vestniktgasuВестник Томского государственного архитектурно-строительного университетаVestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. JOURNAL of Construction and Architecture1607-18592310-0044Tomsk State University of Architecture and Building10.31675/1607-1859-2020-22-6-119-131vestniktgasu-906Research ArticleТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕHEATING, VENTILATION, AIR CONDITIONING (HVAC), LIGHTING SYSTEMS AND GAS NETWORKSЭФФЕКТИВНАЯ СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ СЕВЕРНЫХ ТЕРРИТОРИЙEFFECTIVE SOLAR HOT WATER SYSTEM FOR NORTHERN TERRITORIESКривошеинЮ. О.KrivosheinYu. O.

Кривошеин Юрий Олегович, ст. преподаватель

634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

Yuriy O. Krivoshein, Senior Lecturer

2, Solyanaya Sq, 634003, Tomsk

yurak89@list.ruЦветковН. А.TsvetkovN. A.

Цветков Николай Александрович, докт. техн. наук, профессор

634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

Nikolay A. Tsvetkov, DSc, Professor

2, Solyanaya Sq, 634003, Tomsk

nac.tsuab@yandex.ruТолстыхА. В.TolstykhA. V.

Толстых Александр Витальевич, канд. физ.-мат. наук, доцент

634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

Aleksandr V. Tolstykh, PhD, A/Professor

2, Solyanaya Sq, 634003, Tomsk

tolstbu@yandex.ruХуторнойА. Н.KhutornoyA. N.

Хуторной Андрей Николаевич, канд. техн. наук, доцент

634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

Andrey N. Khutornoy, PhD, A/Professor

2, Solyanaya Sq, 634003, Tomsk

khantgs@mail.ruКолесниковаА. В.KolesnikovaA. V.

Колесникова Анна Владимировна, канд. техн. наук, доцент

634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

Anna V. Kolesnikova, PhD, A/Professor

2, Solyanaya Sq, 634003, Tomsk

ann203040@yandex.ruПетроваА. В.PetrovaA. V.

Петрова Алена Владимировна, аспирант

634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

Alena V. Petrova, Research Assistant

2, Solyanaya Sq, 634003, Tomsk

pvapnn@mail.ruТомский государственный архитектурно-строительный университетРоссияTomsk State University of Architecture and BuildingRussian Federation202029122020226119131Copyright © Кривошеин Ю.О., Цветков Н.А., Толстых А.В., Хуторной А.Н., Колесникова А.В., Петрова А.В., 20202020Кривошеин Ю.О., Цветков Н.А., Толстых А.В., Хуторной А.Н., Колесникова А.В., Петрова А.В.Krivoshein Y.O., Tsvetkov N.A., Tolstykh A.V., Khutornoy A.N., Kolesnikova A.V., Petrova A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.tsuab.ru/jour/article/view/906

Целью настоящей работы является разработка эффективной солнечной системы горячего водоснабжения, в которой исключаются тепловые потери накопленной тепловой энергии в баке-аккумуляторе за счет естественной конвекции теплоносителя в гидравлическом контуре коллекторов. Проведено натурное экспериментальное исследование негативного эффекта естественной конвекции в ночное время в опытно-промышленной гибридной солнечной системе горячего водоснабжения с использованием разработанного программноаппаратного комплекса с внешним доступом. Для северных территорий разработана, построена и испытана опытно-промышленная гибридная солнечная система с усовершенствованным гидравлическим контуром и программно-аппаратным комплексом диспетчеризации и управления потреблением энергоресурсов с удаленным доступом. Оснащение гидравлического контура коллекторов управляемым контроллером устройством отключения и включения движения теплоносителя позволяет для условий северных территорий повысить эффективность хранения накопленной тепловой энергии в баках-аккумуляторах и повысить солнечную фракцию систем горячего водоснабжения, снизить расходы топлива в дополнительных источниках системы и уменьшить выбросы вредных веществ от его сжигания. Установлено, что использование соленоидного клапана для исключения возникновения естественной конвекции позволяет повысить эффективность хранения накопленной тепловой энергии в баках-аккумуляторах не менее чем на 50 % и повысить солнечную фракцию систем не менее чем на 25 %.

Purpose

Purpose. The aim of this work is to develop an effective solar hot water system, which eliminates the heat loss of the accumulated thermal energy in the storage tank due to the natural convection of the coolant in the hydraulic circuit of collectors.

Design technique

Design technique. A fullscale experimental study concerns the negative effect of natural convection at night in the experimental industrial hybrid solar hot water system in the developed hard and software with remote access.

Results

Results. The pilot industrial hybrid solar system with the improved hydraulic circuit and a soft and hardware system for dispatching and managing energy consumption with remote access was developed, built and tested for Northern territories.

Practical implications

Practical implications. The hydraulic circuit of collectors equipped with a controller for switching off the coolant provides the northern conditions to increase the thermal energy in storage tanks and the solar fraction of hot water systems, reduce the fuel consumption in additional system sources and the emission of harmful substances produced by the fuel combustion.

Originality/value

Originality/value. It is shown that the use of a solenoid valve to eliminate the natural convection increases the thermal energy storage in tanks by at least 50 % and the solar fraction of systems by at least 20 %.

солнечные коллекторыэффективность солнечных систем горячего водоснабженияэкспериментальные исследованияпрограммно-аппаратный комплекс с удаленным доступомsolar collectorssolar hot water supply systemsexperimental researchsoftware and hardware with remote accessReferencesBalatsky A.V., Balatsky G.I., Borysov S.S. Resource Demand Growth and Sustainability Due to Increased World Consumption Sustainability. 2015. № 7. P. 3430–3440. DOI:10.3390/ su7033430.Balatsky A.V., Balatsky G.I. and Borysov S.S. Resource demand growth and sustainability due to increased world consumption. Sustainability. 2015. V. 7. Pp. 3430–3440. DOI: 10.3390/su7033430.Avtar R., Tripathi S., Aggarwal A.K., Kumar P. Population – Urbanization – Energy Nexus: A Review // Resources. 2019. № 8. P. 136. DOI:10.3390/resources8030136.Avtar R., Tripathi S., Aggarwal A.K., Kumar P. Population–urbanization–energy nexus: A review. Resources. 2019. V. 8. P. 136. DOI: 10.3390/resources8030136.Sach J., Moya D., Giarola S., Hawkes A. Clustered spatially and temporally resolved global heat and cooling energy demand in the residential sector // Applied Energy. 2019. 250. P. 48–62. DOI:org/10.1016/j.apenergy.2019.05.011.Sach J., Moya D., Giarola S., Hawkes A. Clustered spatially and temporally resolved global heat and cooling energy demand in the residential sector. Applied Energy. 2019. V. 250. Pp. 48–62. DOI: 10.1016/j.apenergy.2019.05.011.Abikoye B., Cucek L., Isafiade A.J., Kravanja Z. Synthesis of Solar Thermal Network for Domestic Heat Utilization // Chemical Engineering Transactions. 2019. 76. P. 1015–1020. DOI:10.3303/CET1976170.Abikoye B., Cucek L., Isafiade A.J., Kravanja Z. Synthesis of solar thermal network for domestic heat utilization. Chemical Engineering Transactions. 2019. V. 76. Pp. 1015–1020. DOI: 10.3303/CET1976170.Čuček L., Boldyryev S., Klemeš J.J., Kravanja Z., Krajačić G., Varbanov P.S., Neven Duić. Approaches for Retrofitting Heat Exchanger Networks within Processes and Total Sites, Journal of Cleaner Production (2018), doi:10.1016/j.jclepro.2018.11.129.Čuček L., Boldyryev S., Klemeš J.J., Kravanja Z., Krajačić G., Varbanov P.S., Neven Duić, Approaches for retrofitting heat exchanger networks within processes and total sites. Journal of Cleaner Production. 2018. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.11.129. (rus)Башмаков И.А. Использование энергии и энергоэффективность в российском жилищном секторе. Как сделать его низкоуглеродным? // Энергосовет. 2014. № 2 (33). С. 22–31.Bashmakov I.A. Ispol'zovanie energii i energoeffektivnost' v rossiiskom zhilishchnom sektore. Kak sdelat' ego nizkouglerodnym? [Energy use and efficiency in the Russian housing sector. How to make it low-carbon?]. Energosovet. 2014. No. 2 (33). Pp. 22–31. (rus)Голикова А.А., Кондратов Н.А. Перспективы использования альтернативных источников энергии в Арктической зоне России // География: развитие науки и образования : коллективная монография по материалам Всероссийской с международным участием научно-практической конференции LXXII Герценовские чтения, посвященной 150-летию со дня рождения В.Л. Комарова, 135-летию со дня рождения П.В. Гуревича, 90-летию со дня рождения В.С. Жекулина. 2019. С. 241–245.Golikova A.A., Kondratov N.A. Perspektivy ispol'zovaniya al'ternativnykh istochnikov energii v Arkticheskoi zone Rossii [Prospects for using alternative energy sources in Arctic Russia]. In: Geografiya: razvitie nauki i obrazovaniya [Geography: development of science and education]. Kollektivnaya monografiya po materialam Vserossiiskoi s mezhdunarodnym uchastiem nauchno-prakticheskoi konferentsii the 72 Gertsenovskie chteniya, posvyashchennoi 150-letiyu so dnya rozhdeniya V.L. Komarova, 135-letiyu so dnya rozhdeniya P.V. Gurevicha, 90-letiyu so dnya rozhdeniya V.S. Zhekulina (Coll. Monograph adapted from 72nd All-Russ. Conf. in memory of V.L. Komarov, P.V. Gurevich and V.S. Zhekulin 'Gertsen Readings‟). 2019. Pp. 241–245. (rus)Экологические проблемы Арктики и северных территорий : межвузовский сборник научных трудов / отв. ред. П.А. Феклистов. Архангельск : Изд-во: Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, 2017. Вып. 20. 287 с.Feklistov P.A., (Ed.) Ekologicheskie problemy Arktiki i severnykh territorii: mezhvuzovskii sbornik nauchnykh trudov [Environmental problems in the Arctic and northern territories]. Int. Coll. Papers. 2017. No. 20. 287 p. (rus)Barzut O., Kondratov N., Bahmatova Yu., Shmilova Yu. Actual problems of sustainable socioeconomic and ecological balanced development of the Russian Arctic // In the collection of articles: 19th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2019 Conference proceedings, Sofia. 2019. P. 11–18.Barzut O., Kondratov N., Bahmatova Yu., Shmilova Yu. Actual problems of sustainable socioeconomic and ecological balanced development of Russian Arctic. In: Proc. 19th Int. Sci. Conf. „GeoConference‟, Sofia, 2019. Pp. 11–18.Цветков Н.А., Кривошеин Ю.О. Автономное теплоснабжение малоэтажных зданий в Республике САХА (Якутия) (п. Жатай) с использованием газовых котлов и энергии солнца // Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий : сб. материалов II Всероссийской научной конференции с международным участием, ИТФ СО РАН, 24–26 марта 2015 г. С. 252–259.Tsvetkov N.A., Krivoshein Yu.O. Avtonomnoe teplosnabzhenie maloetazhnykh zdanii v respublike SAKhA Yakutiya (p. Zhatai) s ispol'zovaniem gazovykh kotlov i energii solntsa [Autonomous heating of low-rise buildings in the Republic of Saha, Yakutia (Zhatai village) using gas boilers and solar energy]. Energo- i resursoeffektivnost' maloetazhnykh zhilykh zdanii: sb. materialov II Vserossiiskoi nauchnoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem (Proc. 2nd All-Russ. Sci. Conf. „Energy- and Resource-Efficiency of Low-Rise Buildings‟). 2015 Pp. 252–259. (rus)Кривошеин Ю.О., Кривошеин Ю.О., Цветков Н.А., Хуторной А.Н. Автоматизированная дуальная система горячего водоснабжения с использованием энергии солнца и газового котла // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2017. № 1 (60). С. 162–173.Krivoshein Yu.O., Krivoshein Yu.O., Tsvetkov N.A., Khutornoi A.N. Avtomatizirovannaya dual'naya sistema goryachego vodosnabzheniya s ispol'zovaniem energii solntsa i gazovogo kotla [Automated dual system of hot water supply provided with solar energy and gas boiler]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2017. No. 1 (60). Pp. 162–173. (rus)Хуторной А.Н., Цветков Н.А., Кривошеин Ю.О., Кузнецова А.А. Эффективность использования солнечных вакуумных трубчатых коллекторов в природно-климатических условиях Якутии // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2016. № 3. С. 156–165.Khutornoi A.N., Tsvetkov N.A., Krivoshein Yu.O., Kuznetsova A.A. Effektivnost' ispol'zovaniya solnechnykh vakuumnykh trubchatykh kollektorov v prirodno-klimaticheskikh usloviyakh Yakutii [Effective utilization of vacuum tube solar collectors in climatic conditions in Yakutia]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2016. No. 3. Pp. 156–165. (rus)Кривошеин Ю.О., Шемдышев У.Ю., Цветков Н.А. Анализ эффективности дуальной системы горячего водоснабжения в Городском округе «Жатай» (г. Якутск) // Избранные доклады 65-й Юбилейной университетской научно-технической конференции студентов и молодых ученых. Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2019. С. 973–975.Krivoshein Yu.O., Shemdyshev U.Yu., Tsvetkov N.A. Analiz effektivnosti dual'noi sistemy goryachego vodosnabzheniya v Gorodskom okruge Zhatai (g. Yakutsk) [Analysis of efficiency of dual hot water supply system in Zhatay City (Yakutsk)]. In: Izbrannye doklady 65 Yubileinoi universitetskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii studentov i molodykh uchenykh (Proc. 65th All-Russ. Sci. Conf. of Students and Young Scientists). Tomsk: TSUAB, 2019. Pp. 973–975. (rus)Krivoshein Y.O., Tolstykh A.V., Tsvetkov N.A., Khutornoy A.N. Efficiency of dual hot water systems with the use of solar evacuated tube collectors in the Northern territories // SEWAN-2019IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2020. 408. 012011. DOI:10.1088/1755-1315/408/1/012011.Krivoshein Y.O., Tolstykh A.V., Tsvetkov N.A., Khutornoy A.N. Efficiency of dual hot water systems with the use of solar evacuated tube collectors in the Northern territories. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2020. V. 408. 012011. DOI:10.1088/1755-1315/408/1/012011.Ayompe L., Duffy A. Thermal performance analysis of a solar water heating system with heat pipe evacuated tube collector using data from a field trial // Solar Energy. 2013. 90. P. 17–28. doi.org/10.1016/j.solener.2013.01.001.16. Цветков Н.А., Кривошеин Ю.О., Толстых А.В., Хуторной А.Н. Моделирование инсоляции на горизонтальную поверхность для расчета почасовых значений солнечной радиации // Известия вузов. Строительство. 2019. № 6 (726). С. 81–92. DOI: 10.32683/0536-1052-2019-726-6-81-92.Ayompe L., Duffy A. Thermal performance analysis of a solar water heating system with heat pipe evacuated tube collector using data from a field trial. Solar Energy. 2013. V. 90. Pp. 17–28. DOI: 10.1016/j.solener.2013.01.001.Krivoshein Y.O., Tolstykh A.V., Tsvetkov N.A., Khutornoy A.N. Mathematical model for calculating solar radiation on horizontal and inclined surfaces for the conditions of Yakutsk // SEWAN-2019 IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2020. 408. 012002. DOI:10.1088/1755-1315/408/1/012002.Tsvetkov N.A., Krivoshein Yu.O., Tolstykh A.V., Khutornoi A.N. Modelirovanie insolyatsii na gorizontal'nuyu poverkhnost' dlya rascheta pochasovykh znachenii solnechnoi radiatsii [Simulation of insolation on horizontal surface for calculation of hourly values of solar radiation]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. 2019. No. 6 (726). Pp. 81–92. DOI: 10.32683/0536-1052-2019-726-6-81-92.Tsvetkov N.A., Krivoshein U.O., Tolstykh A.V., Khutornoi A.N., Boldyryev S. The calculation of solar energy used by hot water systems in permafrost region: An experimental case study for Yakutia // Energy. 2020. V. 210. 118577. URL: https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118577Krivoshein Y.O., Tolstykh A.V., Tsvetkov N.A., Khutornoy A.N. Mathematical model for calculating solar radiation on horizontal and inclined surfaces for the conditions of Yakutsk. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2020. V. 408. 012002. DOI: 10.1088/1755-1315/408/1/012002.Tsvetkov N.A., Krivoshein Y.O., Khutornoi A.N., Boldyryev S., Petrova A.V. Development of the Computer-Aided Application for the Use of Solar Energy in the Hot Water Supply System of Russian Permafrost Regions // Chemical Engineering Transactions. 2020. 81. P. 943–948. DOI:10.3303/CET2081158.Tsvetkov N.A., Krivoshein U.O., Tolstykh A.V., Khutornoi A.N., Boldyryev S. The calculation of solar energy used by hot water systems in permafrost region: An experimental case study for Yakutia. Energy. 2020. V. 210. 118577. DOI: 10.1016/j.energyTsvetkov N.A., Krivoshein Y.O., Khutornoi A.N., Boldyryev S., Petrova A.V. Development of the computer-aided application for the use of solar energy in the hot water supply system of Russian permafrost regions. Chemical Engineering Transactions. 2020. V. 81. Pp. 943–948. DOI: 10.3303/CET2081158.Tsvetkov N.A., Krivoshein Y.O., Khutornoi A.N., Boldyryev S., Petrova A.V. Development of the computer-aided application for the use of solar energy in the hot water supply system of Russian permafrost regions. Chemical Engineering Transactions. 2020. V. 81. Pp. 943–948. DOI: 10.3303/CET2081158.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.