Інтеграція відновлюваних джерел енергії в системи забезпечення параметрів мікроклімату в котеджних будинках - Кісіль, Андрій Миколайович; Kisil, Andrii Mykolaiovych (Національний університет "Львівська політехніка", 2024)
Магістерська кваліфікаційна робота присвячена розробці системи забезпечення мікроклімату для одноквартирного житлового будинку, розташованого в місті Ізмаїл Одеської області, з використанням відновлюваних джерел енергії. Опалювальна система реалізована у вигляді водяної горизонтальної двотрубної мережі з примусовим рухом теплоносія. Джерелом тепла для водяної системи слугує гібридна установка, що об’єднує роботу сонячних колекторів Viessmann Vitosol 100-FM, теплового насоса Viessmann Vitocal 300-G, фотоелемелей Viessmann Vitovolt 300, вітрогенератора Altek EW, а також додатковий підігрів газовим котлом Vaillant atmo TEC plus VU 280/5-5 продуктивністю 28?кВт. Тепловий насос типу «розсіл-вода» акумулює тепло з ґрунту на земельній ділянці площею майже 1000?м?. Змійовики з поліетиленових труб з внутрішнім діаметром 25?мм розташовані на глибині 2,5?м, а теплоносій у вигляді розсолу циркулює по них. З метою мінімізації втрат тиску загальна довжина кожного контуру нагрівання не перевищує 100?м. Розподіл теплоносія між контурами у ґрунті здійснюється через водорозподільні гребінки. Вітрогенератор з горизонтальною турбіною змонтований на щоглі, яка піднімається на 4?м над дахом, та встановлений на достатній відстані від будинку для уникнення впливу перешкод. Електроенергія, що виробляється вітрогенератором і фотоколекторами, проходить через інвертори для приведення параметрів до рівня, необхідного для побутового енергоспоживання, а потім накопичується у спільному акумуляторі. У науковій роботі розглядається актуальна проблема підвищення енергоефективності біогазових установок шляхом використання сонячної енергії для підтримання оптимального теплового режиму в біореакторах. Це дозволяє не тільки зменшити залежність від традиційних джерел енергії, але й підвищити економічну привабливість виробництва біогазу як відновлюваного палива. Пропонується інноваційна конструкція біореактора — циліндр зі зрізаними конічними елементами у верхній та нижній частинах, що, на їхню думку, забезпечує кращий розподіл температури та ефективність анаеробного зброджування порівняно з традиційними сферичними формами, враховуючи простоту конструкції. Ключовою ідеєю є пасивне використання сонячної радіації для прямого нагріву зовнішньої поверхні резервуара. Детально описано методику аналітичного розрахунку надходження прямої сонячної радіації (S_{пр}) на три основні поверхні запропонованого біореактора: горизонтальну (кришка, кут нахилу ??=?0°), похилу (центральна конічна частина, ??=?45°) та вертикальну (стінки, ??=?90°). Наведено формули для розрахунку косинуса кута падіння сонячних променів (cos??) для кожної поверхні, враховуючи висоту Сонця, географічну широту, азимут поверхні та часовий кут. Також представлено вирази для визначення загального теплоннадходження від сонячного випромінювання (Q_{e}), враховуючи площині опір стінки, коефіцієнти тепловіддачі та поглинання сонячної радіації. Дослідження проводилися для умов липня на прикладі побутового металевого біореактора об’ємом 1?м? з чорним покриттям для максимального поглинання тепла. Аналіз показав, що максимальна густина теплового потоку сонячної радіації досягає 1265?Вт/м? опівдні для поверхні, нахиленої під кутом 45°. Загальна сумарна кількість теплоти, яку потенційно можна отримати від сонячної енергії для підтримання температури біомаси на рівні 40?°C, оцінюється приблизно у 2700?кВт•місяць. Впровадження запропонованої схеми пасивного сонячного теплозабезпечення може забезпечити економію близько 181?м? біогазу протягом теплого періоду року. Розроблена методика дозволяє визначати необхідну кількість теплоти для стабільного режиму біореактора та оцінювати внесок сонячної енергії. Об’єкт дослідження — одноквартирний житловий будинок в м. Ізмаїл Одеської обл. Предмет дослідження — потенціал надходження сонячного випромінювання на біореактор. Мета дослідження — оцінка потенційного надходження сонячної радіації на довільно орієнтовані площини біореактора з метою забезпечення необхідного внутрішнього теплового режиму.

The master's qualification work is devoted to the development of a microclimate system for a single-apartment residential building located in the city of Izmail, Odessa region, using renewable energy sources. The heating system is implemented in the form of a horizontal two-pipe water network with forced movement of the coolant. The heat source for the water system is a hybrid installation that combines the operation of Viessmann Vitosol 100-FM solar collectors, Viessmann Vitocal 300-G heat pump, Viessmann Vitovolt 300 photovoltaic cells, Altek EW wind generator, as well as additional heating with a Vaillant atmo TEC plus VU 280/5-5 gas boiler with a capacity of 28 kW. The brine-water heat pump accumulates heat from the soil on a land plot of almost 1000 m?. The coils made of polyethylene pipes with an internal diameter of 25 mm are located at a depth of 2.5 m, and the coolant in the form of brine circulates through them. In order to minimize pressure losses, the total length of each heating circuit does not exceed 100 m. The coolant is distributed between the circuits in the soil through water distribution combs. A wind generator with a horizontal turbine is mounted on a mast that rises 4 m above the roof and is installed at a sufficient distance from the house to avoid interference. The electricity generated by the wind generator and photo collectors passes through inverters to bring the parameters to the level required for household energy consumption, and then accumulates in a common battery. The scientific work considers the current problem of increasing the energy efficiency of biogas plants by using solar energy to maintain the optimal thermal regime in bioreactors. This allows not only to reduce dependence on traditional energy sources, but also to increase the economic attractiveness of biogas production as a renewable fuel. An innovative bioreactor design is proposed - a cylinder with truncated conical elements in the upper and lower parts, which, in their opinion, provides better temperature distribution and efficiency of anaerobic digestion compared to traditional spherical shapes, taking into account the simplicity of the design. The key idea is the passive use of solar radiation for direct heating of the outer surface of the tank. The method of analytical calculation of the inflow of direct solar radiation (S_{pr}) to the three main surfaces of the proposed bioreactor is described in detail: horizontal (lid, inclination angle ?=0°), inclined (central conical part, ?=45°) and vertical (walls, ?=90°). Formulas are given for calculating the cosine of the angle of incidence of solar rays (cos?) for each surface, taking into account the height of the Sun, geographical latitude, azimuth of the surface and the time angle. Expressions are also presented for determining the total heat gain from solar radiation (Q_{e}), taking into account the plane resistance of the wall, the coefficients of heat transfer and absorption of solar radiation. The studies were conducted for July conditions on the example of a household metal bioreactor with a volume of 1m? with a black coating for maximum heat absorption. The analysis showed that the maximum heat flux density of solar radiation reaches 1265W/m? at noon for a surface inclined at an angle of 45°. The total total amount of heat that can potentially be obtained from solar energy to maintain the temperature of biomass at 40°C is estimated at approximately 2700kW•month. The implementation of the proposed passive solar heating scheme can provide savings of about 181m? of biogas during the warm period of the year. The developed methodology allows determining the required amount of heat for a stable bioreactor mode and assessing the contribution of solar energy. The object of the study is a single-apartment residential building in the city of Izmail, Odessa region. The subject of the study is the potential of solar radiation reaching the bioreactor. The purpose of the study is to assess the potential of solar radiation reaching arbitrarily oriented planes of the bioreactor in order to ensure the required internal thermal regime.
Integration of renewable energy sources into microclimate parameter control systems in cottage houses
Keywords: 3.192.00.00; — сонячне випромінювання; біореактор; біогаз; коефіцієнт теплопоглинання; амплітуда коливання температур; кількість теплоти; економія палива; — solar radiation; bioreactor; biogas; heat absorption coefficient; amplitude of temperature fluctuations; amount of heat; fuel economy