IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

1. Тепловой насос

Тепловой насос (ТНУ) - установка, преобразующая низкопотенциальное тепло грунта, водоемов или воздуха в тепло для системы отопления и горячего водоснабжения. ТНУ обладает высоким, в сравнении с другими системами теплоснабжения, коэффициентом эффективности.

Такая установка не только отапливает помещения и обеспечивает нужды горячего водоснабжения (ГВС), но и способна охлаждать дом в летнее время. Принцип действия теплового насоса заключается в следующем: теплоноситель, циркулируя во внешнем контуре установки (для установки грунтового типа это могут быть заложенные в скважину тонкие трубы либо расположенный петлями на глубине нескольких метров от поверхности контур), «снимает» низкопотенциальное тепло. Нагреваясь всего на несколько градусов, он попадает в теплообменник и передает тепло во второй контур, в котором также циркулирует теплоноситель. Во втором контуре, теплоноситель с тем количеством теплоты, переданным от теплоносителя из внешнего контура, проходит через компрессор, который создает давление. В результате повышения давления его температура при том же объеме увеличивается в разы, благодаря чему в следующем за компрессором конденсаторе теплоноситель способен передать воде из внутреннего контура, то есть контура отопления и горячего водоснабжения, необходимую тепловую энергию. На рисунке ниже представлена структурная схема ТНУ.

1 - конденсатор, 2 - дроссель, 3 - испаритель, 4 - компрессор

Итак, для работы теплового насоса необходимо определенное количество электроэнергии для снабжения ею компрессора и насосов в контурах. Таким образом, в зависимости от типа ТНУ соотношение между затраченной электрической энергией и выдаваемой тепловой энергией, называемое коэффициентом ффективности, составляет 3 и выше.

По виду теплоносителя во внешнем и внутреннем контурах ТНУ делят на шесть типов: «грунт-вода», «вода-вода», «воздух-вода», «грунт-воздух», «вода-воздух», «воздух-воздух». Выбор конкретного типа ТНУ осуществляется в зависимости от климатических условий и условий использования установки.

• Тепловой насос экономичен, так как при потреблении 1 кВт электроэнергии выдает от 3 до 5 кВт тепловой энергии
• Тепловой насос работает как на обогрев и обеспечение ГВС, так и в качестве кондиционера
• Тепловой насос надёжен, его работой управляет автоматика, при помощи которой осуществляется контроль и регулирование температуры в обогреваемых помещениях
• Тепловой насос компактен и практически бесшумен
• Особенно удобен тепловой насос в сочетании с системой теплый пол и при применении теплового аккумулятора (например, бойлер), запасающего и перераспределяющего тепловую энергию в течение суток

2. Солнечный коллектор.

Солнечный коллектор - установка, использующая энергию солнечной радиации для нужд отопления и горячего водоснабжения. Различают несколько типов солнечных коллекторов: плоские, с концентраторами, промышленные, вакуумные и комбинированные. Для использования солнечного коллектора в условиях отрицательных температур перспективным является вакуумный коллектор, имеющий наиболее высокий КПД.

Поглощает радиацию в солнечном коллекторе специальная поверхность, соединенная с медными трубками, по которым циркулирует теплоноситель. Теплоноситель, проходя по всей площади коллектора, нагревается и попадает в резервуар, где отдает тепло через теплообменник в бак - аккумулятор тепла. Коллекторы и трубопроводы имеют хорошую теплоизоляцию, уменьшающие потери энергии.

Вся описанная выше конструкция из трубок и поглощающей поверхности находится в стеклянных вакуумированных трубках. Стекло, из которого выполнены трубки, обладает высокой степенью химической стойкости, теплостойкости и ударной прочности.

Внутренняя труба с нанесенным покрытием закрывается с одного конца и запечатывается с другого конца наружной трубы. В кольцеобразном пространстве между внутренней и наружной трубами создается вакуум для эффективного уменьшения потери тепла.

• Солнечный коллектор способен полностью покрыть нужды горячего водоснабжения в летнее время и разгрузить установки для обогрева дома и обеспечения ГВС в зимнее время
• Солнечный коллектор экологичен

Количество и температура нагретой воды за один день зависят от многих факторов: высоты солнца над горизонтом, степени ясности дня, температуры воздуха, температуры холодной воды, количества потребляемой горячей воды, конфигурации системы и т.д.

Поэтому перед установкой солнечных коллекторов мы проводим анализ возможного потребления горячей воды и тепла и расположения объекта. Солнечные коллекторы - наиболее эффективное решение для районов с максимальным количеством солнечных дней в году и высотой солнца над горизонтом.

3 Вихревой термогенератор.

Вихревой термогенератор - инновационное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии в тепловую, без использования нагревательных элементов.

Термогенератор состоит из вихревого энергопреобразователя (вихревой трубы), жидкостного насоса с приводом от электродвигателя или от двигателя внутреннего сгорания и блока управления. При многократной циркуляции ограниченного объема жидкости по контуру насос - вихревой энергопреобразователь ее температура может повышаться до 120-140 °С.

Принцип действия термовихря основан на прокачивании жидкого теплоносителя через термогенерирующее устройство. В термогенераторе происходит преобразование кинетической энергии движения жидкости в тепловую энергию за счет процессов возникающих в вихревых потоках. В качестве теплоносителя могут быть использованы масла, незамерзающие жидкости, вода без специальной водоподготовки.

Термогенератор представляет собой цельнометаллическую конструкцию, сваренную из стандартных стальных труб и жестко закрепленную на электронасосе. Так как термогенератор полностью статичен, т.е. в нем нет не одной подвижной детали, а движется только жидкость прокачиваемая через него, он является практически «вечным» по надежности устройством. Уникальная конструкция позволяет подключать к термогенератору как существующие системы отопления, так и вновь создаваемые. Имеется возможность применения воздушных калориферов, что позволяет быстро создавать требуемый температурный режим в локальной рабочей зоне, устанавливать воздушные завесы, отапливать помещения. При необходимости, термогенератор комплектуется теплоизолированным бойлером, что позволяет не только отапливать помещения большего объема и дополнительно экономить электроэнергию, а так же позволяет постоянно иметь в наличии горячую воду. Возможна работа термогенератора только на систему горячего водоснабжения.

Вихревой термогенератор экологически, взрыво- и пожаробезопасен. При этом полностью отсутствует возможность контакта теплоносителя с электричеством.

Вихревой генератор отличает высокая надёжность и простота монтажа и обслуживания

• КПД вихревого термогенератора близок к 100%, а время работы в сутки не превышает 6-8 часов зимой и 3-4 часов летом, что позволяет добиться существенного снижения расходов на электроэнергию по сравнению с традиционными отопительными системами (электроконвекторами и котлами).

Термовихревой генератор - наиболее эффективное решение системы теплоснабжения при отсутствии централизованного газоснабжения и достаточном качестве сетевой электроэнергии. Благодаря наличию широкой линейки термовихревых генераторов, они могут использоваться как для отопления небольших коттеджей (мощность от 3 кВт), так и для промышленных предприятий и многоквартирных домов (мощность до 90 кВт). Кроме того он может использоваться для нагрева бассейнов и технологического нагрева жидкостей на производстве (например, гальванические ванны).Средняя цена установленного 1 кВт тепловой мощности составляет 10000 р.

4. Ветрогенераторы малой мощности

Индивидуальные ветроустановки малой мощности способны обеспечить автономного потребителя необходимым количеством электроэнергии. Мощность таких ветроустановок, как правило, не превышает 5-10 кВт. Средний диапазон скоростей ветра для выдачи мощности у таких ветрогенераторов находится в пределах 5-7 м/с. Срок службы устанавливаемых ветроустановок варьируется от 20 до 30 лет.

Ветроустановка конструктивно состоит из следующих элементов:

• 1. ротор, или ветротурбина
• 2. генератор (синхронный трехфазный с возбуждением от постоянных магнитов)
• 3. мачта с растяжками
• 4. контроллер заряда аккумуляторов
• 5. аккумулятор
• 6. инвертор (преобразует постоянное напряжение 24 В в переменное 220 В)

На рисунке ниже представлена принципиальная схема электроснабжения: Аккумулятор является необходимым элементом системы, являясь накопителем и перераспределителем энергии, что обеспечивает надежность электроснабжения. Контроллер необходим для управления поворотом лопастей, заряда аккумуляторов, выполняет защитные функции. Инвертор преобразует ток из постоянного в переменный, стабилизирует выходящее напряжение. Благодаря этим компонентам, обеспечивается надежное электроснабжение как порывистом ветре, так и в безветренную погоду.

Во многих моделях ветроустановок предусмотрена ориентация угла установки лопастей для увеличения выдаваемой мощности, а также защита от сильного ветра (перевод ветроколеса во флюгерное положение).

ВЭУ выбирается на основе энергопотребления в расчетном периоде и среднегодовой скорости ветра в районе сооружения ВЭУ с учетом потерь в кабеле, инверторе и аккумуляторных батарей.

Преимущества ветроустановок:

• простота в обслуживании
• экономичность (окупаемость - 4 года при сроке службы от 20 лет)
• экологичность
• не требуют существенных площадей для установки (возможно сооружение на крыше)
• автономность работы
• малая шумность или полная бесшумность работы
• значительный срок службы

5. Солнечные модули

Солнечные фотоэлектрические установки (СФЭУ) - установки, предназначенные для преобразования поступающей солнечной радиации в электричество.

Многие не знают, что Альберт Эйнштейн в свое время получил Нобелевскую премию не за создание теории относительности, а именно за открытие явления фотоэффекта. Преобразование энергии в фотоэлектрических преобразователях (ФЭП) основано именно на этом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниках при воздействии на них солнечного излучения.

Для увеличения КПД солнечных электростанций применяют системы автоматического слежения за солнцем (трэкеры). Такие установки дороги и сложны в установке, поэтому их применение не оправдано при энергоснабжении нулевых и энергоэффективных домов.

Наибольшей эффективности работы фотоэлектрических панелей можно добиться только при их установке перпендикулярно падающим солнечным лучам. Наиболее простым и достаточно эффективным способом расположения фотоэлектрических панелей является их установка на крышах домов. Идеальным вариантом является скат крыши направленный на юг с углом наклона к горизонту равным широте расположения дома.

Ежедневно в ясную погоду на Землю поступает 1000 Вт/м2 солнечной энергии, современные модели СФЭУ преобразуют 15% этой энергии, т.е. 150 Вт с квадратного метра солнечной панели, что в системе с аккумуляторами способно частично покрыть нужды автономного потребителя. Правильно подобранное в зависимости от климатических особенностей и потребностей в электроэнергии количество модулей гарантирует экономичность и надежность такой системы. Срок службы СФЭУ находится в диапазоне от 15 до 25 лет.

Преимущества СФЭУ:

• экологичность
• простота в обслуживании
• автономность работы
• отсутствие движущихся частей - бесшумность работы
• значительный срок службы

6. Гибридные системы

При отсутствии централизованного энергоснабжения выбор потребителя зачастую падает на дизель-генераторы. Однако подобные установки шумны, неэкологичны и, несмотря на относительно невысокую стоимость оборудования, требуют значительных затрат на эксплуатацию. Причем стоимость топлива для работы дизель-генераторов увеличивается пропорционально удаленности объекта электроснабжения от центральной энергосистемы. В среднем, стоимость электроэнергии, получаемой при помощи дизель-генераторов, составляет около 15 руб/кВт∙ч.

График нагрузки автономного потребителя, как правило, резко неравномерен, то есть существуют спады потребления в утреннее время суток и значительно превышающие среднее значение потребления пики. В то же время дизель-генераторы предназначены для постоянной работы, а регулярные отключения-выключения и изменения выдаваемой мощности установки значительно уменьшают срок ее службы.

Оптимальной является работа дизель-генератора в качестве резерва в комбинированной системе электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии. Таким образом, ветроустановка (или СФЭУ) работает при наличии ветра (ясной погоды), заряжая аккумуляторы или выдавая мощность потребителю. Как только ветроустановка (СФЭУ) перестает выдавать необходимую мощность, включается дизель-генератор и восполняет недостаток. Такая схема электроснабжения имеет ряд преимуществ:

• экономия топлива
• надежность системы электроснабжения
• экологичность
• бесшумность (дизель-генератор включается в то время, когда Вам это удобно.

7.     Системы бесперебойного питания

Система бесперебойного электроснабжения включает, как правило, один или несколько источников на основе возобновляемых источников энергии и, например, дизельный генератор. В независимости от состава источников, бесперебойное электроснабжение обеспечивается системой аккумуляторных батарей, инвертора, зарядного устройства, стабилизатора напряжения и контроллера заряда-разряда батарей. Современные инверторы, как правило, объединяют в себе три последние функции. Таким образом, инверторы необходимы для преобразования постоянного тока, например от СФЭУ 12В, в переменный 220В, 50 Гц, контроля заряда-разряда аккумуляторных батарей, переключения автономного потребителя в случае нехватки энергии от аккумуляторных батарей на питание от дизельного генератора. В подобной системе используются аккумуляторные батареи емкостью 200 и более А•ч, удовлетворяющие всем требованиям безопасности. Обычно это гелевые батареи - герметичные, экологичные, с низким саморазрядом и неопасные для человека аккумуляторы, имеющие срок службы от 10 лет.

При низком качестве электроэнергии в сети (искажениях и отключениях, отрицательно влияющих на работу электроприборов) также возникает необходимость установки систем бесперебойного питания.

Системы бесперебойного/автономного питания необходимы:

• для автоматического контроля генераторов
• для увеличения мощности при слабых сетях
• для повышения качества электроэнергии в сети
• для возможности автономного функционирования всей энергосистемы дома

• отает незначительное время)

8. Система рекуперации тепла

Система вентиляции с рекуперацией тепла позволяет обеспечить помещение чистым воздухом с комфортной температурой, уменьшая тем самым нагрузку на системы отопления. Конструкция установки представлена на рисунке ниже:

Работа установки реализуется следующим образом: «отработанный» теплый воздух из помещения по системе воздуховодов попадает в теплообменник, в котором нагревает свежий холодный воздух с улицы, поступающий далее уже с более комфортной температурой в помещение. Показанная на рисунке система является активной, так как в работе рекуператора используется насос и теплообменник. Также существует пассивная система вентиляции с рекуперацией тепла, использующая естественные токи теплого и холодного воздуха. Для этого в грунте прокладывается система воздуховодов, имеющая выход «на воздух». Поскольку температура грунта не меняется в течение года, а температура «на улице» колеблется от отрицательных до положительных значений, создается разница температур. Зимой холодный воздух, проникая в систему вентиляции, нагревается, проходя по подземным воздуховодам и обмениваясь теплом в теплообменнике с встречным «отработанным» воздухом. Летом температура воздуха с улицы выше температуры земли, и чистый теплый воздух, проходя через теплообменник и систему подземных воздуховодов, охлаждается, и в помещение поступает чистый прохладный воздух.

Дополнительный нагрев воздуха осуществляется с помощью выбранной системы отопления - теплового насоса, солнечного коллектора, термовихревой установки или других нагревателей. Система требует специальных планировочных и инженерных решений, поэтому может быть интегрирована в систему теплоснабжения только на стадии проектирования и последующего строительства нулевого или энергоэффективного дома.

Система рекуперации - один из ключевых энергосберегающих элементов нулевого дома и её внедрение позволяет существенно повысить качество воздуха по санитарным показателям и показателям влажности.

9. Система умный дом.

Для тех, кто стремится кардинально уменьшить свое энергопотребление и использовать современные инновационные подходы для управления инженерными системами дома и электроприборами мы предлагаем воспользоваться системой «умный дом». «Умный дом» - электронная система контроля за энергосистемой дома. Эта система, объединяющая осветительную нагрузку, систему теплоснабжения, систему электроснабжения, систему безопасности, позволяет не только полностью контролировать энергопотребление дома, но и обеспечивать безопасное функционирование всего дома. Система обеспечивает экономное использование энергии в соответствии с заданными параметрами, а также позволяет в случае необходимости минимизировать энергопотребление путем включения спящего режима. С помощью данной системы возможно самостоятельно установить необходимые климатические параметры в любом помещении дома (температуру и влажность). При отсутствии людей, в доме поддерживает внутренний микроклимат в заданном режиме. Система контроля имеет визуальную панель управления. Имеется возможность управления умной системой дома с мобильного телефона или через интернет. Результаты применения системы Умный дом:

• экономия электроэнергии
• поддержание комфортного микроклимата в доме
• безопасность собственного дома

Код для цитирования: Скопировать