Исследования потенциала солнечной энергии для энергосбережения в отрасли строительства и ЖКХ

« Орёлрегионгаз » считает эту информацию строго конфиденциальной , руководствуясь ведомственной инструкцией . Таким же образом ведут себя и другие поставщики тепловых ресурсов . Завесу данной секретности приоткрыл в своём публичном выступлении и . о . мэра г . Орла В . В . Ерёмин , который сообщил , что подавляющее большинство потребителей тепла в г . Орле не имеют приборов учёта .

Несмотря на имеющуюся нормативно - правовую базу , в нашей области пока не созданы структуры и не отработаны механизмы по сбережению тепловой энергии в строительстве и Ж КХ . Вероятно , по этой причине у нас отсутствуют и соответствующие региональные программы энергосбережения , хотя примеры таких программ имеются в ряде регионов РФ .

Следует отметить, что исследования в области энергосбережения требуют соответствующего научно-методического и приборно-технического обеспечения. Кроме приборов учета тепла, в первую очередь,    это тепловизионная аппаратура,

позволяющая выявлять места потенциальных сверхнормативных утечек . Цена тепловизора в настоящее время составляет около 1 миллиона рублей .

Рис . 1. Тепловизор .

Кроме тепловизора , обеспечивающего качественную картину теплообмена отапливаемых объектов и тепловых сетей , для исследований количественных характеристик теплообмена необходимы измерения величин плотности теплового потока и энергии , затрачиваемой на отопление .

Данные величины должны сопровождаться контролем большинства метеофакторов окружающей атмосферы , из которых в настоящее время учитывается лишь температура воздуха . Ни скорость , ни направление ветра , ни интенсивность солнечного излучения , ни атмосферные осадки в формировании теплового режима отапливаемых помещений в настоящее время , практически , не учитываются . Такое состояние не способствует решению проблем создания оптимальных условий в отапливаемых помещениях и энергосбережения .

М атериалы и методика исследований

Надо отметить , что измерения ряда физических величин , определяющих параметры теплообмена , является сложной технической проблемой . Для её решения в Орловском государственном аграрном университете ( Орел ГАУ ) в рамках инновационной образовательной программы за период 2007 ÷ 2008 года были приобретены уникальные приборы , которые еще не использовались в нашем регионе .

Рис . 2. Пиранометр « Фишер ».

Рис . 3. М ультиметр « Кейтли -2700».

Солнечное излучение является фактором, определяющим тепловой режим на нашей планете. В космосе энергетическая интенсивность этого фактора принимается за одну из классических констант физики, которая называется солнечной постоянной и на орбите Земли приближенно равной 1400 Вт/м2. Это означает, что на плоскую площадку, величиной 1 м2, перпендикулярную солнечным лучам, каждую секунду падает энергия, равная 1,4 кДж. Теплообмен излучением представляет собой очень сложную физическую задачу, математическое описание которой выражается системами интегро-дифференциальных уравнений. Решение этих уравнений чаще всего возможно лишь приближенными численными методами.

Рис . 4. М етеостанция « М астер ».

Еще более сложным становится лучистый теплообмен в земной атмосфере . При этом интенсивность солнечного излучения , падающего на произвольно ориентированную поверхность , является функцией ряда переменных величин . Часть этих величин детерминирована и определяется трёхмерными координатами поверхности , другая часть – является функцией астрономического времени , и , наконец , имеется ряд переменных , представляющих собой случайные функции . Среди основных переменных такого рода можно выделить состояние атмосферной облачности , способной изменить интенсивность солнечного излучения в несколько раз за малый промежуток времени .

Несмотря на все сложности теплообмена излучением , этот процесс с каждым годом привлекает всё большее внимание учёных и специалистов , изучающих потенциал энергосбережения . В настоящее время созданы многочисленные устройства в виде электрических солнечных батарей , различных концентраторов солнечной энергии , способных обеспечить потребности ряда потребителей .

Известно , что удельные затраты на отопление в нашей стране в 4÷5 раз превышают аналогичные затраты в развитых странах со схожими климатическими условиями . Одним из факторов этого состояния может быть недостаточное использование потенциала энергии солнца в РФ .

В нормативно-технических документах по строительству, в частности, в СНиП 23-02 и СП 23101-2004 предлагается учитывать потенциал энергии солнечного излучения в виде некоей константы, определяемой как параметр, рассчитываемый с учётом ориентации стен, а также коэффициента остекленности фасада здания. При этом принимается во внимание лишь та часть солнечного излучения, которая попадает внутрь здания через светопрозрачные ограждения. Детальное рассмотрение обоснованности такого допущения выходит за рамки данной работы и будет выполнено в последующих исследованиях по проблеме энергосбережения в строительстве. Заметим, что с 2003 года в РФ действует ГОСТ 31168-2003 «Метод определения удельного потребления тепловой энергии на отопление». В данном нормативно-техническом документе рассматривается необходимость экспериментального определения суммарной солнечной радиации. Однако предлагается определять численные значения этой величины, падающей на горизонтальную площадку при действительных условиях облачности четыре раза в сутки, а именно: в 6; 12, 18 и 24 ч, если речь идёт о продолжительности измерений 2 недели. При продолжительности измерений – 3 месяца величину солнечной радиации вообще измерять не нужно. М ожно использовать данные ближайшей метеостанции. Следует отметить, что в Орловской области актинометрические наблюдения не проводятся.

Интенсивность солнечного излучения в данной точке земной поверхности является функцией большого числа переменных и в первую очередь , состояния облачности и астрономического времени . При этом в декабре в 6, 18 и 24 часа интенсивность солнечного излучения равна нулю , а данные , полученные в соответствии с упомянутым стандартом , могут иметь недопустимые погрешности измерения .

Следует иметь в виду , что каждая точка поверхности , точнее , элементарная площадка , подвергается своим индивидуальным воздействиям , включая , например , затенённость от рядом стоящих зданий или деревьев . С целью получения достоверных данных об интенсивности воздействия солнечных лучей на вертикально ориентированные ограждения зданий в ИСИ с 2008 года проводятся соответствующие экспериментальные исследования . Для наблюдений на первом этапе выбраны стены нашего здания юго - восточной и юго - западной ориентации с двумя точками размещения пиранометров Fischer ( рис . 2). В качестве вторичных измерительных приборов использовались прецизионные мультиметры Keithley-2700 ( рис . 3). Информация с мультиметров поступала и обрабатывалась с помощью персонального компьютера по соответствующей математической программе . Измерения начались в январе 2008 года и продолжаются до настоящего времени .

Потенциал используемой нами техники позволяет измерять интенсивность солнечного излучения с частотой 0,3 секунды. Однако динамические характеристики первичного преобразователя и самого процесса показали, что на данном этапе вполне достаточно пяти или даже десятисекундного интервала между соседними измерениями. В этом случае каждые сутки мы получали от 8640 до 17280 численных значений интенсивности солнечного излучения с точностью выше 0,01 Вт/м2. Всего за рассматриваемый период нами получено более 6 миллионов численных значений локальной плотности теплового потока. М атематическая обработка полученной информации проводилась с использованием возможностей электронных таблиц Excel. При этом рассчитывались численные значения энергии солнечного излучения, падающего на 1 квадратный метр площади стен за каждый элементарный промежуток времени. Затем производилось суммирование полученных значений с использованием методов прямоугольников или трапеций. В результате расчетов получались удельные величины энергии солнечного излучения, падающего на стены каждые сутки.

Результаты и их обсуждение

Рассмотрим полученные результаты исследований .

На рисунке 4 представлены математические зависимости затрат на отопление дома за счет сгорания газа по дням декабря ( верхняя кривая ) и интенсивности суммарного солнечного излучения , падающего на стены здания юго - восточной и юго - западной ориентации в те же дни декабря . Очевидно , что в декабре 2008 года наблюдалось всего 6 относительно солнечных дней . Все остальное время декабря характеризовалось сплошной облачной погодой , то есть небо было полностью покрыто облаками . Лишь 27 декабря 2008 года в г . Орле был единственный ясный солнечный день . Интенсивность солнечного излучения достигла в этот день величины 110 Вт / м ² и была соизмерима с затратами энергии на отопление .

Рис . 4. Зависимость энергозатрат на отопление и солнечного излучения по дням декабря 2008 года .

Рис . 5. Зависимость энергозатрат на отопление и солнечного излучения по дням марта 2009 года .

В марте 2009 года уже в течение 10 календарных дней наблюдалось существенное превышение ( порой в два - три раза ) энергии солнечного излучения , падающего на ограждающие конструкции , над энергией сгоревшего в ОАГВ газа . Другими словами , если бы удалось эффективно использовать энергию Солнца , то можно было бы не тратить топливо на отопление .

Рис . 6. Сравнение затрат на отопление и энергии солнечного излучения с января по декабрь 2008 года .

На рисунке 6 показаны зависимости энергии газа , затраченной на отопление и хозяйственные расходы ( приготовление пищи , мытьё посуды , стирка и др .) дома ( сплошная кривая ) и солнечной энергии , падающей на вертикально ориентированные стены здания ( пунктирная кривая ) в г . Орле в течение 2008 года .

Выводы

В результате проведенных исследований установлено , что предложенные методы и средства определения интенсивности солнечного излучения обладают высокой информативностью , что позволяет существенно повысить достоверность полученных данных .

Очевидно , что при рациональном использовании потенциала солнечного излучения на широте г . Орла возможно существенное уменьшение затрат углеводородов на отопление жилых и промышленных зданий . Так , например , расчеты показывают , что длительность отопительного периода может быть уменьшена с семи до четырех месяцев .

Дальнейшие исследования в рассматриваемом направлении будут связаны с созданием технических устройств , с помощью которых мы предполагаем существенно снизить затраты энергии на отопление за счет использования потенциала энергии солнечного излучения .