Учебники 80362

2

УДК 697

Щукина, Т.В. Энергообеспечение сооружений посредством утилизации солнечного излучения [Текст]: учеб. пособие/ Т.В. Щукина; Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т.- Воронеж, 2015. – 120 с.

В учебном пособии приводятся сведения по ресурсам солнечной радиации на территории РФ, дается их оценка с точки зрения возможности утилизации излучения в различных климатических условиях. Всесторонне анализируется как зарубежный, так и отечественный опыт такой повсеместно доступной возобновляемой энергии. Рассматриваются наиболее распространенные способы улавливания и преобразования солнечного излучения с прогнозом их дальнейшего развития. Предлагаемые методики расчета и подбора оборудования позволяют проводить проектирование установок солнечного тепло- и холодоснабжения с учетом климатических и эксплуатационных особенностей регионов.

Учебное пособие разработано в соответствии с магистерской программой обучения «Энергосберегающие технологии с использованием нетрадиционных источников энергии» и предназначено для студентов специальности 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция» направления подготовки дипломированных специалистов 270100 «Строительство». Оно может быть использовано специалистами проектных и монтажных организаций, занимающимися вопросами альтернативного энергообеспечения.

Ил. 95. Табл. 74. Библиогр.: 28 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Научный редактор – И.И. Полосин, д.т.н., проф.

Рецензенты:

© Щукина Т.В. © ВГАСУ, 2015

3

Введение

Уже в течение ближайших 20-30 лет возобновляемые источники энергии должны внести существенный вклад в мировой энергетический баланс, обеспечивая замещение истощающихся запасов органического топлива и экологическое оздоровление окружающей среды. Солнечная энергия рассматривается сегодня как наиболее технологически доступный и экономически целесообразный вид возобновляемой энергии, использование которой для теплоснабжения сооружений было бы неверно ограничивать районами только с теплым климатом и достаточным числом безоблачных дней и значительным поступлением солнечной радиации.

Вопросами использования солнечной энергии в пассивных и активных системах солнечного теплоснабжения занимается целый ряд научных, проектных и производственных коллективов России: Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН, комитет Российского союза научных и инженерных общественных организаций по проблемам использования возобновляемых источников энергии, Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, акционерное общество «Новые и возобновляемые источники энергии», отделение нетрадиционных источников энергии в ОАО Энергетическом институте им. Г.М. Кржижановского и другие научно-производственные объединения. Достигнут уже достаточно высокий уровень технических решений, направленных на утилизацию солнечного излучения, но наряду с этим, эффективность его улавливания и преобразования остается на относительно низком уровне, что мешает продвижению возобновляемого источника в замещении нагрузок систем жизнеобеспечения зданий.

В России традиционно широко применяется солнечная энергия в теплицах, парниках и лимонариях, сельскохозяйственных производственных помещениях. Улавливаемая и концентрируемая теплота излучения используется в технологии выращивания сельскохозяйственных культур, для сушки сельскохозяйственной продукции, опреснения воды, обеспечения горячей водой животноводческих помещений. Научный и практический интерес представляет возможность использования солнечной энергии в системах горячего водоснабжения, отопления и электроснабжения зданий. Несмотря на разнообразные способы применения солнечной энергии, нетрадиционное теплоснабжение объектов различного назначения осуществляется крайне редко. Ограниченность использования солнечной энергии на территории РФ только южными областями является препятствием для широкого распространения гелиоустановок в центральные и северные регионы. К основным причинам такого положения утилизирующих систем относятся отсутствие высокоэффективных и высокопроизводительных конструкций основного оборудования для нестабильных погодных условий и типовых решений для различных климатических зон РФ.

Сведения, содержащиеся в учебном пособии, и предлагаемые методы расчетов, направленные на выполнение рационального подбора оборудования гелиоустановок с максимально возможным энергозамещением традиционных источников, позволят выполнять проектирование на высоком уровне, что в дальнейшем будет способствовать их активному распространению.

4

Глава 1. Распределение ресурсов солнечной энергии по территории России

Мощность потока солнечной энергии у верхней границы атмосферы составляет 1,7·1014 кВт, а на поверхности Земли – 1,2·1014 кВт [21]. Общее годовое количество поступающей на Землю солнечной энергии составляет 1,05·1018 кВт·ч, в том числе на поверхность суши приходится 2·1017 кВт·ч [21]. Без последствий для экологического состояния окружающей среды может быть использовано до 1,5 % от всей поступающей солнечной энергии, что при высокоэффективном ее использовании позволит покрыть возрастающие потребности.

Среднесуточная интенсивность потока солнечного излучения в тропических зонах и пустынях равна 210-250 Вт/м2 (18-21,2 МДж/(м2·сут)), в центральной части России - 130-210 Вт/м2 (10,8-18 МДж/(м2·сут)), а на севере России - 80-130 Вт/м2 (7,2-10,8 МДж/(м2·сут)) [72]. С помощью современных гелиотехнических устройств может быть потреблено от 10 до 50 % этой возобновляемой энергии.

Для оценки эффективности использования солнечного излучения конструкторы и потенциальные потребители нуждаются в информации о сезонных ресурсах его поступления в различных регионах России. Получение этой информации сопряжено с рядом технических сложностей, связанных, прежде всего, с тем, что актинометрические наблюдения, то есть измерения интенсивности солнечного излучения, ведутся лишь только на ограниченном числе российских метеостанций, не обеспечивающих полное покрытие территории России. Карты, составленные в Институте высоких температур [72, 73] на базе климатических данных NASA, полученных на основе многолетних спутниковых наблюдений за радиационным балансом поверхности земли, учитывают также сведения, содержащиеся в научно-прикладном справочнике по климату

СССР [50].

На рис. 1.1-1.2 представлены территории Европы и Российской Федерации с распределением за календарный год среднедневных сумм солнечной радиации на горизонтальной поверхности, которые могут быть использованы при проведении расчетов оценки целесообразности и эффективности применения систем солнечного теплоснабжения зданий.

Анализ представленных карт показывает, что различные районы России характеризуются среднегодовым поступлением солнечной радиации на горизонтальную поверхность от 2,5 до 4 кВт·ч/(м2·день). Это также характерно и для большей части территории Европы, где активно продвигаются системы солнечного энергообеспечения. Существующее положение в возобновляемой энергетике в большинстве Европейских стран, а в частности в гелиоэнергетике, позволяет говорить о достаточной ресурсной обеспеченности Российских регионов для освоения данного экологически чистого источника.

5

Рис. 1.1. Среднедневные суммы солнечной радиации на горизонтальной поверхности за весь год для территории Европы, кВт·ч/(м2·день)

6

Рис. 1.2. Среднедневные суммы солнечной радиации на горизонтальной поверхности за весь год для территории Российской Федерации, кВт·ч/(м2·день)

7

Наиболее высокие показатели удельной энергии достигаются в южных регионах страны: Северный Кавказ, Приморье, юг Сибири. Однако и в других широтах ресурсы солнечной радиации достаточно велики. Более 60 % территории России, в том числе и многие северные районы, характеризуются среднегодовым поступлением от 3,5 до 4,5 кВт·ч/(м2·день). Следовательно, энергетическая эффективность гелиоустановок на всей территории России является приблизительно одинаковой до 65 параллели.

Важным фактором, определяющим экономическую эффективность применения солнечного теплоснабжения для сооружений, является продолжительность их использования в течение года. Проблема заключается в том, что для высокоширотных районов различие в поступлении радиации летом и зимой может быть достаточно велико. В средней полосе России, в том числе и в Москве, поступление энергии солнечного излучения в теплый период в пять раз больше, чем в холодный. Очевидно, что для данных метеоусловий солнечные водонагревательные установки должны иметь большую поверхность коллекторов для улавливания менее интенсивных потоков радиации, незамерзающий теплоноситель и, следовательно, дополнительные теплообменники для последующего нагревания воды и аккумуляторы, позволяющие сохранять тепло на длительный период времени.

1.1.Свойства энергетического поля солнечной радиации для прогнозируемого и эффективного использования

Излучательная способность Солнца характеризуется тремя звездными температурами [168]: эффективной (энергетической) 5784 К, цветовой температурой 7140 К и температурой излучения 5036 К. Последние численные значения приведены соответственно для видимого =0,4-0,7 мкм и инфракрасного =11,1 мкм излучения. Полный спектр электромагнитных колебаний солнечного излучения, изображенный на рис. 1.3, очень широк и охватывает весь ультрафиолетовый спектр, рентгеновские и -излучения, от опасного воздействия которых защищает атмосфера.

Для теплотехнических задач строительной гелиотехники применительно к объектам, расположенным на поверхности Земли, практический интерес представляет, в соответствии с рис. 1.4, 1.5, 1.6, относительно небольшая часть солнечного спектра, а именно селективные участки ультрафиолетового спектра, видимый и ближний инфракрасный диапазоны, в которых переносится до 99 % энергии, проникающей сквозь атмосферу [64, 168]. В этих трех главных областях существует следующее соотношение по энергоемкости: ультрафиолетовая - 3 %, видимая - 50 %, инфракрасная - 45 %.

При входе в земную атмосферу солнечная радиация распределяется на части. Одна из них поглощается водяным паром и озоном, вторая рассеивается молекулами воздуха, водяного пара и частицами пыли, образуя диффузионную радиацию, а третья часть без изменения направления достигает поверхности земли, поэтому является прямой радиацией.

8

Рис. 1.3. Спектр электромагнитных колебаний солнечного излучения: 1 - диапазон, в котором солнечная радиация оказывает тепловое и физико-химическое воздействие на космические аппараты; 2 - то же для земных сооружений; 3 - диапазон коротковолнового и длинноволнового лучистого теплообмена космических аппаратов; 4 - то же для земных сооружений

Рис. 1.4. Распределение энергии в спектре солнечного излучения: 1 – рентгеновские лучи; 2 – линейчатая ультрафиолетовая часть спектра; 3 – ультрафиолетовая и видимая части спектра; 4 – видимая часть спектра; 5 – инфракрасная часть спектра; 6 - -линия Лаймана; 7 - -линия Лаймана

9

Рис. 1.5. Распределение энергии по спектру солнечного излучения

В результате, к ограждениям любого объекта поступает прямая, рассеянная, а также отраженная от окружения солнечная радиация, которая, взаимодействуя с наружными конструкциями сооружения, частично отражается в пространство в виде коротковолнового излучения, и частично поглощается материалом наружных ограждений.

Рис. 1.6. Спектральный состав солнечной энергии, прошедшей через сухую и чистую атмосферу, при различных высотах солнца hо

Наряду с коротковолновой солнечной радиацией к объектам поступает и длинноволновое тепловое излучение атмосферы, называемое тепловым противоизлучением [168]. Часть длинноволнового теплового противоизлучения атмосферы поглощается ограждением пропорционально коэффициенту черноты ε, а остальная часть отражается. Кроме того, ограждения строительных объектов, имеющие температуру выше абсолютного нуля, сами излучают в длинно-

10

волновом спектре. Основную часть до 99 % теплового излучения атмосферы и конструкций составляют электромагнитные волны инфракрасного диапазона длиной от 4 до 40 мкм.

Следует также отметить, что при малой высоте Солнца энергия распространяется по большей площади земной поверхности, и поэтому нагревание каждого 1 м2 весьма незначительно. Так как интенсивность солнечной радиации в соответствии с рис. 1.7 зависит от широты, времени года и долготы дня [111], то суточные суммы солнечной радиации в середине лета достигают максимальной величины на полюсах, хотя годовая сумма в этих зонах в 2,5 раза меньше, чем на экваторе [168].

Рис. 1.7. Солнечная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность в ясный день для различных северных широт

Выделим некоторые наиболее важные для гелиотехнических разработок свойства энергетического поля солнечной радиации, воздействующего на строительные объекты, как на поверхности земли, так и в окружающем пространстве [168]:

спектральный состав электромагнитных волн способствует переносу основной энергии в диапазоне от 0,3 до 3 мкм;

анизотропность поля излучения;

периодичность и изменчивость направления и энергетического уровня потоков радиации во времени и в пространстве для большинства систем;

взаимодействие с облучаемой конструкцией по поверхности и в пределах глубины лучепрозрачного слоя;