Теплоавтономный самодостаточный дом

Согласно прогнозам доступной нефти хватит до 2030 г., доступного га– до 2070 г. Поэтому США и ЕС приняли Программу энергосбережения, согласно которой к 2025 годам покрытие энергозатрат должно быть за счет энергии: а) Солнца, ветра и воды рек, морей, океанов – 15 . 25 %; б) биога, биоэтанола – 10 %; в) АЭС – 65 . 75 % [1]. Приоритет в будущем несомненно принадлежит Солнцу, поскольку средняя на поверхности Земли плотность солнечной радиации 200 . 250 Вт/м2, в то время как для хозяйственной деятельности человека в неиндустьных районах достаточно 2 Вт/м2, а в индустриальных – 15 . 20 Вт/ м². Программа США и ЕС расписана по отраслям промышленности. Что касается коммунального хозяйства, то согсно Программе основополагающий принцип – его децентрализация, кроме электро- и водоснабжения, каналиции. Таким образом, тепловые сети, городские котельные исчезнут. Летом теплопотребление дома обеспечивается солнечными коллекторами, зимой – низкопотенциальными энергоресурсами (теплота грунта, атмосферы, канационных стоков) и тепловыми насосами [1].
Украина неизбежно войдет в ЕС и, будучи энергозависимой страной, вынуждена присоединиться к программе ЕС по энергосбережению. Концепция, развиваемая в ИТТФ НАН Украины, бается на том, что Украина расположена в солнечно благоприятной зоне Земли (между 45 и 52 0 с. ш.) и что из перечисленных выше нетрадиционных источников энергии повсеместно доступной в Украине является только солнечная радиация. Действительно, геотермальные ресурсы локализованы в Карпатах и в Крыму, там же возможно использование энергии ветра. Плотность геотеплового потока всего 0.06 . 0.07 Вт/м2 и повсеместный отбор тепоты из верхних слоев грунта может привести к нарушению микроклимата [2, 3]. Уникальность солнечной энергии и в ее экологичности, что выгодно ее отличает от биопродуктов, сжигание которых приводит к неизбежному газовыделению (Киотский протокол), от геотермики с проблемами обратной закачки воды в пласт, ветроэнергетики, порождающей шум, и радиационных технологий, требующих дезактивации. Основное отличие Украины от стран западной Европы в более длительном отопительном сезоне, достигающем 180 дней, и поскольку приходится ориентироваться на летнюю солнечную радиацию как на основной энергетический источник, то центральная задача состоит в создании недорого, экологически безопасного сезонного аккумулятора большой тепловой емкости с максимально возможным температурным потенциалом.
В ИТТФ НАН Украины разработаны [4 – 10]:
а) метод создания (а точнее организации) сезонного высокопотенциьного аккумулятора теплоты в естественном грунтовом массиве с полным ее извлечением,
б) оптимальная конструкция теплообменника для аккумулирования (и последующего извлечения) теплоты в грунтовом массиве.
В летний период теплота солнечной радиации, воспринимаемая промежуточным теплоносителем (вода без добавок) солнечных коллекторов, через систему грунтовых теплообменников аккумулируется в грунтовом массиве, а затем в отопительный сезон полностью извлекается из грунта и поступает, при необходимости, в тепловой насос, который поддерживает требуемый температурный потенциал для отопительной системы и системы горячего водоснабжения.
Конкретизируем концепцию ИТТФ на примере n-этажного жилого дома, расположенного, например, в г. Киеве. Разрез здания представлен на рис. 1. Стандартная секция жилого дома имеет размеры порядка: ширина В = 15 м, длина А = 30 м, площадь S1 = 450 м². С учетом инфраструктуры дома (лестницы, лифт, коридоры, ...) норму площади (брутто) принимаем 30 м² на человека. Число жителей будет – 15 ч./этаж. Исходя из нормы на обогрев помещений 50 Вт/м2 (расчетная температура наружного воздуха -20 ⁰C, этажность 4-6, здание строительства после 2000 г.) [11] и расхода на горячее водоснабжение 250 Вт/чел., энергоемкость 1 м² площади составит N1 = 58 Вт/ м². Солнечные коллекторы располагаются над последним этажом и выполняют также функции теоизолированной крыши. С южной стороны дома каждый этаж снабжается козырьком из солнечных коллекторов длиной lэ. С северной стороны дома на крыше предусматривается возможность устройства коллекторной поворотной консоли. Зимой она может быть повернута и пристыкована к стационарным коллекторным панелям. Чердачное пространство используется как помещение для эксплуатации коллекторов и для контроля за отводом атмосферных осадков. В подвальном помещении размещаются гидравлические и тепловые насосы. Принцип автономности объекта здесь строго соблюдается.

Рис. 1. Разрез жилого дома
1, 2, 3 – солнечные коллекторы, 4 – гидравлический насос, 5 – тепловой насос, 6 – насосы отопления и горячего водоснабжения, 7 – грунтовый теплообменник, 8 – основная область аккумулирования, 9 – буферная подобласть аккумулирования

Угол наклона коллекторов b зависит от широты местности. Для Киева (50.50 с. ш.) b = 350. Согласно схематиескому разрезу дома (рис. 1) располагаем соотношениями:

Здесь hэ = 3.0 м, Вк – длина солнечных коллекторов, приходящихся на единицу длины дома, nэ – число этажей. Принято, что длина коллекторной поворотной консоли может изменяться в пределах (0 . 1)lкр1. Таким обраом, отношение площади солнечных коллекторов дома Sк к жилой площади-брутто в зависимости от этажности дома будет:

За отопительный сезон .с = 180.24 = 4320 час энергопотребление 1 м² жилой площади составит эсез. = N1 ..с = 58.4320 = 250560 Вт.час/м2. Для г. Киева падающая радиация в плоскости солнечного коллектора за сезон аккумулиования (апрель–сентябрь) при 9-часовой работе в сутки (с 8 по 17 часов) будет эрад = 920620 Вт.час/м2 [12]. Следовательно, выражение (2) можно представить как

где .с.к. – к.п.д. солнечных коллектоов. При .с.к. = 0.7 решение (3) дает nэ =3.6 (вариант без поворотной консо) и nэ = 5.4 (вариант с поворотной консолью). Таким образом, жилой дом не более 5 этажей может быть самодостаточным с точки зрения монтажа солнечных коллекторов. Здесь следует отметить, что 4 – 5 этажная застройка считается комфортной для человека и по Генеральному плану развития г.Киева к 2020 г. многоэтажное строительство должно сократиться с 91 % до 55 %.

Рис. 2 Эффективность работы солнечных коллекторов
Еп.мес. – кВт/час/м2; Ес.к. – 10 Вт/м2; Тк – ⁰C, (к = в, воз, в-воз); с.к. – %.

Ниже представлены результаты анализа работы системы «солнечные коллекторы – аккумулирование – разядка – тепловые насосы», обеспечивающей отопление и горячее водоснабжение в течение 180 суток трехсекционного пятиэтажного жилого дома в рамках концепций, изложенных в [4 – 10]. Считаем, что грунт характеризуется: теплопроводностью . = 1 Вт/(м.К), объемной теплоемкостью ..с =2.106 Дж/(м3.К), температуропроводностью a = 0.5.10-6м2/с. Температура грунта ниже hг = 5 м постоянная и равна Тм = 8 ⁰C [10]. Требуемые для трехсекционного дома: мощность разрядки аккумулятоNр, его конечная тепловая энергия E и средняя мощность аккумулирования Nа при 9 часовой за сутки работе солнечных коллекторов будут:

Грунтовой аккумулятор состоит (см. рис. 1) из основной области аккумулирования, ограниченной внешним контуром расположения грунтовых теообменников, и буферной подобласти, которая при соблюдении опредеенного технологического режима работы теплообменников расширяется с минимальной линейной скоростью:

При t = .а =1,555.107с значение Rб(.а) = 13,66 м. Аккумулятор необходимой тепловой емкости Е = 6,123.1012 Дж создается системой из 169 грунтовых теплообменников типа [9], котоые при аккумулировании образуют подсистему из 147 теплообменников, а при разрядке – из 127. Теплообменники опускаются в буровые скважины диаметром 300 мм, глубиной 105 м. Рабочая высота теплообменников Z = 80 м (25 м – сумма высоты теплоэкологического защитного слоя hг и линейного размера буферной области в конце годового цикла Rб(.г)). Шаг скважин – L = 1,8 м. Площадь, занимаемая «кустом» теплообменников Sос = 424,4 м², что, подчеркнем, меньше площади одной секции дома S1. Температура грунта в основной области Тос к концу аккумулирования поднимется до 45,2 ⁰C. Плотность теплового потока на наружной поверхности теплообменников при аккумулировании составит q0a = 94,74 Вт/м2. При этом температура промежуточного теплоносителя Тв должна быть на 11,65 ⁰C выше значения Тос(t). Таким образом, температура воды в солнечных коллекторах будет изменяться от Тв(0) = 8 + 11,65 = 19,65 ⁰C до Тв(.а) = 56,85 ⁰C.

Рис. 3. Динамика извлечения теплоты
Е – 1011 Дж; Тос, Тв – ⁰C, Rб – м; от,г.вод. – %.

Здесь уместно сопоставить аккумуятор, организованный в естественном грунтовом массиве, с искусственно созданным. Из всех природных минералов наибольшую удельную объемную тепоемкость имеет вода – 4,17.106 Дж/(м3.К). При нагреве низкопотенциьным источником воды от 10 до 50 ⁰C увеличение теплосодержания 1 м³ воды составит – e1 = 1,67.108 Дж/м3. Следовательно, удельный объем абсолютно теоизолированного водяного аккумуятора, покрывающего годовые тепловые затраты данного пятиэтажного трехсекционного дома, будет E/e1 = 36695 м³. При размещении аккумулятоод «пятном» застройки дома его высота составит 27,2 м, в то время как собственно высота дома будет менье – 3.5 = 15 м. Такую большую емкость с водой опасно размещать не только под зданием, но и возле него. Здесь умышленно подробно представены элементарные выкладки, поскольку заблуждение о целесообразности создания искусственного сезонного водяного аккумулятора теплоты нередко встречается как в литературе, так и отстаивается некоторыми специастами.
По известной динамике изменений Тв(t) можно рассчитать количество солнечных коллекторов и эффективность их работы. Результаты расчетов представлены на графике (рис. 2), где отслеживается помесячно (апрель– сентябрь) разность .Тв-воз. между темературой теплоносителя Тв и наружного воздуха Твоз, интенсивность излуения Ес.к., к.п.д. солнечной панели .с.к., количество помесячно воспринятой теплоносителем солнечной энергии Еп.мес. Средневзвешенное значение .с.к. оказалось равным 66,16 %, а требуемая площадь солнечных коллектоов составила 2,79.103 м², или 41,1% от жилой площади-брутто дома. Легко убедиться, что при этом решение уравнения (3) дает nэ = 5.
Принято, что разрядка аккумулятоосуществляется с постоянной интенсивностью в течение всех 180 суток. Тогда плотность теплового потока на нажной поверхности теплообменников при разрядке будет q0р = 41,12 Вт/м2, а разность температур (Тос–Тв) = 5,07 ⁰C. Таким образом, температура теплоносителя в процессе извлечения теплоты изменяется от Тв(.а)=45,23–5,07 = 40,16 ⁰C до Тв(.г) = 8–5,07 = 2,93 ⁰C. Причем буферная область будет расяться согласно (5) и к концу годового цикла Rб достигнет значения 19,32 м. Считается, что дом имеет внутриольное водяное отопление. Температура подводящего теплоносителя при этом может варьироваться от 35 до 45 ⁰C. Принимаем Тот = 40 ⁰C, а темпетуру для горячего водоснабжения Тг.в.=50 ⁰C. Тогда доля дополнительной энергии, вводимой в тепловые насосы и необходимой для поддержания заданных температурных параметров, будет:

Расчет динамики разрядки представлен на рис. 3. Количество дополнительной энергии, подводимой к теповым насосам, составит: .от = 5,56 %, .г.в. = 1,34 % от потребляемой Е = 6,123.1012 Дж. Обращает внимание 100% извлечение теплоты к концу годового цикла. Причем, это условие явяется необходимым для предотвращения температурных изменений в верхних слоях грунта, которые могут привести к деструктивным последствиям.
Гидравлический насос, обслуживающий системы «солнечные коллекторы – аккумулятор» в теплое время года и «аккумулятор – тепловые насосы» в отопительный сезон, должен иметь производительность 120 л/с при напое порядка 2,5 м вод. ст. Потребляемая мощность не превысит 3 кВт. При аккумулировании температура промежуточного теплоносителя за время прохождения через систему солнечных коллекторов повышается на 2 ⁰C. Вспомогательное оборудование (насосы, распределительная система подвода промежуточного теплоносителя к грунтовым теплообменникам, измерительные приборы, пульт управения и автоматики) легко размещается в небольшом подвальном помещении дома. Если учесть, как уже отмечаось выше, что площадь, занимаемая теплообменниками, не превосходит площади одной секции дома и, следовательно, грунтовый теплообменник может быть помещен под домом, то можно сделать вывод о полной автономности и самодостаточности дома в смысле расположения в нем всех средств обеспечения для отопления и горячего водоснабжения. Представенное решение полностью соответствует Программе энергосбережения [1], положительно повлияет на подземную инфраструктуру и зимний облик городов, исключит ситуации, подобные недавним событиям в г. Алчевске. Конечно, не надо абсолютизировать просчитанный здесь вариант. Возможно в каких-то случаях целесообно ограничиться меньшей глубиной скважин за счет увеличения их числа, перейти к «внедомовому» расоложению грунтового аккумулятора. В связи с сильной зависимостью к.п.д. солнечных коллекторов от температуы теплоносителя можно понизить конечную температуру Тос, что приведет к уменьшению площади коллекторов, но возрастет расход дополнительной энергии, вводимой в тепловые насосы. Можно варьировать наружный диаметр теплообменника, но надо помнить о жесткой связи между плотностью теплового потока и перепадом температур (Тв–Тос) и т. д. Составленный алгоритм и программа расчета поволяют очень просто просчитывать все эти случаи.
Экономическая сторона такого предложения зависит от двух основных факторов – стоимости солнечных коллекторов и буровых работ. При расчетах здесь ориентировались на параметры панелей Vitosol 100 фирмы Viessmann. Их характеристики выше отечественных, но стоимость в 4 раза больше, хотя ничего невыполнимого промышленностью Украины у них нет. При больших масштабах буровых работ и их стоимость тоже должна существенно упасть. Если ориентироваться на эти два фактора по сегодняшним ценам, то это приведет к удорожанию 1 м² жилой площади–брутто на 248 $, что не так уж и много по сравнению с рыночной стоимостью жилья в г. Киеве. При переходе на отечественные изделия удорожание составит всего 131 $ (с увеличением в 1,6 раза площади коллекторов). Конечно из этих сумм надо вычесть строительные и эксплуатационные расходы на прокладку внедомовых теплотрасс, котелен, теплую кровлю дома, затраты на топливо и прочие расходы служб коммунальной теплоэнергетики.
Представленные выше расчеты свидетельствуют о возможности создания теплоавтономного и самодостаточного (с точки зрения обеспечения необходимым оборудованием) дома, не имеющего каких-либо внешних теповых коммуникаций и отвечающего самым жестким экологическим требованиям. Если принять во внимание, что эпоха использования нефти и газа немолимо приближается к своему концу, а замена их на топливо второго сорта (бурый и низкосортный каменный уголь, опилки, солома, ...) в проом уже была опробована без особого успеха, то предлагаемое решение имеет все признаки безальтернативности.

---

Литература
1. Краснянський М. Стислий посiбник iз енергозбереження // Дзеркало тижня. 2005. № 26.
2. Денисова А. Е., Мазуренко А. С., Тодорцев Ю. К., Дубковский В. А. Исседование энергии грунта в теплонасосных гелиосистемах энергоснабжения // Экотехнологии и ресурсосбережение. 2000. №1. С. 27-30.
3. Васильев Г. П., Шилкин Н. В. Исользование низкопотенциальной теповой энергии земли в теплонасосных системах // АВОК. 2003. №2. С. 52-60.
4. Накорчевский А.И., Басок Б.И., Беляева Т.Г. Проблемы грунтового аккумулирования теплоты и методы их решения// Пром. теплотехн. 2003. Т. 25. № 3. С. 42–50.
5. Накорчевский А. И. Динамика грунтового аккумулирования теплоты и выбор рациональных решений // ИФЖ. 2004. Т. 77. №4. С. 10–19.
6. Накорчевский А. И. Динамика разрядки теплового аккумулятора в неограниченном грунтовом массиве // ИФЖ. 2005. Т. 78. №6. С. 70–77.
7. Накорчевский А. И. Особенность переходных процессов при грунтовом аккумулировании солнечной энергии // ИФЖ. 2006. Т. 79. №2. С. 156–160.
8. Накорчевский А. И., Басок Б. И., Беляева Т. Г. Технологические показатели различных схем грунтового аккумулирования теплоты // Теплоэнергетика. 2006. №3. С. 29–35.
9. Накорчевский А. И., Басок Б. И. Оптимальная конструкция грунтовых теплообменников // Пром. теплотехн. 2005. Т. 27. № 6. С. 27–31.
10. Накорчевский А. И., Беляева Т. Г. Регрессионный анализ глубин годовых флуктуаций температур в верхних слоях грунта // Пром. теплотехн. 2005. Т. 27. № 6. С. 86–90.
11. Ливчак В. И. Обоснование расчета удельных показателей расхода тепна отопление разноэтажных жилых зданий // АВОК. 2005. №2. С. 36-41.
12. Розроблення, створення, та виобування експериментального модуля комбiнованої гелiогеотермальної установки для теплопостачання // Звiт за етап 4.1.4.2 Державної програми ДЕкологiчно чиста геотермальна енергетика України». ІТТФ НАН У. Київ. 2004. 33 с.