А.І. ПРИМАК

Комплексне використання в ємнісних акумуляторах екологічно чистої енергії для теплозабезпечення об’єктів

Багато європейських виробників визнали необхідність комбінування декількох джерел теплової енергії в єдину систему теплопостачання. Така система може включати котли, що працюють на газі та рідкому паливі, електричні нагрівачі (наприклад, ТЕНи), а також альтернативні джерела — теплові насоси, сонячні колектори, дров’яні котли та пристрої для утилізації тепла. Комбінована система теплопостачання дозволяє максимально ефективно використовувати тепло з джерел, що є тимчасово доступними.

Для комбінованого виробництва електричної та теплової енергії досить вдало можна використовувати вітрові установки. Електрична енергія, вироблена вітряком, який обертається під дією вітру, може використовуватися як безпосередньо для роботи електроприладів, так і для виробництва теплової енергії для обігрівання приміщення або гарячого водопостачання.

Потенціал вітрової енергії наступний: загальний потенціал еквівалентний 97,2-10⁶ т у.п./рік; технічний потенціал - 10,8-10⁶ т у.п./рік; доступний економічний потенціал - 1,2-10⁶т у.п./рік.

Великим потенціалом в Україні володіє сонячна енергія: загальний потенціал еквівалентний 88,4-10⁹ т у.п./рік; технічний потенціал - 0,72-10⁹ т у.п./рік; доступний економічний потенціал - 0,9-10⁶ т у.п./рік.

Середня річна кількість сумарної сонячної радіації, яка поступає на 1 м² поверхні , на території України знаходиться в межах: від 1070 кВт.год/м² в північній її частині до 1400 кВт-год/м² і вище в південних регіонах України. Потенціал сонячної енергії в Україні є достатньо високим для широкого впровадження.

Сонячна енергія надходить тільки тоді, коли світить сонце, тепло від спалювання дров чи брикетів доступне лише тоді, коли горить вогонь. Надходження теплової енергії від теплового насоса чи електричного нагрівача може бути економічно вигідним тільки в ті періоди доби, коли діє знижений тариф на комунальні послуги. Ще більше ускладнює ситуацію те, що температура води, яку забезпечують такі джерела теплової енергії, може значно відрізнятися. Значну частину проблем, які виникають при реалізації таких систем може вирішити застосування теплового акумулятора, який може одночасно виконувати роль акумулятора, гідравлічного розподільника, а також проточного нагрівача для приготування санітарної гарячої води для побутових потреб.

Кожне джерело теплової енергії протягом своєї дії постачає тепло в теплоакумулятор, який по мірі необхідності віддає його у систему теплопостачання для підтримки відповідної температури у приміщенні, що обігрівається. Найбільш поширеними і простими у застосуванні є акумулятори ємнісного типу, в яких використовується теплоємність речовини, що нагрівається без зміни її агрегатного стану. Найчастіше використовується вода (дешево і зручно), рідше — водні розчини солей, а також камінь, галька.

Використання відновлюваних джерел енергії є одним з основних напрямків розвитку енергетики України, яка має всі можливості для розробки і впровадження новітніх технологій в цій галузі. На її території нерівномірно розподілені сонячна радіація, сила і постійність вітру, геотермальна енергія і т. ін. Тому, пропонується один із способів комплексного використання природних відновних джерел енергії.

Характерною особливістю даної системи являється нагрівання води в акумуляторах теплоти сонячними колекторами в теплу пору року і подальший її підігрів за допомогою ТЕНів у опалювальний період.

На територіях де рівень сонячної радіації невеликий для створення сезонних акумуляторів теплоти, а швидкість і сила вітру не постійна, пропонується створювати комплексні системи теплопостачання. Ці системи будуються на основі акумуляторів теплоти, що створюються у ґрунті чи водоносному горизонті, або в будь - якому іншому акумулюючому середовищі. Така екологічно чиста система гарячого водозабезпечення, на відновлюваних джерелах енергії, працює цілий рік використовуючи енергію сонця (літо) і енергію вітру (протягом ріку). Суть роботи такого акумулятора заключається в тому, що «зарядка» проводиться за допомогою сонячних колекторів і вітрогенератора. «Підзарядка» здійснюється тільки в ті дні, коли створюються умови для роботи вітрогенератора. Під терміном «зарядка» сезонного акумулятора розуміється процес накопичення теплоти в резервуарі зберігання за літній проміжок часу. «Розрядка» сезонного акумулятора це процес відбору теплової енергії з резервуару зберігання за певний проміжок часу, як правило в опалювальний період.

Дана система працює на перетворенні сонячної енергії в теплову через сонячні колектори. Сонячним колектором називають пристрій який приймає променеву енергію Сонця і перетворює її в теплову, придатну для використання. Основним елементом геліоустановки, де сонячна енергія перетворюється в теплову, являється сонячний колектор, котрий розміщений в теплоізольованому корпусі з металу, пластмаси, дерева, бетону або інших матеріалів, має одно- або багатошарове світлопроникне покриття зі скла або синтетичної плівки. Сонячні промені, проходячи крізь скло і потрапляючи на забарвлену чорним поверхню колектора, нагрівають її. Це тепло передається воді, що протікає всередині колектора. Вітрова установка складається з вітряка малої потужності, електрогенератора та електричного водонагрівача.

В якості додаткового джерела виступає вітрова енергії. Перетворення електричної енергії вітрогенератора в теплову відбувається за допомогою ТЕНів. Нагрівальні пристрої можуть знаходитись безпосередньо у акумуляторі теплоти (ємнісний акумулятор), в поглинальній свердловині (водоносний горизонт), або нагрітому теплоносії, що подається до ґрунтового акумулятора за допомогою ґрунтового теплообмінника.

Під корисною тепловою енергією, яку можна отримати за допомогою теплових акумуляторів розуміється кількість теплоти, що відбирається від рідкого проміжного теплоносія, який циркулює в замкнутому контурі: акумулятор – споживач теплоти. Якщо температура проміжного теплоносія, який надходить з акумулятора протягом опалювального сезону перевищує температуру встановлену для мережевої води системи опалення, то цей проміжний теплоносій подається безпосередньо в прилади опалення. Якщо ж температура проміжного теплоносія, який надходить з акумулятора протягом опалювального сезону нижча температури встановленої для мережевої води системи опалення, то цей проміжний теплоносій подається до теплового насосу, або підігрівається піковим джерелом енергії. Таким чином, нагрітий теплоносій подається в тепловий насос або в систему теплопостачання в залежності від його температури.

В сонячну погоду в геліоустановці нагрівається вода і надходить до акумулятора. У вітряну погоду вироблена вітроустановкою електроенергія надходить до електричного водонагрівача, який нагріває воду в тепловому акумуляторі, та використовується для потреб електроспоживання. При нестачі сонячної та вітрової енергії використовується теплова енергія, накопичена в акумуляторі, або підключається одне з традиційних джерел енергії.

Кількість теплоти, що забирається із акумулятора, з врахуванням тепловтрат будівлі, та кількість теплоти отриманої з використанням вітрогенератора повинна покривати тепловтрати об’єкта, що обігрівається за допомогою теплового насоса. При пониженні температури у приміщені при подачі гарячої води до системи теплопостачання тоді за допомогою наявного альтернативного джерела енергії або пікового котла відбувається підігрів. При занадто високій температурі в приміщені працює кондиціонер, який за рахунок низькопотенційного тепла, накопиченого в акумуляторі, або за рахунок електроенергії, виробленої вітроустановкою чи із загальної електромережі понижує температуру до заданої норми.

На основі проведених досліджень було розроблено блок-схему системи електропостачання, обігріву, гарячого водопостачання та охолодження будівлі за допомогою альтернативних джерел енергії (сонячна та вітрова енергія) та компенсування нестачі енергії з традиційних джерел (електроенергія, газ).

Основні переваги даної комплексної системи:

· можливість об’єднати вітрогенеруючи та теплогенеруючи установки в єдиний комплекс теплопостачання;

· постійне поповнення теплотою акумулятора, що дає безперебійну подачу теплоти споживачам;

· здатність застосовувати в тих районах, де окремо кожний із видів генераторів теплоти не доцільно застосовувати окремо;

Рис. 1. Найпростіша схема комплексної автономної установки гарячого водопостачання: 1- сонячний колектор; 2 – теплообмінник; 3 і 4 – насоси першого і другого контура циркуляції; 5 – тепловий акумулятор; 6 – нагрівальний елемент; 7 – вітрогенератор; 8 – тепловий насос.

Така енергоефективна система комбінованого виробництва теплової та електричної енергії в природно-кліматичних умовах здатна покрити більшу частину потреб в теплопостачанні будівлі та виробити певну кількість електроенергії, що дозволяє заощадити традиційні природні ресурси, а відповідно, і гроші. Склад елементів в системі та взаємозв’язки між ними можуть варіюватися в залежності від конкретних природно-кліматичних, екологічних та економічних умов для кожної конкретної ситуації.