Солнечно-геотермальное энергоснабжение зданий с энергоэффективными фасадными конструкциями : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.14.08

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
6
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.

7
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

8
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.

9
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,

10
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.