Актуальность темы. Возобновляемая энергетика - динамично развивающаяся отрасль во многих странах. К примеру, в соответствии со стратегией ЕС, к 2050 году Евросоюз планирует полностью отказаться от нефти, газа и угля в пользу возобновляемой энергии. С 2023 года в Берлине вступает в силу закон, обязывающий застройщиков устанавливать солнечные батареи на крышах или фасадах всех столичных зданий. В России за последний год сократилась добыча угля и нефти сократилась более, чем на 5%. Доля ВИЭ на сегодняшний день составляет около 1% в общем энергобалансе России, при благоприятном прогнозе доля ВИЭ может вырасти до 5% к 2035 году.
Основную долю энергии в геосфере составляют солнечная и геотермальная энергия. Согласно оценкам Института Энергетической Стратегии, потенциал солнечной энергетики в Российской Федерации оценивается в 2300 млрд. т.у.т. Ресурсный потенциал геотермальной энергии признается таким же неисчерпаемым, как и солнечной. Имеются оценки, согласно которым потенциал геотермальной энергии в России превышает запасы органического топлива более, чем в 10 раз. Развитие технологий в области солнечной энергетики и строительства позволяют создавать ограждающие конструкции, выполняющие одновременно теплозащитные и энергогенерирующие функции. В связи с этим немалую актуальность приобретают здания с комплексом возобновляемых источников энергии. Высокая эффективность использования возобновляемых источников энергии в зданиях достигается в случае применения ограждающих конструкций с высокими теплоизолирующими характеристиками. Поскольку вклад возобновляемой энергии нередко ограничен по различным причинам, здание должно иметь наименьшие потери энергии.
Строительство и эксплуатация зданий потребляют до половины всей выработанной энергии в мире. Наибольший синергетический эффект от использования возобновляемых источников энергии достигается при комплексной оптимизации характеристик энергопотребителя и энергоисточника. Совместная работа по разработке эффективных ограждающих конструкций и внедрению возобновляемых источников энергии для работы инженерных систем зданий и сооружений позволит значительно сократить энергопотребление и повысить эффективность энергосистем на основе ВИЭ.
В связи с этим актуальным является создание технологий энергоснабжения с использованием возобновляемых видов энергии в зданиях с энергоэффективными ограждающими конструкциями.
Степень разработанности темы исследования. Исследованиями в области использования возобновляемых источников энергии для энергоснабжения зданий и разработкой энергоустановок на базе возобновляемых источников энергии занимались следующие российские ученые: Д.С. Стребков, Н.П. Селиванов, А.Н. Сахаров, И.И. Анисимова, В.В. Елистратов, О.С. Попель, Е.В. Сарнацкий, А.Б. Алхасов, В.А. Бутузов, В.И. Велькин, С.Е. Щеклеин, Е.В. Брянцева, П.П. Безруких, А.И. Сидельников, А.В. Тихонов, В.С. Афонин, С.Н. Мартиросов, А.И. Мелуа, С.В. Золокей, Я.М. Щелоков, С.О. Филатов, В.М. Пахалуев и другие.
Целью диссертационной работы является разработка системы использования геотермальной энергии для создания дополнительной тепловой оболочки вокруг здания с использованием новой системы вентилируемого фасада для применения в практике зеленого строительства.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ поступления солнечной радиации на поверхности грунта и зданий для условий Уральского региона.
2. Провести анализ годового хода изменения температур грунта вследствие экзогенных поступлений тепловой энергии.
3. Разработать грунтовый теплообменник и оптимизировать его параметры для нагрева (охлаждения) воздушного потока.
4. Разработать и оптимизировать новую конструкцию вентилируемого фасада для создания искусственной воздушной оболочки здания.
5. Провести экспериментально-теоретические исследования эффективности тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей нового поколения для электроснабжения зданий.
6. Провести анализ энергетической, экономической и экологической эффективности комплексного энергоснабжения малоэтажного здания солнечной и геотермальной энергией.
Объект исследования - система использования возобновляемой энергии для создания тепловой оболочки вокруг здания с использованием новой системы вентилируемого фасада.
Предметом исследования является влияние работы систем на основе возобновляемых источников энергии на снижение затрат на отопление и вентиляцию в зданиях с искусственной воздушной оболочкой.
Научную новизну работы составляют:
- Впервые предложена и разработана система использования подогретого грунтовым теплообменником приточного воздуха для создания искусственной фасадной тепловой оболочки с целью снижения затрат на отопление зданий;
- Создана конструкция многослойной фасадной панели с вентилируемым зазором для использования в зданиях с комплексом возобновляемых источников энергии;
- Создана методика подбора оптимальных параметров панели для зданий с солнечно-геотермальным энергоснабжением;
- Проведены исследования эффективности применения солнечной фасадной электростанции;
- Проведен энергетический, экологический и экономический анализ системы использования геотермальной энергии для создания дополнительной тепловой оболочки вокруг здания с использованием новой системы вентилируемого фасада для применения в практике зеленого строительства.
Практическая значимость работы. Разработана принципиальная схема применения энергоустановки на основе солнечной и геотермальной энергии для зданий с эффективными фасадными панели с воздушным зазором.
Разработана методика определения параметров грунтового коллектора.
Разработана принципиальная схема работы инженерных систем для зданий с комплексом ВИЭ, основанная на солнечной и геотермальной энергии, как наиболее надежных и неисчерпаемых ресурсах.
Разработана параметрическая расчетная модель фрагмента фасада здания, с помощью которой можно решать следующие задачи:
- определять перемещения и напряжения в панелях с разными геометрическими параметрами;
- осуществлять подбор оптимальных параметров на основании разработанной методики для разных климатических условий;
- определять приведенное сопротивление теплопередаче панели.
Методология и методы исследований.
При выполнении работы использовались методы математического моделирования. Для реализации компьютерной модели грунтового коллектора и фрагмента фасада с воздушным вентилируемым зазором применялся программный комплекс ANSYS.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Система солнечно-геотермального энергоснабжения для зданий с эффективными
фасадными конструкциями.
2. Параметрическая модель многослойной фасадной панели для зданий с солнечно-геотермальным энергоснабжением.
3. Методика определения оптимальных параметров панели для разных климатических условий.
4. Результаты компьютерного моделирования фрагмента грунтового воздушного коллектора.
5. Результаты экспериментального исследования свойств фотоэлектрических преобразователей на основе аморфного и монокристаллического кремния.
Личный вклад автора. Общее направление экспериментальных, расчетных и теоретических работ задавалось научным руководителем профессором, к.т.н., Алехиным В.Н. Совместно с сотрудниками кафедры «САПРОС» ИСА и кафедры «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» УралЭНИН (УрФУ) автор участвовал в научных исследованиях. Автором лично:
1. Разработана система солнечно-геотермального энергоснабжения для зданий с
эффективными фасадными конструкциями;
2. Разработана конструкция многослойной фасадной панели для зданий с солнечно-геотермальным энергоснабжением;
3. Разработана методика определения оптимальных параметров панели для разных климатических условий;
4. Проведены исследования эффективности применения солнечной фасадной электростанции;
5. Разработана методика определения параметров грунтового коллектора для подогрева приточного воздуха;
6. Проведен энергетический, экологический и экономический анализ системы использования геотермальной энергии для создания дополнительной тепловой оболочки вокруг здания с использованием новой системы вентилируемого фасада для применения в практике зеленого строительства.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов базируется на известных положениях и методах моделирования с применением ЭВМ, теплотехники и подтверждается результатами экспериментальных исследований и математического моделирования.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации были представлены на следующих форумах:
1. Международная научно-техническая конференция «International Conference on Industrial
Engineering» («Пром-инжиниринг»), г. Челябинск, 2016 (личное участие с докладом).
2. Международная конференция «SPbWOSCE. Energy efficiency and Sustainable Development in Civil Engineering», г. Санкт-Петербург, 2017 (личное участие с докладом).
3. Международная конференция «SMART CITY», г. Генуя, Италия, 2018 (личное участие с докладом).
4. Международная конференция «International Conference on Energy Engineering and Smart Grids», г. Кэмбридж, Великобритания, 2018 (личное участие с докладом).
5. Круглый стол «Энергосберегающее домостроение: технологии строительства
энергоэффективных зданий и каркасное домостроение», организованный Министерством строительства и развития инфраструктуры Свердловской области, г. Екатеринбург, 2018 (личное участие с докладом).
6. Международная конференция «International Conference on Construction, Architecture and Technosphere Safety», г. Челябинск, 2018 (личное участие с докладом).
7. Международный форум высотного и уникального строительства «FORUM 100+», г. Екатеринбург, 2018 (личное участие с докладом).
8. Международный форум «UN HABITAT», организованный ООН (Организацией Объединенных наций) «Changing the world: Innovations and Better Life for Future Generations» («Изменяя мир: инновации и лучшая жизнь для будущих поколений»), г. Екатеринбург, 2019 (личное участие с докладом).
9. Круглый стол «Красивый город: архитектурная выразительность фасадов», организованный Министерством строительства и развития инфраструктуры Свердловской области, г. Екатеринбург, 2020 (личное участие с докладом).
10. Международная конференция «International Conference on Construction, Architecture and Technosphere Safety», г. Сочи, 2020 (личное участие с докладом).
11. Международный форум «100+ Technobuild», г. Екатеринбург, 2020 (личное участие с докладом).
12. Круглый стол «Современные фасады: материалы, технологии, эстетика», организованный Министерством строительства и развития инфраструктуры Свердловской области, г. Екатеринбург, 2021 (личное участие с докладом).
Публикации. По теме работы опубликовано 13 работ, из них 6 статей опубликованы в зарубежных изданиях, входящих в международные базы цитирования Scopus и Web of Science; 5 статей опубликованы в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК РФ; 1 патент на полезную модель РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста, содержит 32 страниц приложений, 86 рисунков, 17 таблиц, список используемой литературы из 81 наименований.
В заключении диссертации приведены основные результаты и выводы:
1. Выполнено районирование распределения потенциала накопленной тепловой энергии в грунте в результате экзогенных процессов для регионов на территории РФ. Выполненная оценка показала, что потенциал тепловой энергии находится в диапазоне от 20 до 45 МДж/м3.
2. Разработана система использования грунтового низкотемпературного геотермального теплоснабжения в зданиях с ограждающими конструкциями, выполненными из многослойных фасадных панелей с вентилируемым воздушным зазором, позволяющая снизить расход энергии на отопление и вентиляцию зданий на 30-35% за отопительный период.
3. Проведены экспериментальные исследования свойств фотоэлектрических преобразователей на основе аморфного и монокристаллического кремния. В результате исследования были установлены зависимости между углом наклона к горизонту панелей и КПД для двух типов преобразователей. Было установлено, что при установке на вертикальную поверхность КПД снижается на 32-33% для ФЭП на основе аморфного и монокристаллического кремния относительно максимального.
4. Проведены теоретические исследования потенциала фасадной солнечной электростанции для регионов с различной суммарной солнечной радиацией. Использование солнечного фасада позволяет снизить затраты электроэнергии на работу оборудования за отопительный период более чем на 10% (12 780 кВт-ч для анализируемого случая).
5. Разработана расчетная параметрическая модель многослойной фасадной панели с вентилируемым зазором для зданий с солнечно-геотермальным энергоснабжением.
6. Разработана методика определения оптимальных параметров многослойной фасадной панели с вентилируемым воздушным зазором для зданий с солнечно-геотермальным энергоснабжением. Методика, разработанная на основе теории планирования факторного эксперимента, позволяет определять оптимальные толщины теплоизоляционных слоев и величину воздушного зазора для разных климатических условий.
7. Разработана параметрическая модель грунтового воздушного теплообменника для подбора оптимальной величины трубы и массового расхода воздуха. Результаты расчетов показали, что использование грунтового коллектора позволяет снизить затраты электроэнергии на подогрев приточного воздуха на 40% (88 548 кВт-ч для анализируемого случая) за отопительный период.
8. Проведена энергетическая, экономическая и экологическая оценка теплоснабжения
зданий на основе возобновляемых источников энергии с многослойной фасадной панелью с вентилируемым воздушным зазором. Применение энергоснабжения на основе низкопотенциальных источников энергии в зданиях показало свою эффективность и окупаемость в течение 10 лет. Система энергоснабжения зданий на основе низкопотенциальной и солнечной энергии показало свою эффективность и окупаемость в течение 11 лет. Энергетический сравнительный анализ показал, что при использовании системы теплоснабжения с МФП, тепловым насосом и грунтовым теплообменником затраты энергии на отопление и вентиляцию снижаются более чем на 30% (73 871 кВт-ч) относительно традиционного исполнения за отопительный период. Использование системы теплоснабжения с МФП, тепловым насосом, грунтовым теплообменником и фасадной сетевой солнечной электростанцией позволяет снизить энергопотребление на 40% (86 652 кВт-ч) относительно традиционного исполнения. Экологический анализ показывает снижение выбросов парниковых газов при применении МФП, теплового насоса, грунтового теплообменника, фасадной солнечной электростанции относительно традиционного варианта на 40%, что составляет около 16 тонн диоксида углерода за отопительный период. Объем сжигаемого природного газа сокращается на 12 800 м3 (40%) для анализируемого случая
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
