекской ССР, 1987

ВВЕДЕНИЕ

Энергетический кризис, поразивший капиталистические страны

в начале 70-х годов, стимулировали исследования и разработки в

области использования солнечной энергии для отопления и горяче-

го водоснабжения. Широкие и скоординированные исследования и

разработки в этой области осуществляются в настоящее время как

в рамках Международного энергетического агентства (МЭА), так и

Европейского

экономического сообщества.

В рамках исследовательской программы МЭА уже разработа-

ны методы численного моделирования (МИНСАН) [1,2] централизо-

ван-ных солнечных систем теплоснабжения с сезонным аккумули-

рова-нием тепла (ЦССТСАТ). Программа МИНСАН позволяет опти-

мизировать параметры ЦССТСАТ различных конфигураций. Унифи-

кация и сопоставимость результатов моделирования обес-

печивается единым для всех пользователей исходными параметра

ми. Программой исследования МЭА предусмотрено сооружение

различных экспериментальных и демонстрационных ЦССТСАТ.

Усложнение условий добычи топлива в связи с увеличением

глубины разработок и перемещением ее центров в восточные и се-

вер-ные районы СССР наряду с другими мерами требует, как это

указано в Программе КПСС (новая редакция)

, широкого использо-

вания возобновляемых источников энергии. На отопление, венти-

ляцию и горячее водоснабжение жилых и общественных зданий

расходуется около 300 млн. тут [3].

Значительная часть территории СССР, как известно, находится

в зоне с достаточно высоким уровнем солнечной радиации, что от-

кры-вает благоприятные предпосылки для использования энергии в

Программа Коммунистической партии Советского Союза. – М. : Политиздат, 1986 – 86 с.

целях теплоснабжения. С этой точки зрения большой научный инте-

рес представляет систематизация зарубежных работ в области

ЦССТСАТ.

ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЦССТСАТ

Принципиальная схема работы ЦССТСАТ представлена на

рис. 1. Солнечные коллекторы вырабатывают тепло, как правило, в

тече-ние всего года. По этой причине для предотвращения их по-

вреждения при минусовых температурах

наружного воздуха необ-

ходимо исполь-зовать в качестве теплоносителей антифризы. Кол-

лекторный контур, чаще всего, заполняется водными растворами

этиленгликоля или пропиленгликоля и ввиду токсичности указанных

теплоносителей должен быть замкнутым. Это обстоятельство тре-

бует включения в систему теплоснабжения коллекторного теплооб-

менника.

1 2 3 4 5 6 горячая вода

7 8

холодная

вода

Рис. 1. 1 – коллектор солнечной энергии; 2 – коллекторный те-

плообменник; 3 – тепловой аккумулятор; 4 – теплообменник; 5

– подогреватель; 6 – тепловой насос; 7 – резервный источник

тепла; 8 – нагрузка.

Нагретый в коллекторах теплоноситель поступает в коллектор-

ный теплообменник, где происходит подогрев воды, поступающий из

нижней части сезонного аккумулятора тепла. Вода из теплообмен-

ника с помощью телескопического устройства направляется в тот

слой водяного резервуара, который соответствует по температуре

вводимой горячей воде. Рабочая температура в аккумуляторе мо-

жет колебаться от 5 до 95 º

С. Верхняя граница рабочих температур

определяется типом применяемых коллекторов и термическими

свойствами резервуара для хранения горячей воды, а нижняя гра-

ница зависит от того, используется ли в системе тепловой насос.

При его наличии граница определяется температурой возвращае-

мой из отопительной системы воды и обычно составляет 30-40 ºС.

Зарядка сезонного аккумулятора осуществляется

с марта до

ноября в южных широтах и с апреля до октября в северных. В пер-

вой половине отопительного периода используется извлекаемое из

аккумулятора тепло. При снижении температуры аккумулятора до

нижнего уровня подаваемой в распределительную сеть воды в ра-

боту вступают тепловые насосы или дополнительные источники те-

пла. Тепловые насосы включаются

, как правило, в ночные часы, ко-

гда во многих странах действуют льготные тарифы на электроэнер-

гию.

Таким образом, в общих чертах работает ЦССТСАТ, основан-

ная на применении водяного сезонного аккумулятора тепла. На та-

ком же принципе построена работа систем теплоснабжения с дру-

гими типами долговременных аккумуляторов тепла. Технико-

экономические параметры

ЦССТСАТ, как известно, определяются

типом коллекторов и аккумуляторов тепла. Ниже приводим основ-

ные типы сезонных аккумуляторов тепла и требования, которые к

ним применяются.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ДОЛГОВРЕМЕНЫХ

АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛА

Сезонный или долговременный аккумулятор тепла, как извест-

но, требует значительного количества аккумулирующей среды. Эта

среда должна быть недорогой, обладать по возможности

высокой

теплоемкостью и быть приемлемой с точки зрения воздействия на

окружающую среду. Другая проблема – подходящий контейнер, ко-

торый, в свою очередь, должен быть дешевым, обладать хорошими

теплоизоляционными свойствами и достаточно жесткой конструкци-

ей. Известные крупномасштабные сезонные аккумуляторы тепла

можно условно разделить на следующие типы:

• водяные бассейны и резервуары (естественные или искусст-

вен-ные);

• грунтовые аккумуляторы (с вертикальными или горизонталь-

ными теплообменниками);

• водоносные горизонты – аквиферы (заполненные водой порис-

тые геологические формации).

Водяные бассейны и резервуары

Идея использования крупных водяных

резервуаров в качестве

сезонных аккумуляторов весьма привлекательна по следующим

при- чинам [4]:

• простота эксплуатации системы;

• высокая плотность аккумулируемой энергии;

• относительная простота ремонта резервуара изнутри;

• простота передачи тепла (аккумулирующая среда служит од-

но- временно теплоносителем);

• простота сооружения водяных резервуаров.

Резервуары большой вместимости можно сооружать как в

наземном,

так и подземном варианте. Первый вариант предъявляет

более жесткие требования к теплоизоляции, чем второй. Контейне-

ры, или собственно резервуары, можно создавать из стали, водоне-

проницаемого бетона или термостойкого пластика. Примеры раз-

личных типов крупных водяных резервуаров показаны на рис. 2 (а,

б, в). Более подробные сведения об особенностях конструкции и

эксплуатации водяных

аккумуляторов сезонного типа можно найти в

специальной литературе [5-9].

Существуют комбинированные теплоаккумулирующие систе-

мы, где наряду с водяными резервуарами используются также грун-

товые аккумуляторы тепла, подобно эксплуатируемым в проектах

«Керава» [10], «Гронинген» [11], ФУЛ [12].

Применение водяных сезонных аккумуляторов тепла требует в

общем случае предварительного решения следующих вопросов [4]:

• предотвращение коррозии в металлическом

контейнере;

• температурное ограничение пластиковых резервуаров;

• предотвращения деградации теплоизоляции вследствие воз-

действия влаги;

• снижение тепловых напряжений;

• уменьшение нагрузки жидкости (аккумулирующей среды) на

фундамент

• предотвращение просачивания воды через стенки;

• увеличение продолжительности срока эксплуатации.

а) б) в)

г) д) е)

Рис. 2. Основные типы сезонных аккумуляторов тепла: а – на-

земный водяной резервуар; б – грунтовый водяной бассейн; в -

подземный водяной резервуар; г – грунтовый аккумулятор с

вертикальными теплообменниками; д - грунтовый аккумулятор

с горизонтальными теплообменниками; е – аквиферный акку-

мулятор.

При эксплуатации подземных аккумуляторов тепла необходи-

мо учитывать тип заполнителя тыльной стороны стенок резервуара,

скорость грунтовых вод, проникновение осадочных вод в окружаю-

щее резервуар пространство и другие вопросы.

Грунтовые аккумуляторы тепла

Идея аккумулирования тепла в грунте очень проста. Теплооб-

менники типа «труба в трубе» помещаются в вертикальные скважи-

ны, выполненные в грунте, или укладываются горизонтально в один

или несколько слоев. Число вертикальных скважин или горизон-

тальных слоев зависит от требуемого объема аккумулирования теп-

ла. Глубина скважин может колебаться от нескольких до сотен мет-

ров. Температурный интервал аккумулирования меняется от 10 до

200ºС. На рис. 2 (г, д) схематически показаны грунтовые аккумуля-

торы. В качестве материалов теплообменников чаще всего исполь-

зуют сталь и полиэтилен. Примеры практического применения грун-

та в качестве долговременного аккумулятора тепловой энергии при-

ведены многими авторами [13-18]. Используя грунтовые аккумуля-

торы, нужно учитывать следующие факторы:

• коррозия металлических теплообменников со стороны агрес-

сивных грунтовых вод;

• перетечка тепла через стенки внутренней трубы в сторону на-

ружной за счет теплопроводности;

• влияние скорости грунтовых вод;

• ограниченность температурного интервала аккумулирования в

случае применения полиэтиленовых труб.

Использование

грунтовых аккумуляторов наиболее целесооб-

разно при длительном хранении низкопотенциального тепла. Рас-

сматриваемы метод аккумулирования тепла требует изучения фи-

зико-химических свойств грунта в предполагаемом месте сооруже-

ния.

Аквиферные аккумуляторы тепла

Подземное хранение тепла в водоносном горизонте может

быть одним из решений долговременного аккумулирования тепло-

вой энергии. Идея этого метода

хранения довольно проста. Акви-

ферные теплоаккумулирующие системы (АТС) работают в трех ре-

жимах: 1) горячая или холодная (при аккумулировании холода) вода

закачивается в пористый грунт (рис. 2, е) в периоды избытка тепла

(холода); 2) закачанная вода хранится необходимое время и 3) из-

влекается из водоносного горизонта для использования в целях

отопления или охлаждения.

Особенность

АТС состоит в том, что для определения воз-

можности и эффективности длительного хранения тепла (холода)

необходимо в каждом случае изучить характеристики системы в

процессе ввода, хранения и извлечения тепла (холода) в течение

нескольких циклов, которые определяются индивидуальными харак-

теристиками каждого аквифера. Эксплуатация АТС требует учета

следующих факторов [4]:

• соответствие реальной скорости

ввода (извлечения) энергии

проектной в течение последующих циклов;

• деградация проницаемости среды вследствие возможных фи-

зико-химических и биологических процессов;

• структурная совместимость АТС с флуктуациями температуры

и давления рабочей среды;

• поддержание качества воды.

Экспериментальному и теоретическому исследованию раз-

личных проблем, связанных с реализацией АТС, посвящено много

работ [18-22]. Коэффициент извлечения тепла зависит от размеров

АТС, продолжительности его хранения

, температуры аккумулирую-

щей среды, скорости грунтовых вод и может меняться от 20 до 80%.

Объем аквиферного аккумулятора не лимитируется и может дости-

гать нескольких сот тысяч кубометров. Температура аккумулирую-

щей среды определяется физическими и химическими свойствами

водоносного горизонта и сопредельными участками грунта.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТОВ С ЦССТСАТ

В настоящее время в

мире функционирует свыше 10 объектов

с ЦССТСАТ. Один из них имеет экспериментальный лабораторный

масштаб (Студсвик), другие – т (Ламбохов, Керава, Гронинген и др.)

и наконец, третьи – промышленный (Ликебо). Следовательно, отно-

сятся к различным поколениям ЦССТСАТ. По этой причине каждый

проект преследует свои цели. Имеющаяся по всем объектам ин-

формация неравноценна по содержанию.

Географическое положение и климатические

данные мест расположения ЦССТСАТ

Большинство (7из 11) действующих в настоящее время

ЦССТСАТ находится в Северной Европе на широте 58º и выше, где

отопительный сезон длится свыше 6 месяцев. Самый южный объект

с ЦССТСАТ расположен на широте 47,27º. Более детально геогра-

фическое положение и климатические данные указаны в таблице.

Системы теплоснабжения

с водяными аккумуляторами тепла

Проект Студсвик, Швеция [5, 44]

Солнечная система теплоснабжения в Студсвике, расположен-

ном вблизи г. Никепинга, была сооружена в 1979 году для снабже-

ния теплом административного здания (общая площадь 500 м

)