Диссертация Кинжибаев

его агрегатного состояния (природный камень, галька, вода, водные растворы солей и др.);

•аккумуляторы фазового перехода, вещества, в которых используется теплота плавления (затвердевания) вещества;

•аккумуляторы энергии, основанные на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических и фотохимических реакциях.

В аккумуляторах первой группы происходят последовательно или одновременно процессы нагревания и охлаждения гелиоаккумулирующего материала либо непосредственно за счет солнечной энергии, либо через теплообменник. Этот способ аккумулирования тепловой энергии наиболее широко распространен. Основным недостатком аккумуляторов этого типа является их большая масса и как следствие этого — потребность в больших площадях и строительных объемах в расчете на 1 ГДж аккумулируемой теплоты. Краткая характеристика некоторых теплоаккумулирующих материалов приведена в табл. 5.2. Требования к теплоаккумулирующим материалам:

•высокая теплоемкость и энтальпия фазового перехода при достаточно высокой теплопроводности;

•высокая плотность материала и его химическая стабильность;

•безопасность и нетоксичность;

•низкая стоимость.

Система аккумулирования тепловой энергии характеризуется следующими параметрами: теплоаккумулирующей способностью или удельной энергоемкостью, ГДж/м3; диапазоном рабочих температур, К;

скоростью подвода и отвода теплоты при зарядке и разряди аккумуляторов,

кДж/с.

Для водонагревательных установок и жидкостных систем отопления лучше всего применять воду в качестве теплоаккумулирующего материала, а

для воздушных гелиосистем гальку, гравий и т. п. Однако следует иметь в

61

виду, что галечный аккумулятор при одинаковой энергоемкости по сравнению с водяным аккумулятором имеет в 3 раза больший объем и занимает в 1,6 раза большую площадь.

Таблица 5.2 – Характеристика теплоаккумулирующих материалов

(ТАМ)

Плотность аккумулирования теплоты в значительной степени зависит от метода аккумулирования и рода вещества. Она может быть аккумулирована в химически связанном виде в топливе. При этом плотность аккумулирования соответствует теплоте сгорания: нефть — 11,3, уголь

(условное топливо) — 8,1, водород — 33,6 и древесина — 4,2 кВт∙ч/кг. При термохимическом аккумулировании теплоты в цеолите (процессы адсорбции-десорбции) может аккумулироваться 286 Вт∙ч/кг теплоты при разности температур 55 К. Плотность аккумулирования теплоты в твердых материалах (скальная порода, галька, гранит, бетон, кирпич) при разности температур 60 К составляет 14-17 Вт∙ч/кг, а в воде —70 Вт∙ч/кг. При фазовых переходах вещества (плавление—затвердевание) плотность аккумулирования значительно выше: лед (таяние) — 93, парафин — 47, гидраты солей неорганических кислот — 40-130 Вт∙ч/кг.

Аккумуляторы теплоты емкостного типа — наиболее широко

распространенные устройства для аккумулирования тепловой энергии.

62

Тяжелые вещества, как правило, отличаются хорошей теплопроводностью. Свойства теплоаккумулирующих материалов и веществ приведены в табл. 5.2 и 5.3.

Таблица 5.3 – Свойства твердых и жидких теплоаккумулирующих материалов

Аккумулирование теплоты может осуществляться также в грунте, в

частности, этот способ аккумулирования применяется в теплицах.

В качестве материала для изготовления бака-аккумулятора обычно ис-

пользуют сталь или бетон. Бункер для слоя гальки может быть изготовлен из этих же материалов. Однако он также может быть изготовлен из толстой фанеры (12 мм) или досок, а каркас делают из стального уголка. Изнутри об-

шивка должна иметь покрытие из полимерной пленки для обеспечения гер-

метичности.

В случае горизонтального расположения галечного аккумулятора сверху на слой гальки необходимо положить полимерную пленку, а на нее насыпать слой песка толщиной около 5 см. Это делается для того, чтобы предотвратить движение воздуха над слоем гальки. Кроме того, при большой

63

длине аккумулятора необходимо установить вертикальную перегородку,

которая обеспечит хорошее омывание частиц гальки потоком воздуха.

5.4 Использование коллекторов солнечной энергии для горячего

водоснабжения

Активные системы теплоснабжения делятся по назначению, времени работы, числу контуров, наличию и типу дублирующего контура следующим образом:

•по назначению — горячего водоснабжения, отопления и комбинированные;

•по времени работы — сезонные и круглогодичные;

•по числу контуров — одно-, двух- и многоконтурные;

•по наличию и типу дублирующего контура — электрические,

тепловые. Наиболее просты по устройству активные одноконтурные системы с естественной циркуляцией (рис. 5.11).

Основные элементы здесь солнечный коллектор и бак-аккумулятор,

расположенный над коллектором. Вода циркулирует в результате естественной конвекции.

Другим примером одноконтурных систем могут служить проточные системы (рис. 5.12). Серьезный недостаток этих систем — подверженность коррозии.

Для повышения коррозионной устойчивости и обеспечения работы с антифризом в качестве теплоносителя в холодное время года системы выполняют двухили многоконтурными.

Принципиальная схема простейшей двухконтурной гелиосистемы с естественной циркуляцией приведена на рис. 5.13.

64

Рисунок 5.11 – Одноконтурная система гелиотеплоснабжения с естественной циркуляцией: 1 – солнечный коллектор; 2 – бак-аккумулятор; 3

– забор горячей воды; 4 – подача холодной воды

Рисунок 5.12 – Одноконтурная проточная система гелиотеплоснабжения: 1- солнечный коллектор; 2 – бак-аккумулятор; 3 –

забор горячей воды; 4 – подача холодной воды

Рисунок 5.13 – Двухконтурная система гелиотеплоснабжения с естественной циркуляцией: 1 – солнечный коллектор; 2 – теплообменник; 3 –

бак-аккумулятор; 4 – забор горячей воды; 5 – подача холодной воды

65

Недостаток двухконтурных термосифонных систем — низкая тепло-

эффективность, вызванная малой скоростью движения теплоносителя. Для ее повышения используют принудительную циркуляцию.

Двухконтурная активная система использования солнечной энергии

(рис. 5.14) включает (кроме коллектора) бак-аккумулятор, змеевик, располо-

женный в баке, трубопроводы и дополнительные устройства — такие как воздушный клапан на трубопроводе горячей воды, расширительный мембранный бак на обратном трубопроводе.

Рисунок 5.14 – Двухконтурная активная система использования солнечной энергии с естественной циркуляцией теплоносителя (а) и с

принудительной циркуляцией теплоносителя (б)

Нагрев воды в баке-аккумуляторе происходит за счет теплообмена между нагретым солнечной энергией змеевиком и теплоносителем,

находящимся в баке-аккумуляторе.

В системе нагрева (коллектор-бак-аккумулятор) осуществляется естественная циркуляция теплоносителя (рис. 5.14, а) и принудительная циркуляция (рис. 5.14, б).

66

Пассивные солнечные системы теплоснабжения (рис. 5.15) основаны на применении воздушных солнечных коллекторов. Пассивные солнечные системы теплоснабжения можно разделить на группы по способу циркуляции воздуха. В простейшем из них (рис. 5.15, а) воздух проходит через коллектор под поглотителем.

Рисунок 5.15 – Схемы использования воздушных коллекторов для отопления зданий

Этот вид коллектора пригоден только для подъема температуры на 3- 5°С из-за высоких потерь тепла на поверхности коллектора через конвекцию и излучение. Эти потери можно значительно снизить, накрыв поглотитель прозрачным материалом с низкой проводимостью инфракрасного излучения.

67

В таком коллекторе поток воздуха возникает либо под поглотителем,

либо между поглотителем и прозрачным покрытием. Благодаря прозрачной крышке излучение тепла с поглотителя снижается незначительно, но из-за снижения конвективных потерь тепла можно достичь подъема температуры на 20-50°С в зависимости от количества солнечной радиации и интенсивности воздушного потока. Можно добиться дальнейшего снижения тепловых потерь, проведя воздушный поток и над поглотителем и под ним

(рис. 5.15, б, 5.15, в), так как при этом удваивается площадь поверхности теплопередачи. Потери тепла из-за излучения при этом снизятся благодаря пониженной температуре поглотителя. Однако одновременно происходит и снижение поглотительной способности абсорбера из-за наслоения пыли, если воздушный поток проходит с обеих сторон поглотителя.

Некоторые солнечные коллекторы позволяют снизить затраты за счет отказа от остекления, металлического ящика и теплоизоляции. Такой коллектор изготавливают из черных перфорированных металлических листов, которые позволяют достичь хорошего теплообмена. Солнце нагревает металл, а вентилятор втягивает нагретый воздух сквозь отверстия в металле. Такие коллекторы разного размера используются в частных домах.

Типичный коллектор размером 2,4 на 0,8 метра может нагревать 0,002 м3

наружного воздуха в секунду. В солнечный зимний день воздух в коллекторе нагревается на 28 °С по сравнению с наружным. При этом улучшается качество воздуха внутри дома, так как коллектор непосредственно нагревает поступающий снаружи свежий воздух. Эти коллекторы достигли очень высокой эффективности — в некоторых случаях промышленного применения она превышает 70 % . К тому же они не требуют остекления,

изоляции и дешевы в изготовлении.

В средней полосе гелиосистема лишь частично обеспечивает потребности отопления. Опыт эксплуатации показывает, что сезонная экономия топлива за счет использования солнечной энергии достигает 60 % .

68

Среднее за год значение суммарной солнечной радиации на широте

55°, поступающей в сутки на 20 м2 горизонтальной поверхности, составляет

50-60 кВт∙ч. Это соответствует затратам энергии на отопление дома площадью 60 м2. Для условий эксплуатации сезонно обитаемого жилища средней полосы наиболее подходящей является воздушная система теплоснабжения. Воздух нагревается в солнечном коллекторе и по воздуховодам подается в помещение.

Удобства применения воздушного теплоносителя по сравнению с жидкостным очевидны: нет опасности, что система замерзнет; нет необходимости в трубах и кранах; простота и дешевизна.

Недостаток — невысокая теплоемкость воздуха. В части расположения солнечного коллектора на доме предпочтение отдается вертикальному варианту. Он много проще в строительстве и дальнейшем обслуживании. По сравнению с наклонным коллектором (например, занимающим часть крыши)

не требуется уплотнения от воды, отпадает проблема снеговой нагрузки, с

вертикальных стекол легко смыть пыль.

Солнечный воздушный коллектор располагается на фасаде,

ориентированном на юг (допустимо отклонение до 30° на восток или на запад). Неравномерность солнечной радиации в течение дня, а также желание обогревать дом ночью и в пасмурный день диктует необходимость устройства теплового аккумулятора. Днем он накапливает тепловую энергию, а ночью отдает. Для работы с воздушным коллектором наиболее рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дешев, прост в строительстве.

По расчѐту теплопотерь на отопление дома необходимо 91,65 кВт.

Округляем до 100 кВт. За основу берѐм коллекторы с вакуумными стеклянными трубками, с рабочей поверхностью 2 м2. Этот тип коллекторов способен выдавать 1 кВт тепла.

69

6. Безопасность жизнедеятельности

6.1 Защитное заземление. Молниезащита

Молниезащита в соответствии с СО 153-34.21.122-2003 относится к 3

категории.

В качестве молниеприемника на кровле здания укладывается сетка с шагом ячейки не более 10х10м. К сетке привариваются все выступающие металлические части. Узлы сетки и присоединения к ней радиостоек и телеантенн выполнить сваркой. Токоотводы из круглой стали диаметром 8мм прокладываются от сетки к наружному заземляющему устройству. Опуски токоотводов выполняются через 20 м. Токоотводы соединяются горизонтальным проводником по периметру здания (стальная полоса 40х5

мм). От ГЗШ установленного в электрощитовой, к наружному контуру проложить два заземляющих проводника, состоящих из 2-х полос 40х5 мм.

Для защиты от поражения электрическим током в случае повреждения изоляции предусматриваются следующие меры защиты при косвенном прикосновении во всех зданиях блочного исполнения:

-автоматическое отключение питания;

-уравнивание потенциалов.

Основная система уравнивания потенциалов соединяет между собой следующие проводящие части:

-нулевой защитный проводник питающей линии;

-заземляющий проводник, присоединенный к заземлителю повторного заземления на вводе;

-металлические трубы коммуникаций, входящих в здание;

-металлические воздуховоды;

-металлические части каркаса зданий;

70