Оценка эффективности использования возобновляемых источников энергии в системах теплоснабжения для условий юга Западной Сибири

Федянин, Виктор Яковлевич

Оценка эффективности использования возобновляемых источников энергии в системах теплоснабжения для условий юга Западной Сибири тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Федянин, Виктор Яковлевич АВТОР

доктора технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Барнаул МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Оценка эффективности использования возобновляемых источников энергии в системах теплоснабжения для условий юга Западной Сибири»

Автореферат диссертации на тему "Оценка эффективности использования возобновляемых источников энергии в системах теплоснабжения для условий юга Западной Сибири"

На правах рукописи

Федянин Виктор Яковлевич

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ УСЛОВИЙ ЮГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Специальности: 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника; 05.14.08 - Энергоустановки на основе возобновляемых источников энергии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Барнаул 2004

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете имени И.И. Ползунова

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Матиевский Дмитрий Дмитриевич

доктор технических наук, профессор

доктор физико-математических наук, профессор

Зысин Леонид Владимирович

Сагалаков Анатолий Михайлович

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация:

Горелов Валерий Павлович Институт теплофизики СО РАН

ар

Защита состоится «¿£5 »¿(¿КЛ^-Р 2004 г. в ^Ц часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.03 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АлтГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан 2004 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Большая социальная значимость системы теплоснабжения — самого топливоемкого сектора экономики России — в последнее время отчетливо осознана на государственном уровне.

В «Энергетической стратегии России на период до 2020 года», утвержденной Правительством РФ 26 августа 2003 года, стратегическими целями развития этой отрасли определены:

- повышение надежности снабжения теплом предприятий экономики и населения страны;

повышение эффективности функционирования на базе новых современных технологий с учетом оптимального использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива.

Модернизацию систем теплоснабжения на основе возобновляемых источников энергии необходимо вести на надежном фундаменте научных исследований и разработок, учитывающих природно-климатические характеристики рассматриваемой территории. Кроме того, до настоящего времени не разработан комплексный подход к проектированию систем теплоснабжения, учитывающий как доступные возобновляемые источники энергии, так и теплоэнергетические параметры объекта теплоснабжения.

Проблема состоит в том, чтобы, поддерживая комфортные условия микроклимата, миниминизировать потери энергии. Здание необходимо рассматривать как единую энергетическую систему, в которой взаимодействуют потоки энергии разного вида. Научная проблема состоит в том, чтобы разработать методики, дающие возможность проводить комплексный технический анализ систем теплоснабжения с учетом как природно-климатических факторов места расположения, так и характеристик самого объекта теплоснабжения.

Цель работы. Целью данной работы было исследование технологий обеспечения тепловой энергией зданий для создания в них комфортного микроклимата с использованием возобновляемых источников энергии, разработка рекомендаций по использованию систем преобразования энергии солнечной радиации, низкопотенциального тепла поверхностных слоев земли, биомассы, доступных потребителям в природно-климатических условиях юга Западной Сибири.

В соответствии с этой целью решались следующие задачи:

- анализ факторов, влияющих на потребление тепла зданиями, выявление уровней и каналов сверхнормативных тепловых потерь;

- проведение экспериментальных, теоретических исследований,

-«►ОС НАЦИОНАЛЬНАЯ-) 3 БИБЛИОТЕКА {

1 ¿гадкл

натурных испытаний и опытная эксплуатация активных и пассивных систем солнечного отопления, термогазовых генераторов, биогазовых систем, тепловых насосов и грунтовых теплообменников, использующих низкопотенциальное тепло поверхностных слоев земли;

- обоснование концепции комплексного использования современных энергосберегающих технологий и потоков возобновляемой энергии вблизи места расположения здания для его автономного энергообеспечения, разработка рабочей документации на строительство экспериментального энергоавтономного здания, учитывающей требования нормативов и практические возможности освоенных отечественных строительных технологий, анализ затрат первичной энергии на строительство и эксплуатацию зданий.

Комплексный подход позволил:

-выявить зависимости между эффективностью пассивных систем солнечного отопления при замещении отопительной нагрузки, архитектурно-планировочными, конструктивными решениями и природно-климатическими характеристиками места расположения здания;

-рассмотреть на единой методической основе результаты экспериментальных, теоретических исследований и разработок процессов получения тепловой энергии с помощью агрегатов нетрадиционной энергетики и пассивных систем солнечного отопления.

На защиту выносятся:

- методика расчета инфильтрационных тепловых потерь здания на основе измерений зависимости воздухопроницаемости ограждающих конструкций от разности давлений внутреннего и наружного воздуха;

- методика учета вклада энергии, поступающей от пассивных систем солнечного отопления в тепловой баланс здания с использованием двух безразмерных критериев: «эффективной площади» и «эффективной тепловой нагрузки»;

- методика определения оптимальной ориентации поглощающих солнечную радиацию элементов с использованием круговых диаграмм,

учитывающая влияние затенения от окружающих объектов;

-экспериментальные исследования переноса тепла в системах с прозрачной тепловой изоляцией капиллярного типа, математическая модель, описывающая процессы поглощения и переноса тепла в закрытых системах пассивного солнечного отопления, конструкция устройства для эффективной утилизации солнечной энергии;

-результаты экспериментальных исследований процесса анаэробного сбраживания отходов крупного рогатого скота, математическая модель, описывающая временные зависимости выхода биогаза в метантенках с периодической загрузкой, методика расчета оптимальных параметров горелок для сжигания биогаза, расчеты энергетической и экономической эффективности системы анаэробной переработки отходов крупного животноводческого комплекса;

-полуэмпирическая формула, описывающая пространственно-временное распределение температуры верхних слоев грунта, позволяющая учитывать влияние как природных факторов, так и мощных источников тепла техногенного происхождения, математическая модель расчета процессов нагрева воздуха в грунтовых теплообменниках, встроенных в систему вентиляции здания;

-результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов использования низкопотенциального тепла поверхностных слоев земли в системах отопления зданий с водяным накопителем на основе компрессорных тепловых насосов и грунтовых теплообменников закрытого типа;

- концепция создания комбинированной системы

энергообеспечения энергоавтономного здания для природно-климатических условий юга Западной Сибири, методика сравнительных оценок, основанная на анализе суммарных затрат первичной энергии на создание и эксплуатацию зданий.

Практическая ценность. Разработанная методика определения вентиляционных тепловых потерь через ограждающие конструкции позволяет выявлять каналы сверхнормативных теплопотерь и определять направления работ при подготовке зданий к отопительному сезону, определять основные направления энергоэффективной реконструкции зданий, учитывающей индивидуальные особенности конкретного здания и фактического состояния воздухопроницаемости его ограждающих конструкций, организовать объективный инструментальный контроль качества проектных решений и строительно-монтажных работ при приемке новых зданий.

Комплексный подход к анализу факторов, определяющих тепловой

баланс здания, позволяет оптимизировать архитектурно-планировочные и технические решения при строительстве и реконструкции зданий. Разработанное методическое и программное обеспечение расчетов компонентов основных энергетических потоков, проходящих через ограждающие конструкции здания, существенно облегчает проведение расчетов различных вариантов технических решений. Опыт разработки систем энергообеспечения экспериментального энергоавтономного здания может быть использован при разработке проектов низкоэнергетических зданий.

Предложенные круговые диаграммы, описывающие зависимость месячных и годовых сумм солнечной радиации, позволяют специалистам смежных специальностей (архитекторам, инженерам-строителям и др.) легко учитывать поток солнечной радиации на конструкции здания, специальные солнечные элементы и затенение от окружающих конструкций.

Приведенный анализ результатов испытаний нескольких типов солнечных коллекторов может стать основой для конструирования солнечных коллекторов.

Результаты, полученные при исследовании технологий термической и анаэробной газификации, сжигания генераторного газа и биогаза, дают методическую основу для энергетического использования отходов деревообработки и животноводства.

Материалы изучения технического потенциала поверхностных слоев земли могут быть использованы при проектировании энергоэффективных систем отопления и вентиляции.

Личный вклад автора заключается:

- в разработке теоретических моделей и методик расчета параметров процессов использования возобновляемых источников энергии, технологий энергосбережения в зданиях;

- в постановке научных задач, разработке методик проведения экспериментов и испытаний;

- в разработке технологических схем, эскизных проектов опытно-промышленных установок, экспериментального энергоавтономного здания;

-в авторском надзоре за изготовлением и испытанием опытно-промышленных агрегатов нетрадиционной энергетики, проектированием и строительством экспериментального энергоавтономного здания, в руководстве сотрудников, выполнявших работы по данной теме;

-в проведении анализа эффективности использования топливно-

энергетических ресурсов в Алтайском крае, определении основных направлений энергосбережения.

Апробация работы. Материалы и результаты исследований по теме диссертационной работы были представлены:

- на международной конференции «Экономика и экология: антагонизм или сотрудничество» (Барнаул, 1994 г.);

- германо-российской конференции «Возобновляемые источники энергии и их роль в энергетической политике России и Германии» (Фрайбург, Германия, 1994 г.);

- четвертой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 1998 г.);

- постоянно действующем международном семинаре «Ресурсо- и энергосбережение» (Новосибирск, 1999 г.);

-пятой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 1999 г.);

- международном научно-практическом семинаре «Энергосбережение в системах теплоснабжения» (Барнаул, 2000 г.);

- международном научно-практическом семинаре «Энергосбережение: нормативно-правовая база, образование, информация и консультирование» (Барнаул, 2001 г.);

-Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности в Сибири» (Барнаул, 2003 г.);

-втором Всероссийском энергетическом форуме «ТЭК России в XXI веке» (Москва, 2004 г.).

Материалы обсуждались также на заседаниях научного Совета Миннауки России и РАН (Москва, 1995, 1996, 1998 и 1999 гг.), Координационного совета по энергоресурсосбережению Межрегиональной ассоциации «Сибирское Соглашение» (Барнаул, 2001 г.), научного семинара Фраунгоферовского института солнечных энергетических систем (Германия, Фрайбург, 1998 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 36 научных работ, учебное пособие для студентов вузов, методическое пособие для населения, получен патент на изобретение, зарегистрирована программа для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 130 источников, в том числе 20 на иностранных языках, 14 приложений. Работа изложена на 241 страницах текста, содержит 71 иллюстрацию и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы научные проблемы, цель и основные положения, выносимые на защиту, отмечены работы ученых и организаций в области возобновляемых источников энергии и дана общая характеристика работы.

В первой главе на основе анализа литературных источников описаны основные свойства открытых и закрытых систем солнечного отопления, поставлены задачи экспериментальных и теоретических исследований этих систем. Приведены результаты экспериментальных исследований оптических и теплофизических свойств прозрачной теплоизоляции (ПТИ) на специально изготовленном стенде. Исследованы зависимости коэффициента светопропускания от угла падения и толщины прозрачной изоляции.

Рис. 1.1. Зависимость светопропускания от угла падения и d - толщины прозрачной теплоизоляции Экспериментальные данные (точки на рис. 1.1) хорошо описываются экспоненциальной функцией следующего вида:

(1.1)

тр = тр0ехр(-а01ап(9)),

где Тр,тр0 — коэффициент светопропускания при произвольном угле падения в и угле падения, равном 90 град соответственно, а0 = 0.0944+0.0085(3 - параметр «эффективного поглощения».

Зависимости светопропускания и сопротивления теплопередаче от толщины исследованных образцов представлены на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Светопропускание и сопротивление теплопередаче исследованных образцов (точки), линии - линейные аппроксимации Эффективный коэффициент теплопроводности исследованного капиллярного материала

Анализ результатов опытов показал, что интегральный термический КПД пассивных систем отопления закрытого типа (т]й) удовлетворительно описывается формулой

Я,

(1.2)

Здесь - сопротивление теплопередаче стены и прозрачной

теплоизоляции соответственно.

Для анализа факторов, влияющих на эффективность преобразования солнечной радиации в тепловую энергию, разработана математическая модель процесса распределения потоков тепла в системе, изображенной на рис. 1.3.

Пространственно-временное распределение температуры в стене в одномерном параболическом приближении описывалось нестационарным уравнением теплопроводности. В качестве граничных условий использовались часовые суммы солнечной радиации, падающей на вертикальную поверхность (с учетом угловой зависимости светопропускания ПТИ), и температуры окружающего и внутреннего воздуха.

о а

Рис. 1.3. Схема установки прозрачной теплоизоляции в виде модуля

1 - стена-абсорбер;

2 - абсорбирующий слой;

3 - прозрачная теплоизоляция;

4 - регулирующий элемент (жалюзи);

5 - стекло

Результаты расчетов показывают, что в течение светового дня тепло, образующееся при нагревании абсорбера солнечной радиацией, частично проникает внутрь помещения и может быть полезно использовано. Часть тепла передается окружающему воздуху, а часть запасается внутри стены. Получение запасенной в материале стены тепловой энергии внутренним воздухом происходит за промежуток времени намного больше длительности светового дня. Характерное время (передача 90% тепловой энергии, запасенной в материале стены) определяется следующим неравенством:

— наименьший положительный корень трансцендентного

внутренней и наружной поверхностей стены. Численный анализ показывает также, что отношение потерь запасенного тепла к тепловой энергии, которая поступает в помещение и может быть использована для замещения отопительной нагрузки, зависит от отношения сопротивлений теплопередаче прозрачной теплоизоляции к

уравнения:

У у2 -В1аВц

¡Ша И В^ - критерии Био для

сопротивлению стены. Это обстоятельство позволяет уменьшить потери (и тем самым повысить к. п. д.) за счет введения в ночное время дополнительного теплового сопротивления (рис 1.3, жалюзи — 4). Абсолютная величина тепловых потерь зависит от температуры абсорбирующего слоя (рис. 1.3, п. 2), поэтому дополнительный отвод тепла (и понижение температуры абсорбера), например, с помощью устройства, предложенного нами, повышает к.п.д. системы. Данное устройство для теплового использования солнечной энергии представляет собой стеновую строительную панель, выполняющую роль абсорбера солнечной радиации, внешняя поверхность которой покрыта слоем прозрачной изоляции. В панель вблизи ее внешней поверхности вмонтированы трубы, по которым циркулирует теплоноситель. Циркулирующий по трубам теплоноситель нагревается и передает тепловую энергию в накопитель, являющийся составной частью системы отопления здания. За счет теплопередачи в теплоноситель температура абсорбера снижается, что приводит к уменьшению тепловых потерь и повышению общей энергетической эффективности системы. Важным достоинством предложенной системы является исключение перегрева здания в теплый период путем снижения температуры подачи теплоносителя.

Сравнение результатов математического моделирования с результатами измерений, проведенных на стенде «Солнечного дома» (Фрайбург, Германия), показывают, что время запаздывания максимума теплового потока на внутренней поверхности стены-абсорбера относительно максимального значения дневного импульса солнечной радиации ^ с достаточной для инженерных расчетов точностью может быть оценено с помощью формулы

В этом случае за начало отсчета принимался «центр» дневного импульса солнечной радиации, определяемый формулой

(1.4)

(1.5)

где

(1.6)

- суточная сумма солнечной радиации (Дж/м2), ^ - время восхода и заката соответственно (с).

Анализ результатов расчетов показывает, что при математическом моделировании тепловых потоков вместо численных значений часовых сумм солнечной радиации можно использовать модельную функцию (1.7) с параметрами, определяемыми на основе известных характеристик дневного импульса (время восхода, заката и середина дня, дневная сумма солнечной радиации):

Рис. 1.4. Поступление тепла в помещение за счет солнечной радиации

Графики, представленные на рис. 1.4, показывают, что замена действующего дневного импульса солнечной радиации сложной формы модельной функцией (1.7) практически не оказывает влияние на расчетные характеристики тепловых потоков в конструкции здания.

Эффективность систем пассивного солнечного отопления оценивалась при изучении зависимости коэффициента замещения нагрузки (доля солнечной энергии в покрытии отопительной нагрузки за отопительный сезон) от двух безразмерных критериев:

«эффективной площади» пассивных элементов АеГ = кеЬ]£г||^1р1 и «эффективной нагрузки» ц™1 =Ч1,/<18Т * Здесь

Чэт = Ю3- комплексный климатический показатель, учитывающий температурно-временную характеристику и интенсивность солнечной инсоляции за отопительный период,

- общая площадь наружных ограждающих конструкций, включающая покрытие (перекрытие) верхнего этажа и перекрытие пола нижнего отапливаемого помещения, -

отапливаемый объем здания, равный объему, ограниченному внутренними поверхностями наружных ограждений здания, м3; Н -внутренняя высота здания, измеряемая от поверхности пола первого этажа до поверхности потолка последнего этажа, м; п — количество отапливаемых этажей здания, - средняя за отопительный период величина солнечной радиации на горизонтальную поверхность при действительных условиях облачности, МДж/м2.

Фактические тепловые потери зданий изучались на основе инструментальных энергетических обследований в населенных пунктах Алтайского края. Впервые в подобных исследованиях использовалась аппаратура, позволяющая экспериментально определять фактическую воздухопроницаемость ограждающих конструкций зданий, и разработанная методика расчета инфильтрационных потерь тепловой энергии на основе полученных значений воздухопроницаемости и метеоданных по дифференциальной повторяемости скорости ветра и изменению температуры окружающего воздуха в месте расположения здания. На основе проведенных обследований установлено, что инфильтрационные потери в несколько раз превосходят нормативные из-за дефектов ограждающих конструкций, образовавшихся в процессе строительства и эксплуатации зданий. Систематизация дефектов показывает, что устранение большинства из них не требует значительных

материальных и финансовых затрат.

График, представленный на рис. 1.5, показывает, что существенное замещение сторонних источников тепловой энергии пассивным солнечным отоплением возможно лишь в тех зданиях, в которых наряду с устройством специальных элементов, способствующих эффективному поглощению солнечной радиации, выполнены мероприятия по энергосбережению (т.е. значительно снижен показатель ql1).

Во второй главе рассмотрены методические основы определения технического энергопотенциала солнечной радиации. Предложенная методика оценки прихода энергии солнечного излучения наиболее полно использует метеорологические данные по часовым, дневным и месячным сумам прямой и рассеянной радиации на горизонтальную поверхность, а также данные по числу часов солнечного сияния и альбедо земной поверхности. С помощью специально разработанной компьютерной программы рассчитывалось отношение энергии, поступающей на наклонную площадку, к энергии, поступающей за это же время на горизонтальную поверхностью. Результаты расчетов представляются в виде круговых диаграмм (рис. 2.1).

На диаграмму нанесены проекции линий уровня рассчитываемой функции. Области, заштрихованные одинаково, соответствуют интервалу изменения величины поступающей радиации. Справа от диаграммы приведена легенда, на которой показано, каким граничным значениям (в процентах) соответствует данный вид штриховки.

Координаты каждой точки полярной системы координат диаграммы соответствуют определенной пространственной ориентации площадки. Полярный угол соответствует азимуту, полярный радиус - углу наклона площадки по отношению к горизонтальной плоскости.

Важную роль играют местные факторы, например, наличие высоких деревьев и зданий, затеняющих поверхность поглощающей панели. Разработанная программа позволяет рассчитывать также облученность наклонных площадок с учетом затеняющих объектов. Результаты представляются также в виде круговых диаграмм.

Рис. 2.1. Зависимость среднесуточного прихода солнечной радиации от азимута и угла наклона (годовые суммы)

Поглощение солнечной радиации оказывает существенное влияние на тепловой баланс поверхностных слоев почвы. С целью оценки эффективности использования этого низкопотенциального источника тепловой энергии в системах вентиляции и отопления рассмотрены основные факторы, влияющие на температурный режим поверхностных слоев почвы. Предложена полуэмпирическая формула, описывающая пространственно-временное распределение температуры

почвы:

Т(г,1) = Т1р0+Д1г+ДТ1р0е + + (2.1)

где = г^Щ /2а р - безразмерный критерий, характеризующий

пространственное распределение температуры почвы; ео0 - угловая

Первые два члена определяются геотермическим градиентом и постоянными источниками тепловой энергии техногенного происхождения, третье слагаемое - поглощением солнечной радиации.

- градиент температуры почвы, полученный при усреднении результатов измерений зависимости температуры почвы от глубины. Коэффициенты Т^^Т^о И выбираются из условия наилучшего

совпадения значений температуры поверхности почвы, измеренной напочвенным термометром и рассчитанной с помощью формулы

Проведены экспериментальные, теоретические исследования и испытания активных солнечных, теплонасосных систем и грунтовых теплообменников. Возможности использования солнечной радиации для приготовления горячей воды исследовались путем изготовления и испытания нескольких типов солнечных коллекторов и опытно-промышленной эксплуатации сезонных водогрейных установок на их основе. Исследовано шесть образцов солнечных коллекторов, пять из которых представляли собой плоские коллекторы с одинарным остеклением и отличались лишь технологией изготовления абсорберов, а шестой дополнительно снабжался параболическим отражателем. Статические характеристики коллекторов, коэффициент тепловых потерь, коэффициент эффективности поглощающих панелей, оптический к.п.д. определялись на специально изготовленном теплогидравлическом стенде. Результаты испытаний представлены на рис. 2.2.

частота годовых колебаний,

(2.2)

Рис. 2.2. Результаты сравнительных испытаний коллекторов: 1,3- входные температуры; 2,4 - выходные температуры;

а) 1,2 - плоский, тип 1; 3,4 - параболический, тип 6;

б) 1,2-тип4;3,4-тип3;в) 1,2-тип 2; 3,4-тип5;

г) 1,2 - тип 3; 3,4 - тип 2

С учетом полученных результатов были спроектированы, изготовлены и смонтированы на различных объектах три водогрейные установки производительностью 0.8, 1.8, 7.0 м3/сут. Циркуляция теплоносителя в контуре «солнечные коллекторы — тепловой накопитель» в малых установках (0.8, 1.8 м3/сут) осуществлялась за счет термосифонного эффекта. В большой установке — принудительная циркуляция. Опытная эксплуатация этих установок показала их высокую эффективность для приготовления горячей воды в период с мая по сентябрь, экономия электроэнергии, идущей на нагрев воды, составляла не менее 50%.

Рассмотрены две технологии использования низкопотенциального тепла поверхностных слоев почвы, основанные:

- на теплонасосных системах отопления с вертикальными грунтовыми теплообменниками закрытого типа;

- горизонтальных грунтовых теплообменниках-предкондиционерах в системах вентиляции.

Испытания теплового насоса (АТНУ-10) и определение зависимости отопительного коэффициента теплового насоса от режимов работы и параметров теплоносителя проводились на специально изготовленном стенде (рис. 2.3).

коллектор

Рис. 2.3. Стенд для испытания теплового насоса: 1 - тепловой насос; 2 - холодный контур; 3 - горячий контур; 4 -изолированная емкость; 5—7 — регулирующие вентили; 8 — погружная термопара; 9 - датчики температуры; 10 - расходомеры; 11 -циркуляционный насос; Ш1, Ш2 - массовые расходы горячего и холодного контуров, кг/с; - температуры на входе в горячий и

холодный контуры; Т12, ^ - температуры на выходе из горячего и холодного контуров; Т4 - температура в емкости

Режимы работы теплового насоса предварительно моделировались на ЭВМ. Математическая модель представляет собой систему уравнений, описывающих баланс энергии в трех контурах («холодный», «горячий» и фреоновый контуры теплового насоса) с циркулирующими теплоносителями и двумя теплообменниками (конденсатором и испарителем).

Сопоставление результатов, полученных с помощью рассмотренной математической модели, и опытов, проводимых на экспериментальном

стенде, позволяющем контролировать температуры и расход теплоносителей через конденсатор и испаритель, потребление энергии компрессором теплового насоса, показало удовлетворительное совпадение расчетных параметров и результатов опытов. Разработанная математическая модель апробировалась также при сравнении результатов расчетов и опытов, проводимых на специально созданной опытно-промышленной установке, представляющей собой водяной накопитель тепла (бассейн), в котором вода подогревалась с помощью теплового насоса. Были рассчитаны и экспериментально опробованы режимы, обеспечивающие максимальную энергетическую эффективность системы «тепловой насос» + «водяной накопитель тепловой энергии» с точки зрения извлечения тепловой энергии, запасенной в накопителе.

С использованием разработанной программы проведено математическое моделирование процесса извлечения

низкопотенциального тепла поверхностных слоев земли с помощью системы, включающей в себя тепловой насос компрессорного типа и герметичный вертикальный грунтовый теплообменник. Расчетная модель была дополнена блоком, описывающим процессы переноса тепла в вертикальном грунтовом теплообменнике, который представляет собой два коаксиальных цилиндра. Теплоноситель (вода, рассол, антифриз) поступает по внутренней трубе и откачивается через внешнюю.

Исследования показали, что величина теплового потока из почвы в грунтовый теплообменник сильно зависит от наличия горизонтов с подземными водоносными слоями (гравийно-галечные, известняковые, песчаные грунты). Наличие водоносного слоя повышает удельный тепловой поток с 30-40 Вт/м (сухой грунт) до 165 Вт/м.

Проведено математическое моделирование горизонтальных грунтовых теплообменников, установленных в системе вентиляции здания. Анализ результатов расчетов показывает, что отопительный коэффициент грунтового теплообменника е зависит от четырех

заложения труб, м), а также от гидравлической характеристики —

На рис. 2.4 представлена номограмма, позволяющая оценить энергетическую эффективность грунтового теплообменника, используя перечисленные выше существенные конструктивные параметры.

безразмерных параметров:

глубина

Др/У2.

Полученные результаты свидетельствуют о высокой энергетической эффективности этого способа предварительного подогрева воздуха. В приведенном на номограмме примере отопительный коэффициент (величина, равная отношению тепловой энергии, поступающей из грунта для нагрева воздуха, к электрической энергии, затрачиваемой приводом вентилятора) равен 20.

На рис. 2.4 в качестве примера рассмотрен двухтрубный грунтовый теплообменник с Ь = 50 м, Ь = 2.5 м, (1, = 0.25 м, го= 2.5 м, V = 0.2м3/с, Др=250 Па.

Рис. 2.4. Влияние конструктивных параметров на энергетическую эффективность грунтового теплообменника

В третьей главе рассматривалось использование энергетического потенциала биомассы на примере двух технологий:

- газификации растительной биомассы;

- анаэробного сбраживания отходов животноводства. Экспериментальные исследования процессов газификации

биомассы осуществлялись с использованием газогенератора обращенного типа тепловой мощностью 100 кВт (производитель ТОО «Энерготехнология», г. Санкт-Петербург). Опыты проводились на лесосечных отходах, отходах деревообработки без предварительной

сушки. Максимальный к.п.д. процесса газификации древесины - 86%.

Рассмотрены вопросы использования генераторного газа в качестве котельного и моторного топлива. Оценен валовый потенциал отходов лесозаготовок (некондиционная древесина, ветки, кора, остающиеся на лесосеках в Алтайском крае). Переработка этих отходов в газогенераторах позволит получить генераторный газ в количествах, соответствующих не менее 122 тыс. т.у.т.

Проведены экспериментальные исследования процессов анаэробного сбраживания отходов животноводства на специальном стенде, состоящем из двух индивидуальных установок ИБГУ-1, газгольдера и устройств для сжигания биогаза. Проведены опыты по влиянию суточной загрузки субстрата и температурного режима процесса на скорость выхода биогаза. Измерялись затраты энергии, необходимые для поддержания требуемой температуры субстрата. С целью теоретического описания процесса метанового брожения рассмотрена кинетическая модель функционирования биогазового реактора (метантенка) с периодической загрузкой сбраживаемого субстрата. В отличие от хорошо разработанной теории проточных реакторов с идеальным перемешиванием, в которой основное внимание уделяется определению параметров состояний динамического равновесия и условий устойчивости этих стационарных состояний при малых отклонениях концентраций субстрата и биомассы от равновесных, нами рассмотрена модель, описывающая кинетику процесса метанового сбраживания при конечных возмущениях, возникающих при загрузке-выгрузке метантенка с периодом сутки и более:

где X - концентрация активной биомассы, кг (БВБ)/м3 (БВБ -беззольное вещество биомассы); ц - удельная скорость роста, сут.*1; b -удельная скорость отмирания биомассы, сут.-1.

Удельная скорость роста зависит от концентрации субстрата по уравнению Моно:

где - максимальная удельная скорость роста, S -

концентрация субстрата, кг ХПК/м3 (ХПК - величина химического потребления кислорода); Ks - константа сродства субстрата S к биомассе X, кг ХПК/м3.

Скорость убыли субстрата:

<В

а"

где Чуу — экономический коэффициент, кг БВБ/кг ХПК. Этот

(3.3)

коэффициент показывает, какая часть разложившегося субстрата непосредственно превращается в клеточную биомассу.

Система уравнений (3.1), (3.2), (3.3) не учитывает полисубстратность органических веществ (ОВ) и многовидовой состав микрофлоры.

Проведен качественный анализ системы нелинейных дифференциальных уравнений (3.1), (3.2), (3.3). С использованием отображений Пуанкаре найдены области существования стационарных точек в фазовом пространстве. Показано, что результаты расчетов, полученные с использованием этой модели, хорошо согласуются с экспериментальными данными, описанными в технической литературе (рис. З.1.), и нашими опытами (рис. 3.2.).

продолжительность сбраживания, сут.

Рис. 3.1. Выход метана при длительном сбраживании отходов КРС (1) и свиней (2)

1---

О -I-—I-1-Г-Г—^-

0,05 0,15 0,25 0,35 0,45 0,55

О, м /сут

Рис. 3.2. Зависимость скорости выхода биогаза от суточной загрузки: 1 - термофильный режим; 2 - мезофильный режим

Проведен анализ влияния концентрации инертных примесей (углекислого газа, азота и паров воды) на теплоту сгорания и составляющие потерь тепла в топочных устройствах. Показано, что суммарные потери за счет уноса нагретых разбавителей метана в биогазе и за счет недожога метана не превышают 20% от низшей теплоты сгорания (18-29 МДж/м3 в зависимости от содержания метана в биогазе).

Предложены два варианта модернизации стандартных горелочных устройств для сжигания биогаза:

- изменение диаметра d соплового отверстия инжектирующего газа и диаметра dогн огневых отверстий горелки;

- одновременное увеличение диаметра сопла инжектирующего газа и установка регулируемой ограничивающей диафрагмы на входе в инжектор.

Энергетическая эффективность технологии анаэробного сбраживания и ее конкурентоспособность по сравнению с традиционными источниками определяется соотношением теплосодержания полученного биогаза и затратами энергии на реализацию процесса анаэробного сбраживания.

Технологической схемой предусмотрена двухступенчатая технология метанового сбраживания отходов животноводства. Навоз с

ферм поступает в измельчитель, где разрушаются длинноволокнистые включения (подстилка). Измельченная масса подается в навозосборник с подогревателем, где происходит ее нагрев до 33 °С (мезофильный вариант) или до 53 °С (термофильный вариант), гидролиз высокомолекулярных соединений (углеводов, жиров, белковых веществ) и кислотообразование (летучие жирные кислоты, спирты и др.). Подготовленный субстрат периодически подается в метантенки, где в процессе метанового брожения образуется биогаз. Сброженная масса подается на центрифугу, где происходит разделение субстрата на твердую и жидкую фракции. Жидкая фракция влажностью 98% может быть использована в качестве технической воды, твердая (влажность 70%) - как органическое удобрение для растениеводства. Сброженный навоз богат питательными веществами в легкоусвояемой для растений форме, содержит аммонийные соли, окись фосфора, окись калия и важные для растений микроэлементы. В аммонийной форме сохраняется почти весь азот (потери азота при сбраживании составляют 1-5%), а потери фосфора и калия во много раз меньше. Применение 1 тонны сброженного навоза дает прибавку урожая сельскохозяйственных культур на 10-17%.

Биогаз, полученный при анаэробном сбраживании, наиболее выгодно использовать в качестве моторного топлива в газовом двигателе с генератором. Параметры топлива зависят от состава биогаза. Типичные значения теплотворной способности - 23.8 МДж/нм3, октанового числа - 110, температуры воспламенения -540°С. Современные мини-ТЭЦ осуществляют комбинированное производство электроэнергии и теплоты с общим энергетическим к.п.д., равным 90%, в том числе при выработке электроэнергии - 25%, при выработке тепловой энергии - 65%.

В качестве примера приведены технико-экономические расчеты биогазовой системы, предназначенной для переработки отходов животноводческого комплекса на 3600 голов крупного рогатого скота. Биогаз подается на мини-ТЭЦ, которая вырабатывает электрическую и тепловую энергию. Расчеты показывают, что в природно-климатических условиях Алтайского края около 6% вырабатываемой электрической энергии идет на обеспечение работы вспомогательного оборудования, расход тепловой энергии на поддержание технологии (отопительный период) — 44%. Срок окупаемости капитальных вложений -19 месяцев.

В четвертой главе рассмотрен суммарный эффект от применения методик повышения эффективности теплоснабжения зданий,

пассивных и активных систем, использующих возобновляемые источники энергии, на примере проектирования экспериментального энергоавтономного здания.

Разработана концепция экспериментального энергоавтономного здания (ЭАЗ), энергообеспечение которого будет осуществляться за счет возобновляемых источников энергии, доступных потребителям в природно-климатических условиях города Барнаула (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Структурная энергетическая схема ЭАЗ

В теплое время года избыточная тепловая энергия от поглощенной солнечной радиации накапливается в межсезонном аккумуляторе тепла, представляющем собой заглубленный под здание и отделенный от подвальных помещений теплоизоляцией бассейн с водой, температура которой в течение года изменяется от 20 до 80° С. Для более полного извлечения из аккумулятора тепловой энергии используется тепловой насос. В систему вентиляции встроен рекуперативный теплообменник, способный возвращать до 80% тепла из выбрасываемого воздуха.

Строительство ЭАЗ ведется на отведенном в установленном порядке земельном участке, расположенном по ул. Папанинцев, 113, в микрорайоне №17 г. Барнаула.

Здание имеет форму усеченного в южном направлении цилиндра диаметром 16 метров (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Конструкция ЭАЗ Две цилиндрические конструкции меньшего диаметра (лестничные клетки) составляют единое целое с архитектурой основного объема. Значительную часть фасада занимает плоскость с размещающимися на ней солнечными коллекторами и фотоэлектрическими батареями. Комплексное применение энергоэффективных технологий позволило снизить расчетную потребность здания в отопительном тепле до 40-50 кВтч/м2 за отопительный период.

Система отопления ЭАЗ (рис. 4.3) использует накопленное в межсезонном аккумуляторе тепло, выработанное солнечными коллекторами. Для более полного извлечения тепла используется тепловой насос. Предусмотрена автоматизированная погодозависимая подача теплоносителя в систему «теплых полов» и теплообменник системы вентиляции.

Выбор параметров электрогенерирующих агрегатов проведен на основе расчета годовых и суточных графиков электрических нагрузок. Выбор ветроэлектрической установки и фотоэлектрической батареи осуществлен исходя из расчетного графика электрических нагрузок и расчетных месячных графиков выработки электрической энергии, полученных с учетом технических характеристик агрегатов и данных по повторяемости скорости ветра и солнечной инсоляции.

Рис. 4.3. Принципиальная схема теплоснабжения ЭАЗ: 1 - вентиляторы; 2 - грунтовый теплообменник; 3 - теплообменник-рекуператор; 4 - теплообменник «вода-воздух»; 5 - бак «холодной воды»; 6 - тепловой насос; 7 - бак «горячей воды»; 8 - трехходовые клапаны; 9 - бак-накопитель; 10 - циркуляционные насосы; 11, 17 -датчики температуры; 12 - фильтры; 13, 16 - циркуляционные насосы с регулируемым приводом; 14 - приводы вентилей; 15 - электронный регулятор; 18, 19, 20 - электронные блоки теплоавтоматики

Состав и структура системы электрообеспечения ЭАЗ разработана с учетом требования гарантированого обеспечения систем жизнеобеспечения здания.

Таблица 4.1

Алтайский региональный центр нетрадиционной энергетики и энергосбережения Барнаул - 2002

Основные характеристики объекта

Система электроснабжения предусматривает контроль текущей выработки электроэнергии, автоматические переключения, учитывающие текущее состояние потребления электроэнергии и заряженности аккумуляторной батареи. В случае необходимости предусмотрен автоматический запуск резервного генератора Аварийное подключение к внешней электрической сети - в ручном режиме. Параметры аккумуляторной батареи оптимизированы на основе компьютерного моделирования работы системы с учетом минимальности энергии, выработанной резервным мотором-генератором.

В таблице 4.1 приведены основные характеристики ЭАЗ.

Проведен сравнительный анализ затрат топливно-энергетических ресурсов при создании и эксплуатации экспериментального энергоавтономного здания и типового здания (ТЗ). Тепловая защита ТЗ соответствует современным территориальным строительными нормам. Наружные стены этого здания изготовлены из газобетона, пенопласта и силикатного кирпича.

Энергозатраты, связанные с созданием зданий и их эксплуатацией, оценивались по суммарным затратам материалов, требующихся для строительства зданий и изготовления узлов систем жизнеобеспечения, затратам первичной энергии на ремонт и отопление.

6 -с

г 3

х* 2

о X п 3 1 ■

й > а. 1 Й 1 1

о 1 0 •

4 время эксшг 6 уатации, год 9 10

Рис. 4.4. Временная зависимость затрат первичной энергии на строительство и эксплуатацию зданий На рис.4.4 приведены расчетные графики зависимости от времени величины потребления тепловой энергии ЭАЗ (1) и ТЗ для двух вариантов подключения к источнику тепловой энергии: ТЭЦ (2) и

небольшой котельной (3).

Графики на рис. 4.4 показывают, что несмотря на большие затраты первичной энергии, необходимой на создание ЭАЗ по сравнению с ТЗ, суммарные затраты первичной энергии, необходимые для создания и функционирования этих зданий сравниваются в течение 1-3 лет (в зависимости от эффектвности централизованного источника теплоснабжения). Через 50 лет после начала эксплуатации суммарные затраты первичной энергии ТЗ превосходят в 2.3-4.9 раз соответствующую величину для ЭАЗ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работа представляет собой законченное диссертационное исследование, в котором изложены научно обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области теплоснабжения зданий. В результате проведенных исследований получены следующие результаты:

1. Проанализированы факторы, влияющие на потребление тепла в зданиях. Разработана методика определения вентиляционных тепловых потерь зданий на основе характеристик воздухопроницаемости, полученных при натурных испытаниях ограждающих конструкций. Выявлены закономерности влияния архитектурно-планировочных и конструктивных решений на требуемый уровень тепловой изоляции элементов оболочки здания и уровень вентиляционных тепловых потерь. Предложена методика учета вклада пассивного солнечного тепла и внутренних тепловых источников.

2. Разработана методика определения оптимальной ориентации элементов, поглощающих энергию солнечного излучения, с учетом нерегулярного характера временных изменений интенсивности солнечной радиации, отражательной способности окружающих здание поверхностей и затенений от окружающих строений. Предложена методика представления результатов расчетов поступления солнечной радиации на поглощающие элементы в виде круговых диаграмм, систематическое применение которых позволит унифицировать и облегчить проработку вариантов технических решений при проектировании различных объектов.

3. Изучены оптико-тепловые характеристики систем с прозрачной тепловой изоляцией капилярного типа. Разработанная математическая модель пространственно-временного изменения потоков тепла показала, что в закрытых системах пассивного солнечного отопления максимальный нагрев внутренней поверхности наружных стен

происходит со значительным временным запаздыванием относительно максимума интенсивности солнечного излучения, что делает их более привлекательными по отношению к другим типам. Предложена конструкция устройства эффективного использования солнечной радиации для отопления зданий.

4. Проведен анализ влияния конструктивных особенностей элементов солнечных коллекторов на эффективность приготовления горячей воды. Опытно-промышленные испытания солнечных водогрейных установок разной производительности (от 0.8 до 7.0 м3/сут.) показали высокую эффективность систем на основе плоских солнечных коллекторов с прозрачной теплоизоляцией для обеспечения горячей водой в теплый период (май-сентябрь).

5. Рассмотрены факторы, влияющие на температуру верхних слоев грунта с целью использования низкопотенциального тепла от этого источника для целей теплообеспечения зданий. Показано, что в природно-климатических условиях юга Западной Сибири наиболее эффективны и технически обеспечены два варианта использования низкопотенциального тепла поверхностных слоев почвы:

-грунтовые теплообменники для предварительного кондиционирования приточного воздуха системы вентиляции;

- теплонасосные системы отопления с грунтовым теплообменником.

Грунтовый теплообменник может передавать на нагрев воздуха до 20 кВтч тепла на каждый кВтч электрической энергии, затраченной вентилятором. Для тепловых насосов в системах отопления с грунтовыми теплообменниками эта величина характеризуется следующими цифрами: 3 кВтч полученной системой отопления тепловой энергии на 1 квтч электрической энергии, затрачиваемой приводом компрессора.

6. Экспериментальные и теоретические исследования показали высокую эффективность технологии термической газификации древесных отходов с целью получения генераторного газа (к.п.д. преобразования до 86%), который может служить удобным топливом как для котлов различного типа, так и для дизельных моторов-генераторов.

7. Исследована зависимость выхода биогаза от температуры анаэробного сбраживания и химического состава исходного сырья, Разработанная математическая модель удовлетворительно описывает влияние химического состава исходного сырья, влажности сбраживаемого субстрата и температуры на кинетические

характеристики развития сообщества метаногенных бактерий в метантенках периодической загрузки. Анализ процессов горения биогаза различного химического состава показал, что могут использоваться стандартные горелочные устройства с минимальной доработкой. Предложена методика расчета оптимальных параметров горелок для сжигания биогаза.

8. Проанализированы затраты энергии для поддержания процесса анаэробного сбраживания. Показана высокая энергетическая и экономическая эффективность системы анаэробной переработки отходов крупного животноводческого комплекса. На собственные нужды (обеспечение технологии анаэробного сбраживания) затрачивается 6% электрической и 44% тепловой энергии, произведенной при сжигании произведенного биогаза.

9. С целью демонстрации суммарного эффекта от использования энергосберегающих технологий и применения возобновляемых источников для энергообеспечения систем жизнеобеспечения зданий разработана концепция энергоавтономного экспериментального здания. Расчетами и проработкой технических решений до стадии рабочих чертежей показано, что комплексное использование энергосберегающих и возобновляемых энерготехнологий позволяет полностью решить проблему энергообеспечения зданий. Суммарные затраты первичной энергии на создание и эксплуатацию ЭАЗ за период его жизненного цикла в 2.3-4.9 раза меньше, чем на создание и эксплуатацию традиционного здания, теплоснабжение которого осуществляется от ТЭЦ или котельной.

Основные результаты диссерационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Федянин В.Я. Анализ и общие принципы комплексного использования возобновляемых источников энергии в Алтайском крае / В.Я. Федянин, Л.Н. Федин, В.А. Чагин // Повышение надежности электрооборудования в системах электроснабжения : межвузовский сборник. - №1. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 1992. С. 183-185.

2. Федянин В.Я. Энергосберегающая система вентиляции и теплообеспечения животноводческой фермы / В. Я. Федянин, И.М. Лавров // Повышение надежности электрооборудования в системах электроснабжения : межвузовский сборник. №1. — Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 1992. - С. 205- 209.

3. Федянин В.Я. Проблемы создания систем комплексного использования возобновляемых источников энергии / В.Я. Федянин, Л.Н. Федин // Вопросы горного природопользования : сб. науч. статей.

- Барнаул: Изд-во Евразийского Экологического Центра, 1994. - С. 97106.

4. Лавров И.М. Исследование энергопотенциала биомассы в Алтайском крае / И.М. Лавров, В.Я. Федянин // Вопросы горного природопользования : сб. науч. статей. - Барнаул : Изд-во Евразийского Экологического Центра, 1994. — С. 111-114.

5. Федянин В.Я. Управление температурными режимами метантенков в условиях изменения температуры окружающей среды / В.Я. Федянин, Л.Н. Федин // Вопросы горного природопользования : сб. науч. статей. - Барнаул : Изд-во Евразийского Экологического Центра, 1994.-С. 114-122.

6. Федянин В.Я. Методика расчета тепловых потерь метантенка / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов // Вопросы горного природопользования : сб. науч. статей. - Барнаул : Изд-во Евразийского Экологического Центра, 1994. - С. 122-135.

7. Федянин В.Я. Развитие нетрадиционной энергетики в Алтайском крае // Экономика и экология: антагонизм или сотрудничество : сб. тез. докл. международной научной конференции. - Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 1994.-С. 47-49.

8. Федянин В.Я. Entwicklung von kleinen Energieversorgungsanlagen im Kreis Altai // Tagungsband. Deutsch -Russische Konferenz. Die erneuerbaren Energiequellen und ihre energiepolitische Bedeutung in Russland und Deutschland. 24.26. Oktober 1994. Freiburg im Breisgau. -С 64.

9. Федянин В.Я. Алтайское село: НВИЭ против угля // Энергия. -1996.-№9.-С. 5-9.

10. Федянин В.Я. Опыт эксплуатации биогазовой установки в условиях Алтайского края / В.Я. Федянин, И.М. Лавров, М.А. Утемесов, В.В. Чертищев, Л.Н. Федин // Теплоэнергетика. - 1996. -№2.-С. 8-11.

11. Федянин В.Я. Исследование режимов совместной работы теплового насоса с вертикальным грунтовым теплообменником / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов, Л.Н. Федин, Д. Л. Горбунов // Теплоэнергетика. - 1997. - №4. - С. 21-23.

12. Федянин В.Я. Автономные системы отопления и горячего водоснабжения / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов, В.В. Чертищев. Деп. в ВИНИТИ 28.08,98, № 2717-В98.

13. Федянин В.Я. Зависимость работы теплового насоса от параметров тепло- и хладоносителя / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов, Л.Н. Федин, Д.Л. Горбунов // ^кппрримрнтяпт.нт.тр метпттм п физике

ГОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ'J БИБЛИОТЕКА | G Петербург J О» К» «» |

структурно-неоднородных сред : сб. трудов Всероссийской научно-технической конференции. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ. 1997. - С. 3135.

14. Федянин В.Я. Применение теплового насоса для поддержания теплового режима и оптимизации работы бассейна / В.Я. Федянин, А.Н. Парфенов, М.А. Утемесов, П.Г. Зенков // Холодильная техника. — 1998.-№9.-С. 12-13.

15. Федянин В.Я. Моделирование процесса теплопередачи в стене пассивного солнечного отопления со стоками / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов, В.В. Чертищев // Энергетика: экология, надежность, безопасность : сб. докладов IV Всероссийского научно-технического семинара. - Томск : Изд-во Томск, политех, ун-та, 1998. - С. 90.

16. Федянин В.Я. Оценка эффективности теплоизоляции межсезонного аккумулятора тепла / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов, В.В. Чертищев // Энергетика: экология, надежность, безопасность : сб. докладов IV Всероссийского научно-технического семинара. — Томск : Изд-во Томск, политех, ун-та, 1998. - С. 91.

17. Федянин В.Я. Комбинированная автономная энергосистема с использованием ВИЭ для юга Западной Сибири // Возобновляемая энергия. - 1998. - №4. - С. 42-44.

18. Федянин В.Я. Расчет баланса энергоавтономного дома / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов, В.В. Чертищев // Теплоэнергетика. — 1999. — №2.-С. 16-20.

19. Федянин В.Я. Энергоавтономный дом в г. Барнауле / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов, В. В. Чертищев // Ресурс о- и энергосбережение : сб. тезисов докладов постоянно действующего международного семинара. - Новосибирск : Сибирская ярмарка, 1999. -С. 25-27.

20. Федянин В.Я. Комплексное использование возобновляемых источников энергии в условиях Сибири / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов, В.В. Чертищев // Энергетика: экология, надежность, безопасность : сб. докладов V Всероссийской научно-технической конференции. - Томск : Изд-во Томск, политех, ун-та, 1999. - С. 141142.

21. Федянин В.Я. Потенциал энергосбережения и возможности использования новых технологий для повышения эффективности систем теплоснабжения // Энергосбережение в системах теплоснабжения : сб. материалов международного научно-практического семинара. - Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2000. - С. 5-18.

22. Федянин В.Я. О нормативно-правовой базе энергосбережения в

Алтайском крае // Энергосбережение: нормативно-правовая база, образование, информация и консультирование : сб, материалов 2-го международного научно-практического семинара. - Барнаул ГИПП «Алтай», 2001.-С. 8-13.

23. Пат. 2172904. Устройство для утилизации солнечной энергии / В.Я. Федянин, М.А Утемесов, В.В. Чертищев // Изобретения. Полезные модели: Официальный бюллетень. - 2001. -№24.

24. Федянин В.Я. Возможности использования возобновляемых источников энергии для создания комфортных условий в быту / В.Я. Федянин, В.В. Чертищев. - Барнаул : Изд-во Алт. ун-та, 2003. - 66 с.

25. Основные направления энергосбережения Алтайского края на 2002-2005 годы : программа / науч. ред. В.Я. Федянин. - Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2003. - 58 с.

26. Федянин В.Я. Системы напольного отопления / В.Я. Федянин, Я.Ю. Строков / http:// edu.secna.ru/main /review/ Горизонты образования. 2003. Вып. 5. 61-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава. Ч. 11 (llctf.pdf) С. 20-22.

27. Федянин В.Я. Методика расчета тепловых потоков в грунтовом теплообменнике / В.Я. Федянин, Д.Д. Михеев / http://edu.secna.ru/main / review // Горизонты образования. - 2003. - Вып. 5. 61-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава. Ч. 11 (1 lctf.pdf) С. 12-15.

28. Федянин В.Я. Определение оптимальной емкости аккумуляторной батареи для автономного источника электроснабжения / В.Я. Федянин, М.К. Карпов / http:// edu.secna.ni/main / review/ Горизонты образования. -2003. - Вып. 5. 61-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава. Ч. 11 (llctf.pdf) С. 15-17.

29. Федянин В.Я. Методика экспериментальной оценки конвективных теплопотерь зданий / В.Я. Федянин, М.Г. Зуев / http://edu.secna.ru/main / review/ Горизонты образования. - 2003. - Вып. 5. 61-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава. Ч. 11(1 lctf.pdf) С. 17-20.

30. Федянин В.Я. Использование возобновляемых источников энергии для решения социально-экономических и экологических проблем // Проблемы энергосбережения и энергобезопасности в Сибири : материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2003. - 229 с.

31. Федянин В.Я. Оптимизация параметров аккумуляторной

»23 192

батареи на основе компьютерного моделирования режимов работы фотоэлектрической установки / В.Я. Федянин, М.Г. Зуев, М.В. Карпов // Ползуновский вестник. №1-2: Исследование, моделирование, управление в технических системах и природной среде. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2003. - С. 138-142.

32. Федянин В.Я. Математическая модель процессов теплопередачи в пассивных системах солнечного отопления // Ползуновский вестник № 1: По материалам III семинара вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике. - Барнаул : Изд-во АлтГТУ, 2004. - С. 285-289.

33. Федянин В.Я. Анализ кинетических уравнений для процесса аэробного сбраживания в метантенках с периодической загрузкой // Ползуновский вестник №2. - Барнаул : Изд-во АлтТГУ, 2004. - С. 244248.

34. Федянин В.Я. Потенциал энергосбережения в зданиях и возможности использования возобновляемых источников энергии для повышения эффективности систем теплоснабжения // Вестник алтайской науки. №1. - Барнаул : Изд-во АлтТГУ, 2004. - С. 6-61.

35. Федянин В.Я. Использование пассивных систем солнечного отопления для теплоснабжения в условиях юга Западной Сибири // Теплоэнергетика. - 2004. - №6. С. 42-44.

36. Заявка на регистрацию программы для ЭВМ №2004611908. Расчет составляющих теплового баланса зданий и сооружений с учетом потоков солнечной радиации и низкопотенциального тепла почвы (ТЪегтсйокг) / В.Я. Федянин, М.Г. Зуев. 2004.

Подписано в печать 28.10.2004 г. Формат 60x84 1/16 Печать - ризография. Усл.п.л. 2,09 Тираж 150 экз. Заказ 2004 -•#3

Отпечатано в типографии АлтГТУ

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора технических наук, Федянин, Виктор Яковлевич

Введение.

Глава 1. Пассивные системы солнечного отопления и потенциал энергосбережения зданий.

1.1 Пассивное использование энергии солнечного излучения.

1.2. Исследования закрытых пассивных систем.

1.3. Эффективность пассивных систем солнечного отопления.

1.4. Потребность в тепловой энергии.

1.5. Роль инфильтрационных тепловых потерь.

1.5.1. Методика определения инфильтрационных тепловых потерь.

1.5.2. Результаты энергетически обследований зданий.

1.6. Баланс тепловой энергии в зданиях.

1.6.1. Тепловые потери.

1.6.2. Полезное использование дополнительных источников тепловой энергии.

Глава 2. Активные солнечные и теплонасосные системы теплоснабжения.

2.1. Оценки климатических и планировочных факторов.

2.1.1. Оптимальная ориентация поглощающих элементов.

2.1.2. Оценка факторов, связанных с затенением.

2.1.3. Температура почвы.

2.2. Исследование солнечных водонагревательных установок.

2.3. Использование тепловых насосов в системах теплоснабжения.

2.3.1. Исследование режимов работы теплового насоса в системе с водяным накопителем тепла.

2.3.2. Исследование теплонаносных систем на основе грунтовых теплообменников закрытого типа.

2.4. Исследования возможности использования грунтовых теплообменников в системах вентиляции.

Глава 3. Технический потенциал биомассы.

3.1. Газификация растительной биомассы.

3.1.1. Исследование технологии газификации древесных отходов.

3.1.2. Использование генераторного газа в качестве моторного топлива.

3.2. Исследование процессов анаэробного сбраживания отходов животноводства.

3.2.1. Обобщение опыта эксплуатации биогазовых установок.

3.2.2. Теоретический анализ кинетики метанового сбраживания в реакторах с периодической загрузкой.

3.2.3. Исследование процессов сжигания биогаза.

3.2.4. Эффективность биогазовых установок.

Глава 4. Экспериментальное энергоавтономное здание.

4.1. Общее описание проекта.

4.2. Архитектурно-конструктивные решения энергоавтономного здания.

4.2.1. Объемно-планировочные решения.

4.2.2. Конструктивные решения.

4.3 Система теплоснабжения.

4.4 Выбор источников электрической энергии.

4.4.1. Расчетное потребление электроэнергии.

4.4.2. Выработка электроэнергии.

4.5. Система электроснабжения экспериментального энергоавтономного здания.

4.6. Оптимизация параметров фотоэлектрической установки.

4.7. Анализ энергетических затрат на создание и эксплуатацию ЭАЗ.

Введение диссертация по физике, на тему "Оценка эффективности использования возобновляемых источников энергии в системах теплоснабжения для условий юга Западной Сибири"

Актуальность темы

Большая социальная значимость системы теплоснабжения - самого топливоемкого сектора экономики России - в последнее время отчетливо осознана на государственном уровне. В «Энергетической стратегии России на период до 2020 года», утвержденной Правительством РФ 26 августа 2003 года, стратегическими целями развития этой отрасли определены:

- повышение надежности снабжения теплом предприятий экономики и населения страны;

- повышение эффективности функционирования на базе новых современных технологий с учетом оптимального использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива.

Возобновляемые источники энергии — источники непрерывно возобновляемых в биосфере Земли видов энергии: солнечной, ветровой, океанической, гидроэнергии рек, геотермальной, энергии биомассы и другие. Неистощаемость и экологическая чистота этих ресурсов обусловливают необходимость их более интенсивного использования.

Применение возобновляемых источников энергии и местных видов топлива позволяет:

- сокращать потребление невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов;

- снижать экологические нагрузки от деятельности топливно-энергетического комплекса;

- обеспечивать тепловой энергией децентрализованных потребителей в районах с дальним завозом топлива;

- снижать расходы на дальнепривозное топливо.

В настоящее время экономический потенциал возобновляемых источников энергии существенно увеличивается в связи с подорожанием традиционного топлива. Как показывают долгосрочные прогнозы, в будущем эта тенденция сохранится.

Научно-техническим проблемам использования возобновляемых источников энергии в различных областях народного хозяйства посвящено большое количество исследований отечественных и зарубежных ученых. Общую координацию научных исследований и разработок в рамках государственной научно-технической программы России «Экологически чистая энергетика» осуществляли В.И. Доброхотов, Э.Э. Шпильрайн, П.П. Безруких. Большой вклад в разработку научных основ использования возобновляемых источников энергии внесли следующие ученые и научные коллективы:

- использование солнечной энергии для теплоснабжения - Б.В. Тарнижевский;

- разработка энергосистем на основе возобновляемых источников энергии -ВНИИ электрификации сельского хозяйства (Д.С. Стребков), МЭИ (В.И. Виссарионов, В.М. Казанджан);

- использование тепловых насосов - институт теплофизики СО РАН (В.Е. Накоряков), И.М. Калнинь, Г.П. Васильев;

- энергетическое использование биомассы - JI.B. Зысин, Е.С. Панцхава.

Значительный вклад в развитие научных основ разработки солнечных энергетически систем теплоснабжения зданий внесли германские ученые A. Goetzberger, V. Wittwer, К. Voss.

Каждый крупный регион России имеет свои особенности топливо- и энергообеспечения. Их правильный и своевременньш учет — основа успешной реализации государственной энергетической политики.

В странах дальнего и ближнего зарубежья в последние годы наблюдается значительный рост производства агрегатов нетрадиционной энергетики. В России известны лишь отдельные примеры использования этих систем. Одна из причин этого - незнание потенциальными пользователями и проектировщиками возможностей, открывающихся при использовании возобновляемых источников энергии в системах теплоснабжения. Разработка рекомендаций, основанных на экспериментальных и теоретических исследованиях в сходных природно-климатических условиях, будет содействовать более широкому применению этих систем.

Модернизацию систем теплоснабжения на основе использования возобновляемых источников энергии необходимо вести на надежном фундаменте научных исследований и разработок, учитывающих природно-климатические характеристики рассматриваемой территории. Кроме того, до настоящего времени не разработан комплексный подход к проектированию систем теплоснабжения, учитывающий как доступные в месте нахождения здания возобновляемые источники энергии, так и теплоэнергетические параметры объекта теплоснабжения.

Проблема состоит в том, чтобы, поддерживая комфортные условия микроклимата, миниминизировать потери энергии. Исходя из этого и изучая возможный вклад возобновляемых источников энергии в топливно-энергетическом балансе здания, необходимо рассматривать его как единую энергетическую систему, в которой взаимодействуют потоки энергии разного вида. Научная проблема состоит в том, чтобы разработать методики, дающие возможность проводить комплексный технический анализ систем теплоснабжения с учетом как природно-климатических факторов места расположения, так и теплоэнергетических характеристик самого объекта теплоснабжения.

В соответствии с этой целью решались следующие задачи:

- проведение экспериментальных, теоретических исследований, натурных испытаний и опытная эксплуатация активных и пассивных систем солнечного отопления, термогазовых генераторов, биогазовых систем, тепловых насосов и грунтовых теплообменников, использующих низкопотенциальное тепло поверхностных слоев земли;

Научная новизна. Автор видит научную новизну в комплексном подходе к разработке систем теплоснабжения зданий основанном на единой системе физических и инженерных расчетов, учитывающих поступление солнечной радиации, других источников тепловой энергии, влиянии ветра, температуры окружающего воздуха, а также детальном учете всех каналов тепловых потерь зданий и теплофизические характеристики ограждающих конструкций. Комплексный подход позволил: выявить количественные связи между эффективностью пассивных систем солнечного отопления при замещении отопительной нагрузки, архитектурно планировочными, конструктивными решениями и природно-климатическими характеристиками места расположения здания; рассмотреть на единой методической основе результаты экспериментальных, теоретических исследований и разработок процессов получения тепловой энергии с помощью агрегатов нетрадиционной энергетики и пассивных систем солнечного отопления; разработать концепцию создания комбинированных систем энергообеспечения зданий с использованием возобновляемых источников энергии в условиях юга Западной Сибири. На защиту выносятся:

- методика определения оптимальной ориентации поглощающих солнечную радиацию элементов с использованием круговых диаграмм, учитывающая влияние затенения от окружающих объектов;

- результаты экспериментальных исследований переноса тепла в системах с прозрачной тепловой изоляцией сотового типа, математическая модель, описывающая процессы поглощения и переноса тепла в закрытых системах пассивного солнечного отопления, конструкция устройства для эффективной утилизации солнечной энергии;

- результаты экспериментальных исследований процесса анаэробного сбраживания отходов крупного рогатого скота, математическая модель, описывающая временные зависимости выхода биогаза в метантенках с периодической загрузкой, методика расчета оптимальных параметров горелок для сжигания биогаза, расчеты энергетической и экономической эффективности системы анаэробной переработки отходов крупного животноводческого комплекса;

- полуэмпирическая формула, описывающая пространственно-временное распределение температуры верхних слоев грунта, позволяющая учитывать влияние как природных факторов, так и мощных источников тепла техногенного происхождения, математическая модель расчета процессов нагрева воздуха в грунтовых теплообменниках, встроенных в систему вентиляции здания;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов использования низкопотенциального тепла поверхностных слоев земли в системах отопления зданий с водяным накопителем на основе компрессорных тепловых насосов и грунтовых теплообменников закрытого типа;

- концепция создания комбинированной системы энергообеспечения энергоавтономного здания для природно-климатических условий юга Западной Сибири, методика сравнительных оценок, основанная на анализе суммарных затрат первичной энергии на создание и эксплуатацию зданий. Практическая ценность. Разработанная методика определения вентиляционных тепловых потерь через ограждающие конструкции позволяет определять направления работ при подготовке зданий к отопительному сезону, определять основные направления энергоэффективной реконструкции зданий, учитывающей индивидуальные особенности конкретного здания и фактического состояния воздухопроницаемости его ограждающих конструкций, организовать объективный инструментальный контроль качества проектных решений и строительно-монтажных работ при приемке новых зданий.

Комплексный подход к анализу факторов, определяющих тепловой баланс здания, позволяет оптимизировать архитектурно-планировочные и технические решения при строительстве и реконструкции зданий. Разработанное методическое и программное обеспечение расчетов компонентов основных энергетических потоков, проходящих через ограждающие конструкции здания, существенно облегчает проведение расчетов различных сочетаний параметров. Опыт разработки систем энергообеспечения экспериментального энергоавтономного здания может быть использован при разработке проектов низкоэнергетических зданий.

Предложенные круговые диаграммы, описывающие зависимость месячных и годовых сумм солнечной радиации, позволяют специалистам смежных специальностей (архитекторов, инженеров-строителей и др.) легко учитывать поток солнечной радиации на конструкции здания, специальные солнечные элементы и затенение от окружающих конструкций.

Результаты, полученные при исследовании технологий термической и анаэробной газификации, сжигания генераторного газа и биогаза дают методическую основу для энергетического использования отходов деревообработки и животноводства.

Личный вклад автора заключается:

- в постановке научных задач, разработке методик проведения экспериментов и испытаний;

- в авторском надзоре за изготовлением и испытанием опытно-промышленных агрегатов нетрадиционной энергетики, проектированием и строительством экспериментального энергоавтономного здания;

- в руководстве сотрудников, выполнявших работы по данной теме;

- в проведении анализа эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в Алтайском крае, определении основных направлений энергосбережения.

Апробация работы. Материалы и результаты исследований по теме диссертационной работы были представлены:

- на международной конференции «Экономика и экология: антагонизм или сотрудничество» (Барнаул, 1994 г.);

- постоянно действующем международном семинаре «Ресурсо- и энергосбережение» (Новосибирск, 1999 г.);

- пятой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 1999 г.);

- международном научно-практическом семинаре «Энергосбережение в системах теплоснабжения» (Барнаул, 2000 г.);

- Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы энергосбережения и энергобезопасности в Сибири» (Барнаул, 2003 г.);

- втором Всероссийском энергетическом форуме «ТЭК России в XXI веке» (Москва, 2004 г.).

Материалы обсуждались также на заседаниях научного Совета Миннауки России и РАН (Москва, 1995, 1996, 1998 и 1999 гг.), Координационного Совета по энергоресурсосбережению Межрегиональной ассоциации «Сибирское Соглашение» (Барнаул, 2001 г.), научного семинара Фраунгоферовского института солнечных энергетических систем (Германия, Фрайбург, 1998 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 35 научных работ, учебное пособие для студентов вузов, методическое пособие для населения, получен патент на изобретение, зарегистрирована программа для ЭВМ.

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работа представляет законченное диссертационное исследование, в котором изложены научно обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области теплоснабжения зданий с использованием возобновляемых источников энергии. В результате проведенных исследований получены следующие результаты:

3. Изучены оптико-тепловые характеристики систем с прозрачной тепловой изоляцией сотового типа. Разработанная математическая модель пространственно-временного изменения потоков тепла показала, что в закрытых системах пассивного солнечного отопления максимальный нагрев внутренней поверхности наружных стен происходит со значительным временным запаздыванием относительно максимума интенсивности солнечного излучения, что делает их более привлекательными по отношению к другим типам. Предложена конструкция устройства для эффективного использования солнечной радиации для отопления зданий.

4. Проведен анализ влияния конструктивных особенностей элементов солнечных коллекторов на эффективность приготовления горячей воды. Опытно-промышленные испытания солнечных водогрейных установок разной производительностью (от 0.8 до 7.0 м3/сут.) показали высокую эффективность систем на основе плоских солнечных коллекторов с прозрачной теплоизоляцией для обеспечения горячей водой в теплый период (май-сентябрь).

5. Экспериментальные и теоретические исследования показали высокую эффективность технологии термической газификации древесных отходов с целью получения генераторного газа (к.п.д. преобразования до 86%), который может служить удобным топливом как для котлов различного типа, так и для дизельных моторов-генераторов.

6. Исследована зависимость выхода биогаза от температуры анаэробного сбраживания и химического состава исходного сырья, проанализированы затраты энергии для поддержания процесса. В холодный период эти затраты «на собственные нужды» не превышают 40% от низшей теплоты сгорания выделившегося биогаза.

7. Разработанная математическая модель удовлетворительно описывает влияние химического состава исходного сырья, влажности сбраживаемого субстрата и температуры на кинетические характеристики развития сообщества метаногенных бактерий в метантенках периодической загрузки. Анализ процессов горения биогаза различного химического состава показал, что могут использоваться стандартные горелочные устройства с минимальной доработкой. Предложена методика расчета оптимальных параметров горелок для сжигания биогаза. Показана высокая энергетическая и экономическая эффективность системы анаэробной переработки отходов крупного животноводческого комплекса. На собственные нужды (обеспечение технологии анаэробного сбраживания) затрачивается 6% электрической и 44% тепловой энергии, произведенной при сжигании произведенного биогаза.

8. Рассмотрены факторы, влияющие на температуру верхних слоев грунта с целью использования низкопотенциального тепла от этого источника для целей теплообеспечения зданий. Показано, что в природно-климатических условиях юга Западной Сибири наиболее эффективны и технически обеспечены два варианта использования низкопотенциального тепла поверхностных слоев почвы:

-грунтовые теплообменники для предварительного кондиционирования приточного воздуха системы вентиляции;

- теплонасосные системы отопления с грунтовым теплообменником.

Грунтовый теплообменник может передавать на нагрев воздуха до 20 кВтч тепла на каждый 1кВтч электрической энергии, затраченной вентилятором. Для тепловых насосов с грунтовыми теплообменниками на 3 кВтч полученной тепловой энергии затрачивается приводом компрессора 1 квтч электрической энергии.

9. С целью демонстрации суммарного эффекта от использования энергосберегающих решений и применения возобновляемых источников для энергообеспечения систем жизнеобеспечения зданий разработана концепция энергоавтономного экспериментального здания (ЭАЗ). Расчетами и проработкой технических решений до стадии рабочих чертежей показано, что комплексное использование энергосберегающих и возобновляемых энерготехнологий позволяет полностью решить проблему энергообеспечения зданий. Суммарные затраты первичной энергии на создание и эксплуатацию ЭАЗ за период его жизненного цикла в 2.3-5-4.9 раза меньше, чем на создание и эксплуатацию традиционного здания, теплоснабжение которого осуществляется от ТЭЦ или котельной.

Список источников диссертации и автореферата по физике, доктора технических наук, Федянин, Виктор Яковлевич, Барнаул

1. Федянин В .Я. Расчет баланса энергоавтономного дома / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов, В.В. Чертищев // Теплоэнергетика. 1999. - №2. - С. 1620.

2. Заявка на регистрацию программы для ЭВМ №2004611908. Расчет составляющих теплового баланса зданий и сооружений с учетом потоков солнечной радиации и низкопотенциального тепла почвы (ТЬегто8о1аг) / В.Я. Федянин, М.Г. Зуев. 2004.

3. Федянин В.Я. Возможности использования возобновляемых источников энергии для создания комфортных условий в быту / В.Я. Федянин, В.В. Чертищев. — Барнаул : Изд-во Алт. ун-та, 2003. 66 с.

4. Федянин В.Я. Использование пассивных систем солнечного отопления для теплоснабжения в условиях юга Западной Сибири // Теплоэнергетика. -2004.-№6.

5. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения / под ред. Э.В. Сарнацкого, С.А. Чистовича. М. : Стройиздат, 1990. - 325 с.

6. Marko, Achim: Thermische Solarenergienutzung an Gebäuden /Achim Marko; Peter Braun. Berlin ; Heidelberg ; New York : Springer, 1997. - 438 c.

7. Kerschberger, A., Platzer W., Weidlich B. Transparente Waermedaemmung: Produkte, Projekte, Planungshinweise. Wiesbaden ; Berlin : Bauverlag, 1997. -171 s.

8. Беляев B.C. Проектирование энергоэкономичных гражданских зданий : учеб. пособ. для студ. вузов по спец. «Промышленное и гражданское строительство» / B.C. Беляев, Л.П. Хохлова. М.: Высш. шк., 1991.-255 с.

9. Chiras, Daniel D. The Solar House: passive solar heating and cooling. -White River Junction, Vermont: Chelsea Green Publishing Company, 2002. 274

10. Voss К. Experimentalle und theoretische Analyse des thermischen Gebaeudeverhaltens fuer das energieautarke Solarhaus Freiburg. Stuttgart: Frauhofer IRB Verlag, 1997. 153 c.

11. Platzer W.J. Directional-hemispherical solar transmittance data for plastic honeycomb-type structures// Solar Energy. 1992. Vol. 49. - №5. - C. 359-369.

12. Крейт Ф. Основы теплопередачи : пер. с англ. / Ф. Крейт, У. Блэк. -М. : Мир, 1983.

13. Gotzberger, V. Wittwer Sonnenenergie: physiralschen Grundlagen und thermische Anwendungen. Stuttgart : Teubner, 1993. - 231 s.

14. Кутателадзе C.C. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление : справочное пособие. М. : Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.

15. Полянин А.Д. Справочник по точным решениям уравнений тепло- и массопереноса / А.Д. Полянин, А.Ф. Вязьмин, А.И. Журов, Д.А. Казенин. -М. : Факториал, 1998. 368 с.

16. Гинзбург B.JI. Распространение электромагнитных волн в плазме. — М. : Наука, 1967.-684 с.

17. Пат. 2172904 Российская Федерация. Устройство для утилизации солнечной энергии. / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов, В.В. Чертищев. // Изобретения. Полезные модели : Официальный бюллетень. 2001. - №24.

18. Тарнижевский Б.В. Системы пассивного солнечного отопления в архитектуре и строительстве / Б.В. Тарнижевский, К.Н. Чакалев // Жилищное строительство. 1994. - №7. - С. 19-21.

19. Тарнижевский Б.В. Эффективность пассивных систем солнечного отопления в климатических условиях России // Теплоэнергетика. 2000. -№1. - С. 14-17.

20. Мак-Вейг Д. Применение солнечной энергии : пер. с англ. / под ред. Б.В. Тарнижевского. М. : Энергоиздат, 1981. - 211 с.

21. Чакалев К.Н. Расчет систем пассивного солнечного отопления // Известия РАН. Энергетика. 1998. - № 3. - С. 91- 97.

22. Эффективные системы отопления зданий / В.Е. Минин, В.К. Аверьянов, Е.А. Белинкий и др.; под общ. ред. В.Е. Минина. Л. : Стройиздат, 1988.-216 с.

23. TCH23-3XX-2001 АлтК. Энергетическая эффективность жилых и общественных зданий. Энергосберегающая теплозащита зданий. Нормы проектирования, г. Барнаул / Администрация Алтайского края. Барнаул, 2001.-45 с.

24. Sperber С., Schettler-Koehler Н.-Р. WaermeSchutzverordnung '95. -Essen : Verlag fuer Wirtschaft und Verwaltung Hubert Wingen, 1995. 304 s.

25. Voss K. Theorie und Praxis der pasiven Solarenergienutzung im Wohnungsbau // Sonnenenergie. 1997. - №3. - S. 24-27.

26. Богословский B.H. Строительная теплофизика (теплофизические основы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха). М. : Высш. школа, 1982. - 415 с.

27. Мачкаши А. Лучистое отопление / А. Мачкаши, Л. Банхиди ; пер. с венгр. В.М. Беляева ; под ред. В.Н. Богословского и Л.М. Махова. М. : Стройиздат, 1985.-464 с.

28. Коваленко П.П. Городская климатология / П.П. Коваленко, Л.Н. Орлова. М. : Стройиздат, 1993. - 144 с.

29. ГОСТ 30496-96. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. Межгосударственный стандарт. Введен 01.03.99. - М. : Госстрой России ; ГУП ЦПП, 1999. - 14 с.

30. Эффективное использование электроэнергии / под ред. К. Смита; пер. с англ. под ред. Д.Б. Вольфберга. — М. : Энергоиздат, 1981. 400 с.

31. Альтшуль А.Д. Гидравлика и аэродинамика (Основы механики жидкости): учебное пособие для вузов / А.Д. Альтшуль, П.Г. Киселев. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1975. - 323 с.

32. СНИП II-3-79. Строительная теплотехника. С изменением №3, введенным в действие с 01.09.95 г. и изменением №4, введенным в действие с 01.03.98./Госстрой России. М. : ГУП ЦПП, 1998. - 29 с.

33. Справочник по климату СССР. Ч. III: Ветер. JI. : Гидрометеоиздат, 1966.-546 с.

34. Рекомендации по определению климатических характеристик ветроэнергетических ресурсов. — JI. : Гидрометеоиздат, 1989. 80 с.

35. Расчет ресурсов ветровой энергетики / В.И. Виссарионов, В.А. Кузнецов, Н.К. Малинин, Г.В. Дерюгина, Д.Э. Шван. М. : Изд-во МЭИ, 1997.-32 с.

36. СНиП 2.04.05-91. Отопление, вентиляция и кондиционирование. Строительные нормы и правила /Госстрой России. М. : ГУП ЦПП, 2000. -72 с.

37. СНиП 2.08.01-89. Жилые здания. С изменениями №1 от 30.04.93., №2 от 11.10.94. и №3 от 03.06.99./Госстрой России. М.: ГУП ЦПП. 2000. - 14 с.

38. СанПиН 2.2.4.548 96. Физические факторы производственной среды. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений. Введены в действие с 01.10.96 / Госкомсанэпиднадзор России. - М., 1996. -16 с.

39. Богуславский Л.Д. Снижение расхода энергии при работе систем отопления и вентиляции. 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Стройиздат, 1985. -336 с.

40. Энергосберегающие технологии в современном строительстве / пер. с англ. Ю.А. Матросова и В.А. Овчаренко; под ред. В.Б. Козлова. М. : Стройиздат. 1990. - 296 с.

41. Bansal N.K., Sodha M.Z. //Tunnling and Underground Space Technology. -1986. V. 1. - №2. - P. 40-45.

42. Baehr H. und Stephan K. Waerme- und Stoffuebertragung. Berlin : Springer Verlag, 1995. - 246 c.

43. Das Niedrigenergiehaus: das Energiesparkonzept im Wohnungsbau/Wolfgang Feist, Robert Borsch-Laaks u. a. C.F. Mueller Verlag Heidelberg, 1997.-217 s.

44. Федянин В.Я. Исследование режимов совместной работы теплового насоса с вертикальным грунтовым теплообменником / В.Я. Федянин, J1.H. Федин, М.А. Утемесов, Д.Л. Горбунов // Теплоэнергетика. — 1997. — №4. — С. 21-23.

45. Федянин В.Я. Исследование режимов совместной работы теплового насоса с вертикальным грунтовым теплообменником / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов, Л.Н. Федин, Д.Л. Горбунов // Теплоэнергетика. 1997. - №4. - С. 21-23.

46. Федянин В.Я. Автономные системы отопления и горячего водоснабжения / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов, В.В. Чертищев. Деп. в ВИНИТИ 28.08.98, № 2717-В98.

47. Федянин В.Я. Применение теплового насоса для поддержания теплового режима и оптимизации работы бассейна / В.Я. Федянин, А.Н. Парфенов, М.А. Утемесов, П.Г. Зенков // Холодильная техника. 1998. - №9. -С. 12-13.

48. Кондратьев К.Я. Радиационный режим наклонных поверхностей / К.Я. Кондратьев, З.И. Пивоварова, З.И. Федорова ; под ред. К.Я. Кондратьева. J1. : Гидрометеоиздат, 1978.-215с.

49. Крейт Ф. Основы теплопередачи : пер. с англ. / Ф. Крейт, У. Блэк М. : Мир, 1983.-512 с.

50. Даффи Дж.А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии : пер. с англ. / Дж.А. Даффи, У.А. Бекман ; под ред. Ю.Н. Малевского. М. : Мир, 1977. - 420 с.

51. Васильев Г.П. Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах // АВОК. 2002. - №4. - С. 12-16.

52. Любимова Е.А. Геотермика // Физический энциклопедический словарь. -М., 1960.-Т.1. С. 415^16.

53. Feist, W.: Passivhaeuser in Mitteleuropa: Dissértazion Gesamthochschule Kassel. Kassel, 1993.

54. Duffie, J. und Beckmann, W.: Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley & Sons. New York, 1991.

55. Penman, H. Vegetation and Hydrology. Farnham Royal, Commonwealth Agricltural Bureaux 1963.

56. Энергия, природа и климат / B.B. Клименко, A.B. Клименко и др. М. : Изд-во МЭИ, 1997. - 215 с.

57. Энергия окружающей среды и строительное проектирование. М. : Стройиздат, 1983. -487 с.

58. Зоколей С. Солнечная энергия и строительство. М. : Стройиздат, 1979.-208 с.

59. Девис А. Альтернативные природные источники энергии в строительном проектировании / А. Девис, Р. Шуберт. М. : Стройиздат, 1983.-501 с.

60. Танака С. Жилые дома с автономным теплохладоснабжением / С. Танака, Р. Суда. М. : Стройиздат, 1989. - 213 с.

61. Твайделл Дж. Возобновляемые источники энергии / Дж. Твайделл, А.

62. Уэйр. М. : Энергоатомиздат, 1990. - 329 с.

63. Валов М.И. Использование солнечной энергии в системах теплоснабжения / М.И. Валов, Б.И. Казанджан. — М. : Изд-во МЭИ, 1991. — 140 с.

64. Бекман У. Расчет систем солнечного теплоснабжения / У. Бекман, С. Клейн, Дж. Даффи. М. : Энергоатомиздат, 1982. - 137 с.

65. ГОСТ 28310-89. Коллекторы солнечные. Общие технические условия. — М. : Изд-во стандартов, 1990. 16 с.

66. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров : справочник. М. : Атомиздат, 1979. - 216 с.

67. Рей Д. Тепловые насосы : пер. с англ. / Д. Рей, Д. Макмайкл. М. : Энергоиздат, 1982. - 224 с.

68. Тепловой насос бытовой НТБ 10-2-0. Пояснительная записка. М. : ВНИИХолодмаш, 1989. - 21 с.

69. Теплообменные аппараты холодильных установок / под ред. Г.И. Даниловой. JI. : Машиностроение, 1986. -475 с.

70. Sanner В. Oberflaechennahe Geothermie Waerme- und Kaelteversorgung aus dem Untergrund//BBR: Brunnenbau, Bau Wasserwerk, Rohrleitugsbau. -1998.-№ 10. -C. 34-40.

71. Клепанда A.C. Методика расчета на ЭВМ парокомпрессионного теплового насоса / A.C. Клепанда, Э.Б. Филиппов, П.В. Пашко // Холодильная техника. 1990 - №7. - С. 10-13.

72. Алтунин В.В. Теплофизические свойства фреонов. Справочные данные. Т. 1: Фреоны метанового ряда / В.В. Алтунин, В.З. Геллер, Е.К. Петров и др. М.: Изд-во стандартов, 1980. - 253 с.

73. Всеволжский Г.А. Основы гидрогеологии. М. : Изд-во Моск. ун-та, 1991.-440 с.

74. Baehr Н. und Stephan К. Waerme- und Stoffuebertragung. Berlin: Springer Verlag, 1995.-368 c.

75. Betz A. Konforme Abbildungen. Berlin : Springer Verlag, 1964. - 286 c.

76. Glueck В. Stralunheizung Theorie und Praxis. - Berlin : VEB Verlag fuer Bauwesen, 1982, 264 c.

77. Теплотехнический справочник: в 2-х т. / под ред. В.Н. Юргенева и П.Д. Лебедева. 2-е изд., перераб. - М. : Энергия, 1975. - Т. 1.

78. Отопление и вентиляция жилых и гражданских зданий: Проектирование: справочник / Г.В. Русланов, М.Я. Розкин, Э.Л. Ямпольский. Киев : Буд1вельник, 1983. - 272 с.

79. Федянин В.Я. Опыт эксплуатации биогазовой установки в условиях Алтайского края / В.Я. Федянин, И.М. Лавров, М.А. Утемесов, В.В. Чертищев, Л.Н. Федин // Теплоэнергетика. 1996. - №2. - С. 8-11.

80. Федянин В.Я. Методика расчета тепловых потерь метантенка / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов // Вопросы горного природопользования : сборник научных статей / НИИ горного природопользования. 1994. - С. 122-135.

81. Лавров И.М. Исследование энергопотенциала биомассы в Алтайском крае / И.М. Лавров, В.Я. Федянин // Вопросы горного природопользования : сб. науч. статей. Барнаул : Изд-во Евразийского Экологического Центра, 1994.-С. 111-114.

82. Сергеев B.B. Повышение эффективности использования биомассы как топлива на основе газогенераторных технологий: автореф. дис. . канд. техн. наук. СПб.: Изд-во СПГТУ, 2002. - 16 с.

83. Зысин Л.В. Исследование совместной работы дизеля и газогенератора, перерабатывающего растительную биомассу //

84. Теплоэнергетика. 2002. - №1. - С. 14-18.

85. Баадер И. Биогаз: теория и практика / И. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер ; пер. с нем. с пред. М.И. Серебрянного. М. : Колос, 1982. -148 с.

86. Брнас Д. Анаэробные процессы очистки сточных вод / Д. Брнас, П.А. Фитжеральд // Экологическая биотехнология / под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза. Л. : Химия, 1990. - С. 37-89.

87. Калюжный C.B. Анаэробная биологическая очистка сточных вод / C.B. Калюжный, Д.А. Данилович, А.Н. Ноженкова // Итоги науки и техники. Сер.: Биотехнология. М. : ВИНИТИ, 1991. - Т. 29. - С. 156.

88. Заварзин Г.А. Трофические связи в метаногенном сообществе // Известия АН СССР. Сер. : Биология. 1986. - №3. - С. 341-360.

89. Гюнтер Л.И. Метантенки / Л.И. Гюнтер, Л.Л. Гольдфарб. М. : Стройиздат, 1991. - 128 с.

90. Васильев В.Б. Имитационная модель анаэробного разложения органических веществ сообществом микроорганизмов. Основные уравнения / В.Б. Васильев, В.А. Вавилин, C.B. Рытов, A.B. Пономарев // Водные ресурсы. 1993. - Т. 20. - №6. - С. 714-725.

91. Заварзин Г.А. Моделирование метаногенного сообщества / Г.А. Заварзин, В.В. Калашников, В.В. Кевбрин, С.Т. Петров // Известия академии наук СССР. Серия биологическая. 1990. - №1.

92. Маринин В. Д. Экономические проблемы использования безотходных технологий. М. : НИИУ, 1992

93. Иссерлин A.C. Основы сжигания газового топлива : справочное пособие. Л. : Наука, 1987. - 335 с. ;;,

94. Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва : учеб. пособие. — М. : Изд-во Моск. ун-та, 1957. 450 с.

95. Вулис Л.А. Аэродинамика факела / Л.А. Вулис, Л.П. Ярин. Л. : Энергия, 1978.-216 с.

96. Друскин Л.И. Эффективное использование природного газа впромышленных установках: справ, пособие. М. : Энергоиздат, 1992. - 176 с.

97. Хзмалян Д.М. Теория горения и топочные устройства : учеб. пособие / Д.М. Хзмалян, Я.А. Каган ; под ред. Д.М. Хзмаляна. М.: Энергия, 1976.-487 с.

98. Льюис Б. Горение, пламя и взрывы в газах / Б. Льюис, Г. Эльбе. М. : Мир, 1968.-360 с.

99. Процессы горения / под ред. Б. Льюиса, Р.Н. Пиза, Х.С. Тэйлора. -М. : Физматгиз, 1961. 558 с.

100. Вулис Л.А. Основы теории газового факела / Л.А. Вулис, Ш.А. Ершин, Л.П. Ярин. Л. : Энергия, 1968. - 203 с.

101. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент : правочник / под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зотова. 2-е изд., перераб. - М. : Энергоатомиздат, 1988. - 560 с.

102. Зельдович Я.Б. Математическая теория горения и взрыва / Я.Б. Зельдович, Г.И. Баренблатт, В.Б. Либрович, Г.М. Махвиладзе. М. : Наука, 1980.-478 с.

103. Падалко Л.П. Экономическая эффективность биоэнергоустановки / Л.П. Падалко, В.Ф. Пуляев // Изв. вузов. Энергетика. 1998. - №11-12. - С. 69-77.

104. Федянин В.Я. Развитие нетрадиционной энергетики в Алтайском крае // Экономика и экология: антагонизм или сотрудничество : сб. тез. докл. международной научной конференции. — Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 1994. -С. 47-49.

105. Федянин В.Я. Алтайское село: НВИЭ против угля // Энергия. 1996. -№9.-С. 5-9.

106. Федянин В.Я. Энергоавтономный дом в г. Барнауле / В.Я. Федянин, М.А. Утемесов, В.В. Чертищев // Ресурсо- и энергосбережение : сб. тезисов докладов постоянно действующего международного семинара. -Новосибирск : Сибирская ярмарка, 1999. С. 25-27.

107. Основные направления энергосбережения Алтайского края на 20022005 годы : программа / науч. ред. В.Я. Федянин. Барнаул: Изд-во Алт. унта, 2003. - 58 с.

108. Stahl W., Goetzberger А., Voss К. Das energieautarke Solarhaus: Mit der Sonne wohnen. Heidelberg: Mueller, 1997. 146 c.

109. Hoerster H. Wege zum Energiesparenden Wohnhaus: Bericht zum Forschugsproekt «Rationelle Energieverwendung und Nutzung der Sonnenenergie in Gebaeuden». Hamburg, 1980. -216 c.

110. Климат Барнаула / под ред. С.Д. Кошинского и B.JI. Кухарской. Л. : Гидрометеоиздат, 1984. - 169 с.

111. Федянин В.Я. Комбинированная автономная энергосистема с использованием ВИЭ для юга Западной Сибири // Возобновляемая энергия. -1998.- №4.-С. 42-44.

112. Буров Ю.С. Минеральные вяжущие вещества / Ю.С. Буров, A.B. Волжанский, B.C. Колокольников. -М.: Стройиздат, 1973. 156 с.

113. Основные направления энергосбережения алтайского края на 20022005 годы : программа / под науч. ред. В.Я. Федянина. Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2003. - 57 с.

114. Схема воздушных потоков при обследовании здания с использованием1. Blower Doorт

115. Год постройки Показатели качества ограждающих конструкций

116. Гальбштадт + отсутствие дефектов, наличие дефектов

117. Менделеева 9 сборно-щитовой шифер 1.1 + - - - + -

118. Менделеева 10 сборно-щитовой шифер 0.97 + + - - + -

119. Менделеева 52-4 кирпич силикатный+кер. блок+кирпич красный металл + + + + + -

120. Менделеева 56-2 кирпич силикатный+кер. блок+кирпич красный металл + + + + + -

121. Менделеева 56-4 кирпич силикатный+кер. блок+кирпич красный металл + + + + + -

122. Менделеева 58-1 кирпич силикатный+кер. блок+кирпич красный металл + - - - + -

123. Менделеева 59-1 кирпич силикатный+кер. блок+кирпич красный шифер + - - - + -

124. Менделеева 62-1 кирпич силикатный+кер. блок+кирпич красный металл + + + + + -

125. Менделеева 62-7 кирпич силикатный+кер. блок+кирпич красный металл + + + + + -

126. Менделеева 64-5 кирпич силикатный+кер. блок+кирпич красный металл + + + + + -1. Шумановка

127. Новая 17-1 кирпич силикатный+шлак+кирпич красный шифер + - - - + -1. Славгород

128. Титова 263-111 кирпич силикатный+кирпич красный асфальт + + - - + -

129. Титова 263-140 кирпич силикатный+кирпич красный асфальт + + - - + -

130. Мкр 2 д! кв 45 панель сэндвич асфальт + + + - + -индивидуальный проект 1. Гальбштадт

131. Школьная 46 саман+кирпич силикатный шифер 1.17 + + + - + -

132. Первомайская 82 саман шифер 1.19 + - - - + -1. Шумановка

133. Ленина 55 кирпич шифер 0.99 + - - - + -

134. Ленина 66 кирпич металл 1.01 + - + + + -

135. Ленина 83 шлак шифер 1.15 - - - - + -

136. Титова 74 саман шифер 0.92 - - - - - -1. Редкая Дубрава

137. Октябрьская 67 кирпич силикатный (колодцевая кладка) шифер 1.09 + - - - - -

138. Садовая 62 кирпич силикатный (колодцевая кладка) шифер 1.08 + - - - - -

139. Наиболее типичные дефекты стен т1ю о

140. Баланс энергии элементов и всего здания за исследуемый период (день, месяц, год)

141. Алтайский региональный центр нетрадиционной энергетик» и энергосбережения

142. Основные тсп.тоэлсримнчсские параметры здания

143. Фактический воздухообмен, 1/нс Гальбнпздг.ул Менделеева- 10

144. Кул)'1П1 неким равнинный (Счавшр-^31. Жилые1. Адрес Район Тип ма1 |ня

145. Г>га>и10сть Одноэтажный дои

146. Г Л том атнч ее кое ре туанро ва нис тепло нос теля

147. Г Векпшяцня прнну дательная

148. С Многосекционное или протяженное здание ® Здание башенного ™ па1 . °с1. Ч№215-8,7211. К, м|1. КВг/(и1К)

149. Отапливаемая площадь, м! Ошпинаемый объем VII, м' Р Венпияфуемый объем по СНИПу у| м3

150. Трансмиссионные тепло потерн У (г

151. Показатель компактности, 1/м Алл/Ч1I риведе ни ьш трансмиссионный коэффициент теплою ре дачи К1т. Вт/( м'*С)

152. Кратность воздухообмена я,, 1/ч Средняя кратность воздухообмена п„, 1 /ч Коэффши 1енг рекуперации, к,с110373 373428375 301504482 161334269 15369315928376 10215428376 10215499