Одним з найважливіших завдань, яке стоїть перед паливно-енергетичним комплексом України, є максимальне використання власних енергетичних ресурсів, до яких, насамперед, належать нетрадиційні та відновлювані джерела енергії.

Одним із напрямків відновлюваної енергетики, який спрямований на практичну реалізацію вищезазначеного завдання, є освоєння теплової енергії, що акумулюється в приповерхневому шарі ґрунту або близьких до поверхні водоносних горизонтах. Відомо, що влітку має місце утворення, накопичення та розсіювання в навколишньому середовищі великої кількості теплоти. Це теплота прогріву внаслідок сонячної радіації приповерхневого шару ґрунту, водоймищ; теплота, що виділяється в системах кондиціонування, а також скидна теплота, яка утворюється під час експлуатації різних енергетичних установок, та скидна теплота технологічних процесів виробництв. Температурний рівень теплоти може досягати: для теплоти прогріву приповерхневого шару ґрунту до +20 °С, водоймищ до +27 °С, систем кондиціонування до +35 °С. Для скидної теплоти енергетичних установок або технологічних процесів виробництв температурний рівень значно вищий і може становити +180°С і більше. Наприклад, сміттєспалюючі заводи, системи охолодження енергетичних установок скидають у навколишнє середовище відпрацьовані гази або пар з температурою +180 °С...+200 °С.

Однією з технологій накопичення, зберігання та використання в опалювальний період теплоти, що утворилася в теплий період року, є створення та експлуатація підземних сезонних акумуляторів теплоти. При цьому під підземним сезонним акумулятором теплоти розуміється теплоакумулююча  система,  яка  складається  з  резервуару для  зберігання теплоти, яким може бути підземний водонасичений шар, приповерхневий грунт, водоймище та рідкого робочого тіла  (проміжного теплоносія), що передає теплоту

для її акумулювання, так і для її використання. Додатково до сезонних акумуляторів можливо віднести також джерела теплоти, яка акумулюється та споживачів закумульованої теплової енергії.

Під корисною тепловою енергією, яку можна отримати за допомогою підземних сезонних теплових акумуляторів розуміється кількість теплоти, що відбирається від рідкого проміжного теплоносія, який циркулює в замкнутому контурі: акумулятор - споживач теплоти. Якщо температура проміжного теплоносія, який надходить з акумулятора,   протягом опалювального сезону перевищує температуру встановлену для мережевої води системи опалення, то цей проміжний    теплоносій подається безпосередньо в   прилади опалення. Якщо ж температура   проміжного теплоносія, який надходить з акумулятора протягом опалювального сезону і  температури встановленої для мережевої води системи опалення, то цей проміжний теплоносій подається до теплотрансформатора (теплового насосу), або підігрівається піковим джерелом енергії.

Визначимо далі зміст термінів 'зарядка' та 'розрядка' сезонних підземних акумуляторів теплоти. В подальшому під терміном 'зарядка' сезонного акумулятора розуміється процес накопичення теплоти в резервуарі і зберігання її деякий проміжок часу. Як правило процес   накопичення здійснюється в літню пору    року. 'Розрядка' сезонного теплового акумулятора це процес відбору теплової енергії від резервуару зберігання за певний проміжок часу в опалювальний період року.

Використання систем сезонного підземного акумулювання теплоти для теплопостачання гарантує збереження інфраструктури будівлі і мінімальний екологічний вплив на навколишнє середовище, особливо в зимовий період, в порівнянні з використанням традиційних і нетрадиційних джерел теплоти.

Такий підхід потребує спеціальних розрахунків і обґрунтувань оптимальної в технічному і економічному плані системи теплопостачання.

Для оцінки перспектив створення та проектування підземних акумуляторів необхідно розрахувати наступні енергетичні параметри:

-  теплову потужність системи теплопостачання;

-  теплову потужність підземного акумулятора;

-  теплову потужність термотрансформатора;

-  теплову потужність пікового джерела енергії;

-  кількість теплоти, яка потрібна для забезпечення потреб опалення та гарячого водопостачання об’єкту;

-  кількість теплоти, що виробляється кожним джерелом енергії окремо (підземним акумулятором або піковим котлом).

Наведені енергетичні параметри автономних систем теплопостачання з сезонними підземними акумуляторами теплоти визначаються на основі оцінки тепловтрат об’єкту, що розглядається, при мінімально можливій для даної кліматичної зони температурі зовнішнього повітря. Ці тепловтрати і є максимальним тепловим навантаженням покриття яке необхідно забезпечити системою теплопостачання даного об’єкту. При цьому встановлена теплова потужність зазначеної системи теплопостачання об’єкту повинна відповідати максимальному тепловому навантаженню системи теплопостачання.

В зв’язку з тим, що мінімальна температура зовнішнього повітря в опалювальний період стоїть протягом обмеженого часу, то при її підвищенні зменшуються і тепловтрати, тобто відповідно зменшується теплове навантаження. Характер та кількісні параметри цього зменшення відображаються на графіку зміни теплового навантаження в залежності від термінів стояння температур зовнішнього повітря.

Рис.1 Графік теплового навантаження системи теплопостачання типового будинку           

Таким чином, максимальне теплове навантаження об’єкту, що відповідно встановленій тепловій потужності системи теплопостачання визначається за наступною формулою:

 ?

Для виконання розрахунків теплового навантаження систем опалення споживачів використовується відома залежність, надана в роботах [1, 2]:

?

де  – об’єм будівлі, м³ ;

– корегуючий коефіцієнт, що розра - ховується по формулі, наведений в роботі [3].

- питома теплова характеристика будівлі. Ця характеристика обчислюється за формулою [2]:

де F_ст ^, F _вік ^, F _стелі ^, F _під - поверхня стін, вікон, стелі і підлоги в м² ;

К_ст ^,  К _вік ^, К _стелі ^, К _під - коефіцієнт теплопередачі стін, вікон, стелі і підлоги;

, - коефіцієнти зниження розрахункової різниці температур для стелі і підлоги наведені у роботі [2].

Розрахунки теплових навантажень системи гарячого водопостачання виконуються окремо для літнього та опалювального періодів.

Розрахунок теплового навантаження системи гарячого водопостачання в опалювальний період виконується за наступною залежністю, що наведена в роботах [1,4]:

 -     - середньогодинні  витрати води,  які

споживаються в системі  гарячого водопостачання, м³ /год., визначаються по формулі:

де n - число споживачів гарячої води;

g_сер – середня норма витрат гарячої води на одну особу за опалювальний період, тобто  період з середньодобовою температурою зовнішнього повітря рівній або менше 8 °С; 1000 - чисельний коефіцієнт переводу літрів у м³ ; р_В - густина води, кг/м³; Т_г - середня температура гарячої води у водорозбірних стояках; Т_х.о- температура холодної води у водопроводі в опалювальний період; t - період споживання гарячої води; К₀ - коефіцієнт, що враховує втрати гарячої води взимку.

Розрахунок величини теплового навантаження систем гарячого водопо -  стачання для літнього періоду, згідно з роботою [1], виконується по наступній залежності:

де Т_х.л. - температура холодної води у водопроводі в літній період; К - коефіцієнт, що враховує втрати гарячої води влітку.

Таким чином, використовуючи вищенаведені формули, можна розрахувати теплове навантаження системи теплопостачання, яке відповідає тепловій потужності джерела енергії, що необхідне для покриття цього навантаження.

Наявність величини теплового навантаження, дозволяє перейти до розрахунків річних витрат теплоти, необхідних для забезпечення опалення та гарячого водопостачання конкретного споживача. Для обчислення цих витрат застосовується методика, заснована на побудові та аналізі графіку зміни теплового навантаження системи теплопостачання від тривалості стояння температур зовнішнього повітря, яка викладена у роботах [1, 5]. Тобто, побудувавши на основі обчисленої величини теплового навантаження графік його зміни, можна отримати кількість теплоти, яка необхідна для опалення та гарячого водопостачання споживача. Ця кількість є площею фігури що утворюється між графіком зміни теплового навантаження та вісями абсцис та ординат.

Загальновідома методика побудови графіка зміни теплового навантаження передбачає використання тільки одного джерела енергії (або тільки котел, або тільки тепловий насос). Для обчислення енергетичних параметрів системи теплопостачання з двома і більше енергоджерелами (підземний акумулятор + тепловий насос + піковий котел), пропонується удосконалена існуюча методика [1,3]. Метою цього вдосконалення є отримання методики визначення по графіку зміни теплового навантаження, що покривається кожним із енергоджерел, окремо, та кількості теплоти, що окремо виробляється кожним з цих енергоджерел.

БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

1.   Забарний Г.М. Використання відновлюваних джерел енергії для теплопостачання корпусу №20 Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут / Г. М. Забарний,  С.О. Кудря,   М.М. Хворов, та ін. – К. : ІВЕ НАН України, 2005. – 132 с.

2.   Шифрисон Б. Л. Теплофикация / Б. Л. Шифрисон, А. П. Сафонов. – М.: Наркомхоз, 1946. – 194 с.

3.   Сезонне акумулювання теплоти в підземних акумуляторах / [ЗабарнийГ.М., Кудря С.О., Маслюкова З.В., Примак А.І]. – К.: ТОВ «ВІОЛ-ПРИНТ»  2009.- 278с.

4.   Апарцев М.М. Наладка водяных систем централизованного тепло-снабжения / Апарцев М. М. – М. : Энергоиздат, 1983. – 204 с.

5.   Методика и результаты расчетов объемов добычи термальных вод необходимых для покрытия тепловых нагрузок в системах геотермального теплоснабжения / [Забарный Г. Н., Шурчков А. В., Новицкая Е. Г., Задорожная А.А.]. – К. : ИТТФ  НАН Украины, 1998. – 55 с.