Применение сезонного грунтового аккумулятора, работающего без теплового насоса

Настоящим постом мы открываем цикл статей об использовании сезонных аккумуляторов тепла. В данной статье на примере жилого района в Швеции рассмотрено применение сезонного грунтового аккумулятора, работающего без теплового насоса.

В строительном секторе центральные солнечные отопительные системы являются наиболее экономически выгодными среди всех возможных солнечных тепловых систем. Посредством интеграции сезонного теплового аккумулятора можно покрыть более 50% энергетических затрат на отопление и горячее водоснабжение. В таблице 1 приведены крупномасштабные отопительные солнечные системы Европы, построенные до 2002 года.

Таблица 1. Десять наибольших центральных отопительных солнечных систем Европы, которые были введены в эксплуатацию до 2000 года (кликните для увеличения изображения)

В центральной и северной Европе еще с 1995 года стали популярны сезонные аккумуляторы для хранения тепловой энергии солнца, накопленной в теплое время года, и ее утилизации в холодное время.

На рисунке ниже представлены 4 вида сезонных аккумуляторов солнечной энергии, но в данной статье будет идти речь непосредственно о грунтовом аккумуляторе (duct heat store).

Виды сезонных аккумуляторов тепловой солнечной энергии (кликните для увеличения изображения)

Для строительства и успешной эксплуатации грунтового аккумулятора необходимо соблюдение таких условий как: соответствующий состав грунта и достаточно свободного пространства.

Концепция данной системы состоит в хранении солнечной тепловой энергии непосредственно в грунте. Подходящими геологическими формациями для ее применения могут быть, к примеру, горная/скалистая почва или водонасыщенный грунт. Зарядка и разрядка грунтового аккумулятора осуществляется с помощью вертикальных теплообменников, помещенных в буровые скважины на глубину 30 – 100 м. На поверхности аккумулятора находится слой изоляции, предотвращающий потери тепла в окружающую среду. Во время зарядки, тепловой поток направлен из центра к периферии, чтобы в результате получить более высокие температуры в центре и более низкие на границе. Во время разрядки направление теплового потока обратное.

Преимуществом такой системы является модульная конструкция, которая дает возможность к расширению. Дополнительные буровые скважины с вертикальными теплообменниками могут быть легко добавлены, например, в случае увеличения количества отапливаемых домов в жилом районе. [Schmidt T., Mangold D., Müller-Steinhagen H., July 2003. Central Solar Heating Plants with Seasonal Storage in Germany. Solar Energy, 76: 165-174.]

В конце 2002 в одном из жилых районов вблизи Стокгольма – Аннеберге была запущена в эксплуатацию солнечная тепловая система с сезонным грунтовым аккумулятором без использования теплового насоса. Разработка данной солнечной тепловой системы с грунтовым аккумулятором в Швеции была частью проекта Европейского Союза EU THERMIE, целью которого являлось исследование и разработка крупномасштабных солнечных отопительных систем для жилищного строительства. Предварительное моделирование и расчет системы были осуществлены в компьютерном программном обеспечении TRNSYS и MINSUN и на основании полученных результатов была выбрана оптимальная конфигурация системы. [Nordell B., Hellström G., 2000. High Temperature Solar Heated Seasonal Storage System for Low Temperature Heating of Buildings. Solar Energy, 69 (6): 511-523]

Одним из требований местного муниципалитета являлось создание жилого района, который был бы экологически чистым. Место для этого было выбрано удачно – весь жилой район окружен хвойным лесом и при этом находится всего в 10 км к северу от Стокгольма. В процессе строительства были использованы такие материалы как дерево твердой породы, водорастворимые краски, экологическая теплоизоляция и т.д. Одна из комнат в каждых апартаментах может быть полностью электрически изолирована, что в конце 90-х считалось благоприятным для здоровья. Каждый житель района ежедневно вносит свой посильный вклад в сохранение и улучшение экологической ситуации, путем соблюдения правил по переработке отходов, а также заботе об окружающей природе.

Данная солнечная тепловая система состоит из 2 400 кв.м солнечных коллекторов, размещенных на крышах 50-ти частных домов, грунтового аккумулятора объемом 60 000 куб.м, 13 сабъюнитов с водными баками-аккумуляторами для горячего водоснабжения, низкотемпературной системы отопления (теплый пол) и дополнительных электронагревателей для отопления и горячего водоснабжения. Отопление домов обеспечивается системой теплых полов с расчетной температурой 27/32 градусов Цельсия. Общая отопительная площадь – 5 444 кв.м. Ежегодное потребление энергии для отопления – 565 МВт*час. Крыши домов сориентированы в юго-восточном направлении с углами наклона 15 гр., 31 гр., 37 гр. На крышах установлены солнечные коллекторы с пропилен гликолем в качестве теплоносителя.

Контур солнечных коллекторов отделен от контура теплового аккумулятора и системы отопления с помощью теплообменников. Солнечная радиация является непостоянной, поэтому для обеспечения круглогодичного горячего водоснабжения и отопления необходим сезонный аккумулятор тепла. Соответственно, такой аккумулятор был спроектирован объемом 60 000 куб.м с 99 скважинами глубиной 65 м и расстоянием между ними 3 м. Около 60 % ежегодного потребления энергии, затрачиваемой на отопление, обеспечивается солнечной тепловой системой. Тем не менее, жители Аннеберга недовольны работой солнечной системы, которая согласно предварительным оценке и расчетам должна была работать значительно эффективнее. В 2007 году были проведены два исследования для выявления причин низкой эффективности системы. Исследования показали, что

1) грунтовый аккумулятор еще не достиг стационарного состояния температур;

2) потребление энергии жильцами на отопления и горячее водоснабжение превышает заданные параметры при моделировании системы;

3) потери в распределительной сети намного выше ожидаемых, в то время как уровень полученной солнечной энергии ниже.

Ожидаемый срок, в течение которого тепловой аккумулятор должен достичь стационарного состояния, был определен на этапе проектирования, как 7-8 лет. По истечении указанного срока, в 2010 – 2011 годах было проведено новое исследования эффективности солнечной системы, о результатах которого читайте в следующей статье из нашего цикла.