Библиографическое описание:

Вардияшвили А. А., Хужакулов С. М., Вардияшвили А. А., Вардияшвили А. Б. Сельский солнечный дом с гелиотеплицами, солнечными батареями и водонагревательной установкой // Молодой ученый. — 2013. — №10. — С. 108-110.

В Узбекистане накоплен значительный опыт проведения научных и экспериментальных исследований в области применения альтернативных источников энергии, прежде всего солнечной энергии, по которым разработки проводятся в течение многих десятилетий.

Ежегодный прирост потребностей человечества во всем мире на электрическую энергию и глобальные проблемы экологии представляют актуальность разработки и внедрения источников альтернативной энергетики. Источниками альтернативной энергетики, разработанными и внедренными по настоящее время являются: энергии солнца, ветра, воды, биомассы, геотермальных вод. Как подчеркнуто в Указе Президент РУз «О мерах по дальнейшему развитию альтернативных источников энергии» от 1 марта 2013 года перспективным для нашей Солнечной страны являются использование солнечной энергии и биотоплива.

В связи с растущим дефицитом органического топлива (нефти, газа) и обострением проблемы охраны окружающей среды в настоящее время за рубежом и у нас в республике вопрос об использовании возобновляемых и нетрадиционных источников энергии стал более актуальной проблемой. Результаты многолетних исследований показывают, что использование энергии Солнца и нетрадиционных источников энергии для получения холода, для теплохладоснабжения теплиц, охлаждения домов является наиболее естественным, экологически чистым и экономически целесообразным способом.

Целью работы является разработка принципиальной схемы солнечного дома с гелиотеплицами, солнечными батареями и солнечной водонагревательной установки для горячего водоснабжения отопления и освещения помещения площадью 100 м2.

Энергетическая политика ХХI века будет основываться на использовании нетрадиционных, возобновляемых, экологически чистых источников энергии: солнечная энергия, энергия биогаза, ветра, тепло Земли, воды, наружного воздуха и т. п. Одним из значительных подтверждений этого тезиса является одобренная Комиссией Европейских сообществ в начале 2008 года программа по борьбе с глобальным изменением климата, предусматривающая увеличение доли использования возобновляемых источников энергии с 8,5 до 20 % [1].

Общий поток энергии , излучаемой Солнцем во всех длинах волн в окружающее пространство, составляет 3,86.1026Вт(3,86.1033 эрг/с).

Земля получает от Солнца 1,57.1018 кВт.ч/год энергии, что в десятки тысяч раз больше энергии, чем годового потребления человечеством всех видов энергии [1].

Как показывают результаты многолетних исследований, в южных районах республики, почти весь жаркий период года (апрель-октябрь), характеризуется устойчивой и сухой погодой. В этот период интенсивность солнечного излучения — освещенность достигает до 850–900 Вт/м2 а влагосодержание воздуха колеблется в пределах 5–15 г/кг, т. е. имеет высокий термодинамический потенциал сушки, что создает благоприятные условия для отопления домов и зданий подогрева и опреснения воды, сушки фруктов, табака, древесины и других материалов [2].

В солнечных теплицах в режиме работы с использованием теплоты дымовых газов от малой котельной экономия энергии составляет 55–65 % т. е. 30–32 кг. у.т./м2 инвентарной площади теплицы. При сушке сельхозпродуктов в солнечных сушильных установках с 1 кв. метра экономия топлива составляет 10–13 м3/ день природного газа. Водонагреватель в летний период при солнечной радиации 700–800 Вт/м2 и наружной температуре атмосферы 30–32 0С, позволяет получить с каждого квадратного метра поверхности 1200–1400 кДж тепла с температурой горячей воды 50–550С, в условия г. Карши, составляет 0,18–0,2 т.у.т/год [2].

Выращивание овощей в условиях защищенного грунта является весьма энергоемким процессом, требующим значительных расходов дефицитных энергоресурсов.

Снижение энергозатрат на эти цели, в том числе за счет применения солнечной энергии, и отходного тепла теплогенерирующих установок являются одним из путей энергосбережения, особенно в условиях перехода к рыночным отношениям. Так, в среднем по республике на обогреве 1 га защищенного грунта требуется до 4 Гкал/час или более 560 т.у.т./час.

Так, для теплоснабжения одного тепличного комбината площадью 6 га в год расходуется до 5 млн. м3 или 6,4 тыс. т.у.т. При этом надо учесть, что до 30 % общей потребности в тепле покрывается за счёт использования солнечной энергии [2]. В работе рассматривается вопрос использования продуктов сгорания газового топлива для обогрева теплиц и подкормки растений углекислотой, т. е. подача отходящих дымовых газов с содержанием 10–12 % углекислого газа от малой котельной, работающей на природном газе Шуртанского месторождения, где используются одновременно охлажденные дымовые газы для подгромки растений и тепло для обогрева теплицы с целью обеспечения прохождения нормального фотосинтеза. Для климатических условий Республики потреблении тепловой энергии, выраженное в натуральных показателях расхода условной топливы (кг/м2), составляет: при выращивании томатов 55–75; огурцов 50–70; и роз 45–55.

Из общего потребления тепловой энергии в ночное время расходуется 75 %, днем 25 %. Теплопотери в теплицах состоят из потерь через ограждающие конструкции и грунт. Коэффициент теплопроводности однослойного стеклянного ограждения составляет 6,33 Вт/м2 °С, двухслойного стеклянного ограждения 3,4 Вт/м2 °С, двухслойной полиэтиленовой пленки 5,1 Вт/м2 °С. Самым эффективным способом снижения затрат на отопление теплиц считаются двухслойные стационарные ограждения. В воздушной прослойке с толщиной не менее 10 мм отсутствует циркуляция воздуха, является эффективной теплоизоляцией, снижается её теплопроводность в два раза. По сравнению с одинарным остеклением экономия энергия составляет 30–40 % [2, 5].

Отдача тепла трубной системой обогрева при температуре теплоносителя 60–80°С осуществляется на 50 % излучением и на 59 % конвекцией. Эффективность системы обогрева с низким расположением труб в зоне роста растений достигает 10 %.

В условиях работы теплицы площадью 200 м2 при использовании отходящих газов от котельных, работающих на природном газе концентрацию углекислого газа в воздухе внутри теплицы установили на уровне 0,2÷0,3 %, т. е. в десять раз больше природной с содержащем 10÷12 углекислого газа, из расчета 10÷20 г на 1 м3 объема теплицы.

Следует отметить что, в солнечной теплице в режиме работы с использованием теплоты дымовых газов от малой котельной экономия энергозатрат составляет 45÷55 %, т. е. 25÷30 кг.усл. т/м2 инвентарной площади теплицы [5].

Нами разработан способ комбинированного использования солнечной энергии и вторичных энергоресурсов в гелиотехническом комплексе «теплица — солнечный сельский дом» с целью экономии энергии и утилизации дымовых газов в контактных теплообменниках.

Наиболее приемлемым вариантом с позиции энергетического анализа является режим одновременно существующей потребности в охлаждении и отоплении оба потребителя могут быть соединены друг с другом посредством теплового насоса. Периоды кондиционирования воздуха в солнечном сельском доме и эксплуатации теплиц хорошо сочетаются, так как один из них- теплица является потребителем тепла а другой — требует охлаждения (рис.1).

Рис. 1. Принципиальная схема системы тепло- и холодоснабжения солнечного сельского дома с гелиотеплицами: 1-циркуляционный насос; 2-аккумулирующий бак горячей воды; 3-электромагнитные вентили; 4-солнечный водонагреватель; 5-бак горячей воды для теплоснабжения сельского дома; 6-потребитель горячей воды; 7-бак горячей воды для системы отопления теплицы; 8-малая котельная — источник тепла дымовых газов; 9-водяной теплообменник; 10-отопительный прибор; 11-внутрипочвенный теплоаккумулирующий канал; 12-солнечная теплица; 13-регулирующий вентиль теплового насоса; 14-теплонасосная установка; 15-компрессор теплового насоса; 16-испаритель теплового насоса; 17-конденсатор теплового насоса; 18-солнечный сельский дом.

В совместной системе тепло- и хладоснабжения теплиц и солнечного сельского дома 18 тепловой насос (ТН) 14 устанавливается между солнечным домом 18, и теплицы 12. Солнечный дом 18, охлаждается с ТН, 14 тепла вентиляционных выбросов отнимается испарителем ТН 16. Затем пары хладоагента сжимается в компрессоре 15 и становится перегретым. Конденсатор ТН 17 погружен в бак — аккумулятор 2, где происходит конденсация паров хладоагента и вода нагревается до 50¸60°С. С помощью циркуляционного насоса 1 горячая вода из бака — аккумулятора 2 проходит через водяной теплообменник 9, где вторично нагревается отходными дымовыми газами 8, до температуры 90¸100°С и поступает в отопительный прибор 10 теплицы. При необходимости охлажденные продукты сгорания 8 можно подавать через внутрипочвенный теплоаккумулирующий канал 11, и затем в теплицу для подкормки растений углекислым газом. Солнечный водонагреватель 4 предназначен для отопления солнечного дома и регулируются вентилями 3 и 13. Солнечная батарея 5 м2 площадью, представляет собой последовательно-параллельное соединение отдельных кремниевых фото преобразователей, устанавливается на крыше солнечного сельского дома площадью 100 м2 для обеспечения его освещением в течение всего года.

Концентрация углекислого газа в воздухе внутри теплицы устанавливается на уровне 0,2÷0,4 % при подаче отходящих дымовых газов от котельных из расчета 10÷20 г на 1 м3 объема теплицы в день в отопительный период.

На гелиополигоне, на котором размещены опытные гелиотеплицы с теплоаккумулирующей системой, солнечные опреснители, солнечные водонагреватели с баком аккумулятором, воздухонагреватели и др., выполняются экспериментальные работы по теплотехнике, холодильной технике, отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха, которые позволяют получить экспериментально-теоретические результаты по исследованию теплиц, опреснителей и солнечных домов.

Использование солнечной энергии в теплицах, и солнечном доме может с экономить значительную часть энергии, но всё же её недостаточно для полного теплового обеспечения.

Поэтому комбинированное использование солнечной энергии и энергетических отходов промышленных предприятии и теплогенерирующих установок в теплицах, солнечном доме позволит повысить возможность полного исключения прямого и косвенного потребления ископаемого топлива.

Полученные результаты экспериментальных и расчетных исследований солнечной теплицы с площадью 200 кв. м.. с использованием тепловых отходов (теплоты дымовых газов), подтверждают реальную возможность комбинированного использованим солнечной энергии и бросового тепла энергетических установок и при этом экономия энергозатрат составляет 32–34 кг.у.т.с.1м2 инвентарной площади теплицы.

Выполненные исследования и предварительные расчеты показывают что, за счет применения тепловых насосов в системе теплохладоснабжения солнечного дома энергосбережение составляет 30–40 % от общих затрат энергии [3, 4, 5].

Предлагаемый способ комбинированного использования солнечной энергии и нетрадиционных источников энергии в теплицах — и солнечном доме, позволяет применение теплоты конденсации вторичного пара, дымовых газов для тепло хладоснабжения теплицы- и подкормки выращиваемых растений с углекислотой в период, когда солнечная радиация низкая и дает возможности полного исключения прямого и косвенного потребления топливных ресурсов.

Таким образом исследование и предварительные расчеты показывают, что предлагаемая экспериментальная система теплоснабжения и кондиционирования воздуха предназначенная для одноквартирного солнечного, сельского дома с улучшенной теплоизоляцией, рассчитанного на проживание семьи из 5 человек в отапливаемом доме площадью 100 м2, обеспечивает в течении всего года горячим водоснабжением, освещением и отоплением.

Литература:

1.         Безруких П. П., Арбузов Ю. Д., Борисов Г. А. и др. Ресурса и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России./ С пб; Наука, 2007 г. — 314 с.

2.         Возобновляемые источники энергии. /В кн.: Первое национальное сообщение Республики Узбекистан по Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Фаза 2. Главное Управление по гидрометеорологии при КМ Республики Узбекистан -Ташкент, 2001.- С. 34–36.

3.         Вардияшвили Аф.А., Вардияшвили А. Б. и др. К вопросу поступления эффективной солнечной радиации в здания и помещения сб. науч. тр. рес. н-пр. конфер. «Повышение энергоэффективности жилых и общественных зданий Узбекистана» ТАСИ 7–8 сентября 2012 г. г.Ташкент, с. 37–39.

4.         В. Г. Лабейш. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Учебное пособие. — С –пб. 2003 г. С3ТУ, -79 с.

5.         С Такака, Р. Суда. Жилые дома с автономным солнечным теплохладоснабжением. Перевод с яп. Под. ред. М. М. Колтун., Г. А. Гухман., М. Стройиздат, 1989 г. -184 с.

6.         Вардияшвили Аф.А., Вардияшвили А. Б. и др. К вопросу энергетического режима гелиотеплиц, обогреваемых непосредственным сжиганием в них природного газа. Сб. матер. рес. н-техн. конфер. ТГТУ. Ташкент; 2010 г. –с. 153–156.



[1] Грант РУз ИТД-4–15 Карши ГУ.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle