- Энергоактивный комплекс сооружений Крымской экспериментальной базы по использованию солнечной энергии ЭНИН им. Г. М. Кржижановского
В. Ф. Гершкович., Б. В. Тарнижевский, Г. А. Хорхот, Ю. М. Масин, И. В. Руднева
Государственный научно-исследовательский энергетический институт (ЭНИН) им. Г. М. Кржижановского Минэнерго СССР проявил инициативу в создании современной крупномасштабной экспериментальной базы для испытаний, проверки и доводки элементов, установок и систем преобразования и использования солнечной энергии, главным образом с целью солнечного тепло- и холодоснабжения зданий и сооружений.
Предполагается, что к экспериментальным работам на базе будут привлечены организации других министерств и ведомств; будет организована подготовка эксплуатационного персонала для обслуживания систем солнечного тепло- и холодоснабжения при широком использовании их в народном хозяйстве. База может быть использована также для проведения семинаров и конференций по обмену опытом разработки, создания и эксплуатации систем солнечного тепло- и холодоснабжения в гражданском и промышленном строительстве. Таким образом, экспериментальная база явится всесоюзным испытательным и методологическим центром по использованию солнечной энергии.
Проектирование, создание и эксплуатация этого комплекса является крупномасштабным экспериментом, предпринятым в нашей стране впервые.
Проектировал комплекс институт КиевЗНИИЭП по техническому заданию ЭНИН им. Г. М. Кржижановского. Программой эксперимента предусмотрено создание нового типа здания, оборудованного системой солнечного тепло- и холодоснабжения, обеспечивающей удовлетворение потребностей в теплоте и холоде за счет энергии солнца.
Предполагается, что элементы солнечного тепло- и холодоснабжения здания будут служить в процессе эксплуатации испытательным стендом для проверки эффективности заложенных в проектные решения схем и отработки технических решений, связанных с использованием солнечной энергии.
Местоположение объекта (Крым, р-н Алушты) выбрано с учетом высоких и стабильных характеристик радиационного климата, создающих необходимые условия для длительных натурных испытаний солнечных установок в зоне предполагаемого применения разрабатываемых систем по использованию солнечной энергии. Особое значение приобретает использование солнечной энергии для курортных зон с точки зрения сохранения чистоты воздушного и водного бассейнов.
Участок, выбранный под строительство, расположен на расстоянии 100 м от уреза воды и имеет ярко выраженный рельеф с уклоном в сторону моря, с разницей отметок до 50 м. Эти качества учитывались, в первую очередь, при выборе площадок под строительство. Генеральный план и архитектурно-планировочное решение комплекса предусматривают максимальное сохранение живописного ландшафта.
Верхняя площадка, на которой расположены основные здания комплекса, находится между двумя грядами скал и занимает доминирующее место на участке.
Рис. 6.9. Общий вид сооружений экспериментальной базы по использованию солнечной энергии ЭНИН им. Г. М. Кржижановского (проект)
Рис. 6.10. План комплекса основных сооружений базы (фото с макета)
Нижнюю площадку предполагается использовать для размещения группы экспериментальных жилых домов типа коттеджей с применением в них различных теплоэнергетических солнечных установок. Общий вид сооружений базы и окружающего ландшафта показан на рис. 6.9 (проект).
Создание группы сооружений, подчиненных одной технологической задаче — максимальному использованию солнечной энергии при минимальных потерях теплоты, компактно расположенных, решенных в едином архитектурнопространственном приеме, в крупных формах, которые сами по себе будут являться искусственными «скалами» среди хаоса существующих скальных образований, — основная композиционная идея комплекса.
Разработанный комплекс включает следующие объекты: лабораторный корпус, плавательный бассейн, блок технических помещений, бассейн «Каскад» для оборотного водоснабжения гелиотехнических устройств, открытые площадки для испытания солнечных установок, наклонный подъемник. Все сооружения комплекса являются крупномасштабными опытными стендами.
Лабораторный корпус, плавательный бассейн, блок технических помещений запроектированы как группа композиционно и технологически связанных между собой зданий. Пространство, расположенное между лабораторным корпусом и бассейном, решено в виде зеленого партера террасного характера с брызгальным бассейном «Каскад» с включением декоративных газонов, цветников и отдельных скал. С восточной стороны бассейна на крутом обрывистом склоне расположен амфитеатр, который будет служить местом отдыха сотрудников в рекреационное время.
В лабораторном корпусе запроектированы лаборатории с набором оборудования по индивидуальному технологическому заданию, экспериментальная жилая секция, актовый зал с индивидуальной солнечной установкой кондиционирования воздуха абсорбционного типа, стенд монтажа солнечных установок, группа административных помещений.
Лабораторный корпус связан подземным переходом с двухэтажным помещением плавательного бассейна, в цокольном этаже которого предусмотрены душевые и технические помещения .
На уровне первого этажа к лабораторному корпусу примыкает коммуникационный тоннель, соединяющий корпус с блоком технических помещений.
Освещение вестибюля, подсобных помещений кафе, а также кухонь жилой секции осуществляется с помощью световодов.
Наклонная южная стена выполняет одновременно ограждающую функцию и технологическую, связанную с поглощением солнечной энергии. Она запроектирована в виде алюминиевых витражей с двухслойным остеклением и расположенными под ним гелиоприемниками с сетью трубопроводов.
Комплекс основных сооружений экспериментальной базы показан на рис. 6.10, 6.11, 6.12.
Технологическая потребность создания наклонной плоскости для установки гелиоприемников определила сложную геометрию и конструктивную схему всех сооружений комплекса. Угол наклона гелиоприемников 50° 12' является производным от принятого конструктивного решения и близким к оптимальному наклону по технологическим требованиям. При высоте этажа 3,6 м данный угол обеспечивает модульный размер в плане, равный 3 м.
Определяющим фактором, повлиявшим на выбор конструктивной схемы лабораторного корпуса, явилась технологическая потребность в использовании низкопотенциальной теплоты, что привело к размещению змеевиков отопительно-охладительной системы в нижней зоне панелей перекрытий.
Рис. 6.11. Вид комплекса с юго-востока (фото с макета)
Рис. 6.12. Вид комплекса с северо-востока (фото с макета)
Существующие серийные конструкции для общественных зданий предусматривают перекрытие из круглопустотных панелей толщиной 220 мм, в которых невозможно разместить регистры отопления. Помимо этого, тавровая форма типового ригеля не дает возможности произвести стыковку змеевиков отопления (охлаждения) соседних панелей перекрытий в зоне ригелей.
Учитывая невозможность применения существующих типовых каркасных сооружений, в проекте разработан пространственный сборно-монолитный каркас с ригелями прямоугольной формы (сборная часть) и плоскими плитами перекрытия.
Из условия минимального числа сварных соединений в системе отопления (охлаждения), производимых в условиях строительной площадки, размеры плит перекрытия максимально укрупнены. Они запроектированы размером 5,8X2,8 м и при стыковке образуют защемленный диск размером 6X6 м.
Отсутствие вертикального ребра в сборной части ригеля дает возможность стыковки змеевиков отопления (охлаждения) в любом месте плана. Необходимое из условий сейсмичности площадки строительства замоноличивание панелей перекрытия используется для защемления плит перекрытия на опорах и для увеличения высоты ригеля. Увеличение высоты ригеля с 30 до 43 см повышает жесткость пространственного каркаса (рис. 6.13), который в этом случае может воспринять возможные сейсмические усилия без постановки дополнительных диафрагм жесткости.
Общая экспериментальная задача — создание нового типа здания, оборудованного системой тепло- и холодоснабжения, — поставила проблемы, которые будут решены при проектировании, строительстве и эксплуатации базы по использованию солнечной энергии:
выявление принципов ограждения пространства самого сооружения с минимальными потерями теплоты (холода) в увязке с новой технологией гелиотехнических отопительно-охладительных систем;
определение наилучших условий организации жилья в секционных зданиях и малоэтажных жилых домах, оборудованных системой солнечного тепло- и холодоснабжения;
анализ и оценка разработанной конструкции наклонной плоскости для установки гелиоприемников, а также остекленной кровли над хлористолитиевой системой кондиционирования воздуха адсорбционного типа;
натурные испытания конструкций пространственного сборно-монолитного каркаса из линейных элементов и плоскостей панелей перекрытия, защемленных по контуру, для выявления распределения усилий с учетом их пространственной работы;
натурные наблюдения и контрольные измерения элементов каркаса.
Строящийся комплекс сооружений экспериментальной базы ЭНИН будет представлять собой тип энергоактивного здания, во внешнем облике которого архитектурно-планировочными, конструктивными и композиционными средствами решаются задачи, связанные с оптимальным использованием солнечной энергии системами тепло- и холодоснабжения.
В зданиях экспериментальной базы ЭНИН используется солнечная энергия для отопления и вентиляции зимой, для искусственного охлаждения и кондиционирования воздуха летом, для горячего водоснабжения в течение всего года. Вода в плавательном бассейне подогревается также за счет прямого освещения солнечными лучами.
Принципиальная схема устройств для использования солнечной энергии содержит элементы, которые могут быть разделены на четыре группы (рис. 6.14). К первой группе отнесены источники теплоты, солнечный коллектор 1, электрокотел 13, а также компрессионный тепловой насос 26 контура накопления. Вторая группа устройств — накопители теплоты, к которым относятся закрытые резервуары первой 2 и второй 3 групп, а также накопитель 7 системы горячего водоснабжения. Устройства третьей группы — это преобразователи теплоты, к которым относятся компрессионные тепловые насосы систем горячего водоснабжения 24, а также теплоснабжения и вентиляции 25. К этой же группе относится абсорбционная гелиохолодильная и теплонасосная установка 16—20. Установка служит для преобразования солнечной энергии в холод летом и для дополнительного теплоснабжения зимой. Последняя, четвертая группа устройств — это потребители теплоты, к которым относятся отопительно-охладительные системы, кондиционеры, система горячего водоснабжения и плавательный бассейн.
Принципиальная схема содержит также вспомогательные элементы (насосы, теплообменники, трубопроводы), которые служат для связки основных групп, для их взаимодействия и построения единой схемы солнечного тепло- и холодоснабжения здания.
Плоскость солнечных нагревателей совмещена с ограждением зданий. Общая площадь солнечных коллекторов составляет 1200 м2. Зачерненные плоские гелиоприемники из алюминиевых профилей ограждены от наружного воздуха витражом с двухслойным остеклением, образующим наклонную с тыльной стороны, обращенную к югу стену здания. Солнечные коллекторы защищены эффективной теплоизоляцией и отделены от рабочих помещений вспомогательными техническими помещениями.
Все накопители и преобразователи теплоты расположены в блоке технических помещений. Накопители теплоты представляют собой теплоизолированные вертикальные стальные сосуды вместимостью 16 м3 каждый. Общая вместимость накопителей теплоты 128 м3. Все накопители разделены на две группы по 64 м3 каждая. В то время как в первой группе происходит накопление теплоты, из второй группы она расходуется. Самостоятельную роль играет накопитель горячей воды 7.
Компрессионными преобразователями теплоты служат серийные холодильные машины. Это возможно потому, что все потребители теплоты используют ее при температурах до 50° С, что позволяет работать при допустимых давлениях конденсации, обычных для холодильных машин.
Абсорбционный холодильный и теплонасосный агрегат разработан Институтом технической теплофизики АН УССР специально для здания базы ЭНИН. Обычный для абсорбционных холодильных машин блок абсорбер-испаритель 16 соединен с воздушным десорбером 18 через гелиоподогреватель 17 абсорбента. Подогретый в солнечном нагревателе абсорбент после контакта с наружным воздухом восстанавливает свою концентрацию. В качестве абсорбента в гелиохолодильной установке рекомендуется использовать водный раствор хлористого лития.
Устройство потребителей теплоты рассчитано на невысокие температуры теплоносителя. Большинство помещений обогревается потолочно-напольными отопительно-охладительными железобетонными панелями, одновременно служащими конструктивным элементом в зданиях. В панелях замоноличены стальные змеевики, соединенные в систему отопления и охлаждения. Подобная конструкция применена и в плавательном бассейне, где конструктивная прижимная железобетонная плита выполнена с замоноличенными полиэтиленовыми трубами. В кондиционерах использованы поверхностные воздухоохладители для охлаждения и подогрева приточного воздуха.
Предусмотрена возможность работы системы солнечного тепло- и холодоснабжения в разнообразных технологических режимах. Нагретая за счет солнечной радиации вода при помощи насоса 4 попадает в одну из групп резервуаров — накопителей теплоты (2 и 3), в то время как из другой группы теплота расходуется. Если потенциал накопленной теплоты достаточен для использования потребителями (более 40°), то вода из накопителей при помощи насоса 23 подается непосредственно в системы отопления 27, вентиляции 28, а также в плавательный бассейн 29 через водоподогреватель 34 и в систему горячего водоснабжения через водоподогреватель 6. При этом насос 36 не работает, а перемычка вокруг него открыта для прохода воды. Если же температура воды в накопителях недостаточна для непосредственного использования (меньше 40° С), в работу включается преобразователи теплоты. В этом случае насос 23 прокачивает воду накопителей через испарители тепловых насосов 24 и 25, в то время как с конденсаторов при помощи насоса 36 снимается теплота на необходимом для потребителей температурном уровне. В режиме преобразования теплоты может работать также и абсорбционный гелиохолодильный агрегат. В этом случае охлажденная у потребителей вода при помощи насоса 36 подается в абсорбер блока абсорбер-испаритель 16 (на схеме змеевик справа), где подогревается и снова подается потребителю. В это время в испарителе блока охлаждается вода накопителей, циркулирующая при помощи насоса 23. Образующийся в абсорбере слабый раствор подается на выпаривание в десорбер 18, где увлажняет и подогревает наружный воздух, подаваемый затем вентилятором 20 непосредственно в систему вентиляции, расход теплоты на подогрев вентиляционного воздуха в кондиционере 28 при этом сократится. Таким образом, работа абсорбционного гелиохолодильного агрегата в режиме трансформации теплоты возможна днем, в часы работы приточной вентиляции.
При длительном отсутствии зимой солнечной радиации температура воды в накопителях теплоты может понизиться до 0°. В этом случае предусмотрена работа компрессорного теплового насоса 26 в контуре накопления. В испарителе теплового насоса охлаждается морская вода, минимальная температура которой в районе Алушты +8° С, в то время как через конденсатор насосом 4 прокачивается холодная вода накопителей. Тепловой насос 26 использует также теплоту отработанной в плавательном бассейне морской воды.
При аварийной ситуации в основных устройствах гелиосистемы предусмотрено использование в контуре накопления электрокотла 13.
Летом потребители 27 и 28 работают в режиме охлаждения. Отепленная в этих системах вода подается насосом 36 в испаритель абсорбционной гелиохолодильной машины, где охлаждается и вновь поступает к потребителям. Теплота абсорбции отводится через градирню 21 при помощи насоса 22. В этом режиме вода в солнечных нагревателях 1 должна подогреваться до температуры 75—80° С и подаваться непосредственно в гелиоподогреватель абсорбента 17, а увлажненный в воздушном десорбере 18 воздух вентилятором 20 выбрасываться наружу. При необходимости летом в режиме искусственного охлаждения может работать также и компрессионный тепловой насос 25, испаритель которого соединен с контуром потребления, а конденсатор — с градирней.
В здании имеется также автономная система кондиционирования воздуха актового зала с хлористо литиевой воздухоосушающей установкой и солнечным регенератором, выполненным в виде открытого выпаривателя раствора на наклонной кровле покрытия зала.
В связи с возможностями использования различных режимов эксплуатации гелиосистемы и необходимостью выбора оптимального режима научным отделением КиевЗНИИЭПа разрабатывается алгоритм автоматического управления гелиосистемой, который будет реализован при помощи управляющей ЭВМ по схемам, разрабатываемым Киевским институтом автоматики Минприбора СССР.
Опытная эксплуатация комплекса устройств гелиосистемы позволит накопить необходимый опыт, на основе которого можно будет дать рекомендации по использованию принятых в проекте технических решений для гражданских зданий различного назначения. Положительные результаты эксперимента по всестороннему использованию солнечной энергии в сооружениях комплекса будут в дальнейшем использованы в практике строительства аналогичных объектов в различных районах страны.
В СССР создано около 50 различных объектов гражданского строительства (жилых и общественных зданий) с использованием солнечной энергии главным образом для горячего водоснабжения и в ряде случаев для отопления. Сооружаемая Крымская экспериментальная база по использованию солнечной энергии ЭНИН им. Г. М. Кржижановского выделяется главным образом комплексной сущностью впервые реализуемой системы солнечного тепло- и холодоснабжения, функциональным характером архитектурно-планировочных решений, а также масштабами.
