СОЛНЕЧНО-ГЕОТЕРМАЛЬНОЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ ЗДАНИЙ С ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫМИ ФАСАДНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ 10
1.1 Современное состояние проблемы использования возобновляемых
источников энергии в мире и в РФ 10
1.2 Обзор отечественных и зарубежных решений по внедрению в ограждающие конструкции энергосистем на основе возобновляемых источников энергии 18
1.3 Выводы к главе 1 22
Глава 2. СОЛНЕЧНО-ГЕОТЕРМАЛЬНОЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ ЗДАНИЙ С МНОГОСЛОЙНОЙ ФАСАДНОЙ ПАНЕЛЬЮ С ВОЗДУШНЫМ ЗАЗОРОМ 23
2.1 Описание концепции применения возобновляемых источников энергии в
зданиях 23
2.2 Конструкция многослойной фасадной панели для зданий с солнечно-геотермальным энергоснабжением 31
2.3 Выводы к главе 2 39
Глава 3. ИНТЕГРИРОВАННАЯ ФАСАДНАЯ СЕТЕВАЯ СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ 40
3.1 Характеристики сетевой солнечной электростанции 40
3.2 Методика и результаты экспериментального исследования
фотоэлектрических преобразователей 44
3.3 Выводы к главе 4 53
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОСЛОЙНОЙ ФАСАДНОЙ ПАНЕЛИ ДЛЯ ЗДАНИЙ С КОМПЛЕКСОМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ 54
4.1 Методика и результаты прочностного расчета МФП 54
4.2 Методика и результаты теплотехнического расчета МФП 74
4.2.1 Задание параметров здания 74
4.2.2 Расчетная модель фасадной конструкции 76
4.2.3 Свойства материалов расчетной модели МФП 80
4.2.4 Граничные условия расчетной модели 81
4.2.5 Уточнение параметров панели на первом этапе расчета на
основе теории планирования эксперимента 85
4.2.6 Выбор оптимальных геометрических параметров МФП на
втором этапе теплотехнических расчетов 89
4.2.7 Определение зависимости приведенного сопротивления теплопередаче МФП от изменения внешних условий на третьем этапе теплотехнических расчетов 94
4.3 Выводы к главе 4 110
Глава 5. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МФП В ЗДАНИЯХ С
КОМПЛЕКСОМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ 111
5.1 Описание объектов анализа 111
5.1.1 Расчет горизонтального грунтового воздушного коллектора для
зданий с многослойной фасадной панелью 112
5.1.2 Здание с многослойной фасадной панелью с использованием
грунтового коллектора и теплового насоса 116
5.1.3 Здание с многослойной фасадной панелью с использованием
грунтового коллектора, теплового насоса и фотоэлектрических преобразователей 117
5.1.4 Здание с традиционным вентилируемым фасадом, системой отопления, приточно-вытяжной системой вентиляцией с рекуперацией тепла 118
5.2 Расчет сроков окупаемости 118
5.3 Экономический и экологический анализ использования МФП в зданиях
с солнечно-геотермальным энергоснабжением 122
5.4 Выводы к главе 5 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 124
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 127
Приложение А. ИСХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ: РАЗМЕРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ, ТАРИФЫ 136
Приложение Б. РАСЧЕТ ЗАТРАТ НА ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЮ ВАРИАНТОВ 1,2 152
Приложение В. РАСЧЕТ ЗАТРАТ НА ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЮ ВАРИАНТА 3 155
Приложение Г. ПОЛНАЯ СТОИМОСТЬ РЕАЛИЗАЦИИ ДЛЯ ТРЕХ ВАРИАНТОВ 160
Приложение Д. РАСЧЕТ NPV СРАВНЕНИЕ А (Вариант 1 с вариантом 3) 162
Приложение Е. РАСЧЕТ NPV СРАВНЕНИЕ Б (Вариант 2 с продажей выработанной энергии по оптовому тарифу с вариантом 3) 164
Приложение Ж. РАСЧЕТ NPV СРАВНЕНИЕ В (Вариант 2 с продажей выработанной энергии по двухставочному тарифу с вариантом 3) 166
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ 10
1.1 Современное состояние проблемы использования возобновляемых
источников энергии в мире и в РФ 10
1.2 Обзор отечественных и зарубежных решений по внедрению в ограждающие конструкции энергосистем на основе возобновляемых источников энергии 18
1.3 Выводы к главе 1 22
Глава 2. СОЛНЕЧНО-ГЕОТЕРМАЛЬНОЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ ЗДАНИЙ С МНОГОСЛОЙНОЙ ФАСАДНОЙ ПАНЕЛЬЮ С ВОЗДУШНЫМ ЗАЗОРОМ 23
2.1 Описание концепции применения возобновляемых источников энергии в
зданиях 23
2.2 Конструкция многослойной фасадной панели для зданий с солнечно-геотермальным энергоснабжением 31
2.3 Выводы к главе 2 39
Глава 3. ИНТЕГРИРОВАННАЯ ФАСАДНАЯ СЕТЕВАЯ СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ 40
3.1 Характеристики сетевой солнечной электростанции 40
3.2 Методика и результаты экспериментального исследования
фотоэлектрических преобразователей 44
3.3 Выводы к главе 4 53
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОСЛОЙНОЙ ФАСАДНОЙ ПАНЕЛИ ДЛЯ ЗДАНИЙ С КОМПЛЕКСОМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ 54
4.1 Методика и результаты прочностного расчета МФП 54
4.2 Методика и результаты теплотехнического расчета МФП 74
4.2.1 Задание параметров здания 74
4.2.2 Расчетная модель фасадной конструкции 76
4.2.3 Свойства материалов расчетной модели МФП 80
4.2.4 Граничные условия расчетной модели 81
4.2.5 Уточнение параметров панели на первом этапе расчета на
основе теории планирования эксперимента 85
4.2.6 Выбор оптимальных геометрических параметров МФП на
втором этапе теплотехнических расчетов 89
4.2.7 Определение зависимости приведенного сопротивления теплопередаче МФП от изменения внешних условий на третьем этапе теплотехнических расчетов 94
4.3 Выводы к главе 4 110
Глава 5. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МФП В ЗДАНИЯХ С
КОМПЛЕКСОМ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ 111
5.1 Описание объектов анализа 111
5.1.1 Расчет горизонтального грунтового воздушного коллектора для
зданий с многослойной фасадной панелью 112
5.1.2 Здание с многослойной фасадной панелью с использованием
грунтового коллектора и теплового насоса 116
5.1.3 Здание с многослойной фасадной панелью с использованием
грунтового коллектора, теплового насоса и фотоэлектрических преобразователей 117
5.1.4 Здание с традиционным вентилируемым фасадом, системой отопления, приточно-вытяжной системой вентиляцией с рекуперацией тепла 118
5.2 Расчет сроков окупаемости 118
5.3 Экономический и экологический анализ использования МФП в зданиях
с солнечно-геотермальным энергоснабжением 122
5.4 Выводы к главе 5 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 124
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 127
Приложение А. ИСХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ: РАЗМЕРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ, ТАРИФЫ 136
Приложение Б. РАСЧЕТ ЗАТРАТ НА ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЮ ВАРИАНТОВ 1,2 152
Приложение В. РАСЧЕТ ЗАТРАТ НА ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЮ ВАРИАНТА 3 155
Приложение Г. ПОЛНАЯ СТОИМОСТЬ РЕАЛИЗАЦИИ ДЛЯ ТРЕХ ВАРИАНТОВ 160
Приложение Д. РАСЧЕТ NPV СРАВНЕНИЕ А (Вариант 1 с вариантом 3) 162
Приложение Е. РАСЧЕТ NPV СРАВНЕНИЕ Б (Вариант 2 с продажей выработанной энергии по оптовому тарифу с вариантом 3) 164
Приложение Ж. РАСЧЕТ NPV СРАВНЕНИЕ В (Вариант 2 с продажей выработанной энергии по двухставочному тарифу с вариантом 3) 166
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.
Объект исследования - система использования возобновляемой энергии для создания тепловой оболочки вокруг здания с использованием новой системы вентилируемого фасада.
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 были поставлены 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 провести оптимизацию его параметров 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 анализы энергетической, экономической и экологической эффективности комплексного энергоснабжения малоэтажного здания солнечной и геотермальной энергией.
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:
1. Впервые предложена и разработана система использования подогретого грунтовым теплообменником приточного воздуха для создания искусственной фасадной тепловой оболочки с целью снижения затрат на отопление зданий;
2. Создана конструкция многослойной фасадной панели с вентилируемым зазором для использования в зданиях с комплексом возобновляемых источников энергии;
3. Создана методика подбора оптимальных параметров панели для зданий с солнечно-геотермальным энергоснабжением;
4. Проведены исследования эффективности применения солнечной фасадной электростанции;
5. 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.
Теоретическая и 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 исследования. 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.
Степень достоверности. 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 результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены и используются в проектной деятельности ООО «ТЕХКОН», ООО «Третья Проектная», о чем свидетельствуют акты о внедрении. В частности, приняты к использованию рекомендации по разработке систем геотермального энергоснабжения зданий. Результаты и положения диссертационной работы также используются в учебном процессе кафедры «Системы автоматизированного проектирования объектов строительства» Института Строительства и Архитектуры УрФУ при изучении вопросов, связанных с оптимизацией параметров тепловой оболочки здания.
Публикации. 13 печатных работ, в том числе 1 патент РФ на полезную модель, 5 статей опубликованы в изданиях входящих в «Перечень изданий, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов работы диссертаций» и 6 в изданиях, индексируемых в международных системах цитирования Scopus и Web of Science.
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.
Объект исследования - система использования возобновляемой энергии для создания тепловой оболочки вокруг здания с использованием новой системы вентилируемого фасада.
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 были поставлены 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 провести оптимизацию его параметров 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 анализы энергетической, экономической и экологической эффективности комплексного энергоснабжения малоэтажного здания солнечной и геотермальной энергией.
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:
1. Впервые предложена и разработана система использования подогретого грунтовым теплообменником приточного воздуха для создания искусственной фасадной тепловой оболочки с целью снижения затрат на отопление зданий;
2. Создана конструкция многослойной фасадной панели с вентилируемым зазором для использования в зданиях с комплексом возобновляемых источников энергии;
3. Создана методика подбора оптимальных параметров панели для зданий с солнечно-геотермальным энергоснабжением;
4. Проведены исследования эффективности применения солнечной фасадной электростанции;
5. 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.
Теоретическая и 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 исследования. 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.
Степень достоверности. 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 результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены и используются в проектной деятельности ООО «ТЕХКОН», ООО «Третья Проектная», о чем свидетельствуют акты о внедрении. В частности, приняты к использованию рекомендации по разработке систем геотермального энергоснабжения зданий. Результаты и положения диссертационной работы также используются в учебном процессе кафедры «Системы автоматизированного проектирования объектов строительства» Института Строительства и Архитектуры УрФУ при изучении вопросов, связанных с оптимизацией параметров тепловой оболочки здания.
Публикации. 13 печатных работ, в том числе 1 патент РФ на полезную модель, 5 статей опубликованы в изданиях входящих в «Перечень изданий, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов работы диссертаций» и 6 в изданиях, индексируемых в международных системах цитирования Scopus и Web of Science.
Итоги выполненной работы:
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.
Рекомендации, перспективы дальнейшей разработки темы. Диссертационное исследование имеет важное научно-практическое значение для технологий использования возобновляемых источников энергии для энергоснабжения зданий, а также технологий энергосбережения. Результаты диссертационной работы позволяют зарегистрировать патент на изобретение разработанной системы энергоснабжения зданий с использованием грунтового коллектора.
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.
Рекомендации, перспективы дальнейшей разработки темы. Диссертационное исследование имеет важное научно-практическое значение для технологий использования возобновляемых источников энергии для энергоснабжения зданий, а также технологий энергосбережения. Результаты диссертационной работы позволяют зарегистрировать патент на изобретение разработанной системы энергоснабжения зданий с использованием грунтового коллектора.
Подобные работы
- Солнечно-геотермальное энергоснабжение зданий с энергоэффективными фасадными конструкциями
Авторефераты (РГБ), электроэнергетика. Язык работы: Русский. Цена: 250 р. Год сдачи: 2021
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
Каталог работ (130689)
- Бакалаврская работа (31478)
- Диссертация (960)
- Магистерская диссертация (18358)
- Дипломные работы, ВКР (53252)
- Главы к дипломным работам (2108)
- Курсовые работы (9669)
- Контрольные работы (6188)
- Отчеты по практике (1308)
- Рефераты (1450)
- Задачи, тесты, ПТК (616)
- Ответы на вопросы (154)
- Статьи, Эссе, Сочинения (911)
- Бизнес-планы (49)
- Презентации (101)
- РГР (84)
- Авторефераты (РГБ) (1691)
- Диссертации (РГБ) (1879)
- Прочее (433)
Новости
06.01.2018
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
Помощь в выполнении учебных и научных работ на заказ ОФОРМИТЬ ЗАКАЗ
дальше»» Все новости
Статьи
- Где лучше заказывать диссертации и дипломные?
- Выполнение научных статей
- Подготовка диссертаций
- Подводные камни при написании магистерской работы
- Помощь в выполнении дипломных работ
»» Все статьи
Заказать работу
Заявка на оценку стоимости
Это краткая форма заказа. После ее заполнения вы перейдете на полную форму заказа работы
