Системы активного солнечного теплоснабжения

Современные системы солнечного теплоснабжения

Доктор технических наук Б.И.Казанджан
Московский Энергетический Институт
(технический университет), Россия
Журнал Энергия, №12, 2005.

1. Введение.

Основными причинами, побудившими человечество заняться широкомасштабным промышленным освоением возобновляемых источников энергии являются:
-климатические изменения обусловленные увеличением содержания СО2 в атмосфере;
-сильная зависимость многих развитых стран, особенно европейских, от импорта топлива;
-ограниченность запасов органического топлива на Земле.
Недавнее подписание Киотского протокола большинством развитых стран мира поставило на повестку дня ускоренное развитие технологий способствующих сокращению выбросов СО2 в окружающую среду. Стимулом для развития этих технологий является не только осознание угрозы изменения климата и связанных с этим экономических потерь, но и тот факт, что квоты на выброс парниковых газов стали товаром, имеющим вполне реальную стоимость. Одной из технологий, позволяющей снизить расход органического топлива и уменьшить выбросы СО2, является производство низкопотенциального тепла для систем горячего водоснабжения, отопления, кондиционирования воздуха, технологических и иных нужд за счет солнечной энергии. В настоящее время более 40% первичной энергии расходуемой человечеством приходится на покрытие именно этих потребностей, и именно в этом секторе технологии использования солнечной энергии являются наиболее зрелыми и экономически приемлемыми для широкого практического использования. Для многих стран использование солнечных систем теплоснабжения — это еще и способ уменьшить зависимость экономики от импорта ископаемых топлив. Эта задача особенно актуальна для стран Европейского Союза, экономика которого уже сейчас на 50% зависит от импорта ископаемых энергоресурсов, а до 2020 года эта зависимость может возрасти до 70%, что является угрозой экономической независимости этого региона

2.Масштабы использования солнечных систем теплоснабжения

О масштабах современного использования солнечной энергии для нужд теплоснабжения свидетельствуют следующие статистические данные [1,2].
Общая площадь солнечных коллекторов установленных в странах ЕС к концу 2004 года достигла 13960000 м2, а в мире превысила 150000000 м2. Ежегодный прирост площади солнечных коллекторов в Европе в среднем составляет 12% , а в отдельных странах достигает уровня 20-30% и более. По количеству коллекторов на тысячу жителей населения мировым лидером является Кипр, где 90% домов оборудованы солнечными установками (на тысячу жителей здесь приходится 615,7 м2 солнечных коллекторов), за ним следуют Израиль, Греция и Австрия. Абсолютным лидером по площади установленных коллекторов в Европе является Германия — 47%, далее следуют Греция — 14%, Австрия — 12%, Испания — 6%, Италия — 4%, Франция — 3%. Европейские страны являются бесспорными лидерами в разработке новых технологий систем солнечного теплоснабжения, однако сильно уступают Китаю в объемах ввода в эксплуатацию новых солнечных установок. Статистические данные по увеличению количества вводимых в эксплуатацию солнечных коллекторов в мире по итогам 2004 года дают следующее распределение: Китай — 78%, Европа — 9%, Турция и Израиль — 8%, остальные страны — 5%.
По экспертной оценке ESTIF (Европейская Федерация промышленности солнечных тепловых установок) технико-экономический потенциал по использованию солнечных коллекторов в системах теплоснабжения только в странах ЕС составляет более 1,4 млрд.м2 способных производить более 680 000 ГВтч тепловой энергии в год. Планы на ближайшую перспективу предусматривают установку в этом регионе 100 000000 м2 коллекторов к 2010 году.

3. Солнечный коллектор — ключевой элемент солнечной системы теплоснабжения

Солнечный коллектор является основным компонентом любой солнечной системы теплоснабжения. Именно в нем происходит преобразование солнечной энергии в тепло. От его технического совершенства и стоимости зависит эффективность работы всей системы солнечного теплоснабжения и ее экономические показатели.
В системах теплоснабжения используются в основном два типа солнечных коллекторов: плоский и вакуумный.

Плоский солнечный коллектор состоит из корпуса, прозрачного ограждения, абсорбера и тепловой изоляции (фиг.1).

Фиг. 1 Типичная конструкция плоского солнечного коллектора [3]

Корпус является основной несущей конструкцией,.прозрачное ограждение пропускает солнечную радиацию внутрь коллектора, защищает абсорбер от воздейсквия внешней среды и уменьшает тепловые потери с лицевой стороны коллектора. Абсорбер поглощает солнечную радиацию и по трубкам соедененным с его теплоприемной поверхностью передает тепло теплоносителю. Тепловая изоляция уменьшает тепловые потери с тыльной и боковой поверхностей коллектора.
Теплоприемная поверхность абсорбера имеет селективное покрытие, имеющее высокий коэффициент поглощения в видимой и ближней инфракрасной области солнечного спектра и низкий коэффициент излучения в области спектра соответствующего рабочим температурам коллектора. У лучших современных коллекторов коэффициет поглощения находитвя в пределах 94-95%, коэффициет излучения 3-8%, а кпд в области рабочих температур типичных для систем теплоснабжения превышает 50% Неселективное черное покрытие абсорбера в современных коллекторах используется редко из-за высоких потерь на излучение. На рис 2 показаны примеры современных плоских коллекторов.

В вакуумных коллекторах (рис 3) каждый элемент абсорбера помещается в отдельную стеклянную трубу, внутри которой создается вакуум, благодаря чему потери тепла за счет конвекции и теплопроводности воздуха подавяются практически полностью. Селективное покрытие на поверхности абсорбера позволяет минимизировать потери на излучение. В результате к.п.д вакуумного коллектора получается существенно выше чем у плоского коллектора, на и стоимость его заначительно выше.

аб

Рис 2 Плоские солнечные коллектры

а) фирма Вагнер, б) фирма Ферон

а б

Рис 3 Вакуумный коллектор фирмы Виссман
а) общий вид, б) монтажная схема

3. Тепловые схемы солнечных систем теплоснабжения

В мировой практике наиболее широко распространены малые системы солнечного теплоснабжения. Как правило, такие системы включают в себя солнечные коллекторы общей площадью 2-8м2, бак аккумулятор, емкость которого определяется площадью используемых коллекторов, циркуляционный насос или насосы (в зависимости от типа тепловой схемы) и другое вспомогательное оборудование. В небольших системах, циркуляция теплоносителя между коллектором и баком-аккумулятором может осуществяться и без насоса, за счет естественной конвекции (термосифонный принцип). В этом случае бак-аккумулятор должен располагаться выше коллектора. Простейшим типом таких установок является коллектор, спаренный с баком аккумулятором, расположенным на верхнем торце коллектора (рис.4). Системы такого типа используются обычно для нужд горячего водоснабжения в небольших односемейных домах коттеджного типа.

Рис.4 Термосифонная солнечная система теплоснабжения.

На Рис. 5 показан пример активной системы большего размера, в которой бак аккумулятор расположен ниже коллекторов и циркуляция теплоносителя осуществляется с помощью насоса. Такие системы используются для нужд и горячего водоснабжения и отопления. Как правило, в активных системах, участвующих в покрытии части нагрузки отопления, предусматривается дублирующий источник тепла, использующий электроэнергию или газ.

Рис 5 Тепловая схема активной солнечной системы горячего водоснабжения и отопления [3]

Сравнительно новым явлением в практике использования солнечного теплоснабжения являются крупные системы способные обеспечить нужды горячего водоснабжения и отопления многоквартирных домов или целых жилых кварталов. В таких системах используется либо суточное, либо сезонное аккумулирование тепла.
Суточное аккумулирование предполагает возможность работы системы с использованием накопленного тепла в течение нескольких суток, сезонное — в течение нескольких месяцев.
Для сезонного аккумулирования тепла используют большие подземные резервуары, наполненные водой, в которые сбрасываются все излишки тепла, получаемого от коллекторов в течение лета. Другим вариантом сезонного аккумулирования является прогрев грунта с помощью скважин с трубами, по которым циркулирует горячая вода, поступающая от коллекторов.

В таблице 1. приведены основные параметры крупных солнечных систем с суточным и сезонным аккумулированием тепла в сравнении с малой солнечной системой для односемейного дома.

Пассивные и активные солнечные системы отопления

Солнечное отопление может быть использовано для обогрева жилого пространства в вашем доме. А существуют два основных типа таких систем: пассивное и активное солнечное отопление.

Оборудование для получения тепла от солнца обычно работает за счет поглощения солнечной радиации, и последующего преобразования её в тепловую энергию. Концепция движения воздуха, называемая естественной конвекцией, является неотъемлемой частью всех солнечных установок для теплоснабжения.

Солнечное отопление может быть использовано для обогрева жилого пространства в вашем доме или для нагрева воды в водопроводной системе.

Есть много преимуществ получаемых от включения солнечной системы отопления в дизайн Вашего дома:

• Оборудование для получения тепла от солнца экологически чистое.
• Оборудование для получения тепла от солнца не загрязняет окружающую среду или не производит парниковых газов.
• Оборудование для получения тепла от солнца помогает экономить энергию ресурсов Земли.
• Оборудование для получения тепла от солнца является лучшим выбором для людей с аллергией и чувствительностью к различным химикатам.
• Оборудование для получения тепла от солнца довольно стабильно в своей стоимости. После того как вы его купили, вы защищены от инфляции и политических / экономических рисков, которые могут присутствовать при использовании других видов топлива.

Существуют два основных типа солнечных систем отопления: пассивное солнечное отопление и активное солнечного отопления.

Пассивное солнечное отопление

Дизайн оборудования пассивного солнечного отопления не включает в себя каких-либо механических устройств отопления. Пассивное солнечное отопление функционирует путем включения в себя особенностей здания, которое в течении дня поглощает тепло и затем медленно его выпускает, что поддерживает температуру в доме.

Эти строительные особенности могут включать в себя большие окна, каменные полы, и кирпичные стены. Для правильного использования пассивной солнечной энергии, должна быть налажена циркуляция нагретого воздуха по всему дому. Естественной циркуляции воздуха, как правило достаточно до тех пор, пока двери во всем доме остаются открытыми, однако иногда вентиляторы так-же могут быть включены в проект.

Хотя это и относительно простые меры, именно пассивное солнечное отопление может снизить счета за отопление почти на 50 процентов. Ведь что такое солнечная энергия? Это бесплатное электричество, которое дарит нам природа земли.

А во многих случаях, особенно если вы работаете с застройщиком который хорошо знаком с процессами пассивного солнечного отопления, строительство пассивного солнечного дома может стоить столько же, как и строительство обычного дома.

Активное солнечное отопление

Активное солнечное отопление похоже на пассивное солнечное отопление, но это гораздо более сложный процесс, и создает гораздо больше тепла, чем пассивные системы. Активное солнечное отопление обычно состоит из трех составляющих: солнечного коллектора для поглощения солнечной энергии, системы хранения полученой энергии и системы теплообмена для рассеивания тепла в соответствующие места в вашем доме.

Активные системы отопления можно разделить на две категории: воздушные системы и жидкие системы.

Различия в активных системах отопления находятся в том, как солнечная энергия накапливается в солнечном коллекторе. Жидкие системы используют жидкость для сбора энергии в солнечном коллекторе, в то время как воздушные системы поглощают энергию с помощью воздуха.

Так как солнечные коллекторы обычно устанавливается на крыше здания, то лучше всего разместить выход горячего воздуха в потолке. Система, установленная таким образом смешивает воздух в помещениях здания и к тому-же действует как потолочный вентилятор. опубликовано econet.ru

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Каталог > Стройматериалы и изделия для строительства. Строительные работы > Экологическое строительство и технологии

Системы активного солнечного теплоснабжения бывают двух видов: с жидкостным и воздушным теплоносителем. Системы с жидкостным теплоносителем греют воду или антифриз в “жидкостном” коллекторе, а в системах с воздушным теплоносителем в коллекторе греется воздух.
Как первая, так и вторая система улавливают и поглощают солнечное излучение и передают солнечное тепло либо внутрь помещения, либо в накопительную систему, из которой осуществляется распределение тепла по помещению. Если система солнечного нагрева не обеспечивает помещение необходимым количеством тепла, вдобавок к ней используются дополнительные системы обогрева. Коллектор на жидком теплоносителе более предпочтителен тогда, когда тепло перед подачей какое-то время аккумулируется в накопителе. Кроме того, этот вариант солнечного отопления хорошо подходит для систем лучистого отопления, бойлеров и радиаторов водяного отопления, а также для абсорбционных тепловых насосов и охладителей. Как жидкостная, так и воздушная системы могут дополнять принудительные системы отопления и охлаждения.

Экономичность и другие преимущества активных солнечных систем теплоснабжения
Активные солнечные системы теплоснабжения наиболее эффективны при круглогодичном использовании, поэтому наилучшие результаты достигаются в холодном климате с хорошими солнечными ресурсами. Являясь альтернативой системам отопления, использующим электричество, пропан и др., солнечное отопление представляет собой весьма энергоэффективное решение теплоснабжения дома.
Использование солнечного коллектора может способствовать существенному снижению энергозатрат на отопление в зимнее время. Помимо этого, в отличие от нагревателей, использующих ископаемое топливо, солнечное отопление отличается экологичностью, так как не производит вредных выбросов в атмосферу.

Размеры тепловой установки
Размер системы солнечного отопления определяется такими факторами, как местоположение, особенности дизайна, а также уровень потребности дома в теплоснабжении.
Наиболее экономичным считается решение, при котором система солнечного отопления обеспечивает 40-80% тепла, необходимого дому. Системы, производящие менее 40% необходимого тепла, эффективными бывают редко, за исключением тех случаев, когда используется воздушный солнечный коллектор, который без предварительного накопления тепла обогревает 1-2 отдельные комнаты.
При выборе солнечной системы стоит также учитывать особенности дизайна здания: правильно спроектированному и утепленному дому, при строительстве которого были задействованы общие принципы пассивного солнечного дизайна, понадобиться гораздо более скромная и менее дорогостоящая система солнечного отопления, использование которой способно свести к минимуму применение дополнительных (не солнечных) систем теплоснабжения.
Несмотря на все преимущества системы солнечного нагрева, рекомендуется, чтобы ее дублировала другая, резервная система отопления.

Регуляторы для систем солнечного нагрева
По сравнению с традиционными отопительными системами, регуляторы для систем солнечного нагрева, как правило, более сложные, поскольку им приходится анализировать большее число сигналов и контролировать большее количество приборов (включая традиционное отопительное оборудование, используемое в дополнение к солнечному).
Регуляторы для солнечных систем включают различные датчики, переключатели и/или двигатели для управления системой. Используются также и регуляторы, предотвращающие замерзание или чрезмерное нагревание жидкости в коллекторах.
Главным элементом контроля системы солнечного нагрева является дифференциальный термостат, замеряющий разницу температур в коллекторе и баке-аккумуляторе. Когда температура среды в коллекторе на 5.6°–11°C превышает температуру жидкости в баке, термостат запускает насос, обеспечивающий циркуляцию воды или воздуха по коллектору. По мере этого, происходит либо нагревание жидкости в баке, либо непосредственное отопление помещения.
Стоимость регуляторов, действующих по разному принципу, также варьируется. Самые дорогие — сложные регуляторы с микропроцессорами, служащими для оптимизации процесса передачи тепла к накопителю и различным зонам дома.
Для электропитания низковольтного вентилятора (у воздушного коллектора) и насоса (у жидкостного коллектора) постоянного тока, можно использовать солнечную батарею. При соответствующем размере, скорость работы вентилятора и насоса обеспечивает оптимальный приток солнечного тепла к теплоносителю. В солнечную погоду вентилятор и насос работают быстрее, а в пасмурные дни темп их работы, соответственно, замедляется.

Установка и текущий уход за системами солнечного нагрева
Эффективность системы солнечной системы во многом зависит от ее правильного расположения и дизайна, равно как и от качества и прочности ее компонентов. Не последнюю роль играет и мастерство подрядчика, устанавливающего систему.
Учтите, что смонтированная система нуждается в текущем уходе, оптимизирующем ее работу и предотвращающем поломки. Системы различного типа нуждаются в различном уходе, однако в среднем на ремонт потребуется 8-16 часов в год.

Воздушные солнечные коллекторы
Воздушные солнечные коллекторы используют воздух в качестве рабочей среды для поглощения и передачи энергии. Помимо непосредственного обогрева отдельных комнат, воздушные коллекторы могут использоваться для предварительного нагрева воздуха, который впоследствии может либо поступать в вентилятор рекуперации, либо подаваться на змеевик воздушного теплового насоса.
Воздушные коллекторы можно использовать в более раннее и более позднее время суток по сравнению с жидкостными, что является явным преимуществом первого – в жаркий сезон воздушный коллектор производит больше энергии, чем жидкостный аналогичных размеров. Кроме того, в отличие от жидкостных, воздушная система не только не замерзает, но и избавлена от существенных проблем, которые может вызвать малейшая утечка в коллекторе и распределительных каналах (хотя утечки несколько снижают производительность). Однако воздух является худшим теплопроводником, чем жидкость, поэтому, в целом, жидкостный коллектор обладает большим КПД, чем воздушный.
В системах старого образца воздух проходил через гравийный аккумулятор, однако в последнее время этот метод не пользуется особой популярностью. Дело в том, что при использовании гравийного аккумулятора возникают проблемы с конденсацией и размножением плесневых грибков в гравии, что оказывает не самое благоприятное влияние на воздух в помещении.

Комнатные воздушные нагреватели
Для обеспечения теплом одной или нескольких комнат, воздушные коллекторы могут монтироваться на крыше или внешней (южной) стене. Хотя рынок сегодня предлагает довольно широкий спектр коллекторов, произведенных промышленным способом, некоторые владельцы все же предпочитают изготавливать коллекторы самостоятельно.
Коллектор состоит из герметичной, термоизолированной металлической рамы и черной металлической пластины, поглощающей тепло, с остекленным покрытием. Солнечное излучение нагревает пластину, которая в свою очередь нагревает воздух в коллекторе. Вентилятор, работающий на электричестве, забирает воздух из комнаты и прогоняет его через коллектор, после чего нагретый воздух возвращается обратно в комнату. Коллектору, установленному на крыше, необходимы специальные каналы, через которые воздух из комнаты достигал бы коллектор и наоборот. Между тем, коллекторы, устанавливаемые на стенах, в воздушных каналах не нуждаются — отверстия для входа и выхода воздуха проделываются непосредственно в стене.
Простые оконные коллекторы вставляются в существующий оконный проем. Они могут быть как активными (работающими при использовании вентилятора), так и пассивными. В пассивном коллекторе воздух поступает в нижнюю часть коллектора и по мере нагревания поднимается в его верхнюю часть, из которой поступает прямо в комнату. Чтобы в пасмурную погоду воздух из помещения не попадал обратно на панель коллектора, у коллектора имеется специальный воздушный клапан. Следует иметь в виду, что оконные системы, как правило, не обладающие достаточной площадью поверхности, большой теплопроизводительностью не отличаются.

Жидкостные солнечные коллекторы
Жидкостный солнечные коллекторы больше всего подходят для центрального отопления. Для отопления используются аналогичные коллекторы, как и в домашних системах солнечного водоснабжения. Самыми распространенными являются плоские, однако доступны также и вакуумные, а также концентрирующие коллекторы. Для поглощения тепла в жидкостных коллекторах используется жидкий теплоноситель: вода, антифриз (как правило, низкотоксичный пропилен гликоль) или другая жидкость. Передвижение жидкости в коллекторе осуществляется с помощью циркуляционного насоса, который в определенное время включает регулятор.
Так как по коллектору жидкость движется довольно быстро, ее температура увеличивается всего на 5.6°–11°C. При нагревании меньших объемах жидкости на большую температуру, происходит переохлаждение коллектора, что уменьшает энергопроизводительность системы. Жидкость поступает либо в бак-аккумулятор, либо в теплообменник, после чего сразу же используется. Остальные компоненты системы включают трубопровод, теплообменник, бак-аккумулятор и регуляторы.
Скорость потока жидкости в коллекторе должна составлять от 0.82 до 1.22 литра в минуту на квадратный метр коллектора. Общая скорость потока (которую необходимо знать для выбора насоса нужного размера) вычисляется умножением вышеизложенной скорости на общую площадь коллектора.

Аккумулирования тепла в жидкостных системах: баки-аккумуляторы
В жидкостных системах солнечного нагрева тепло чаще всего накапливается в баках-аккумуляторах с водой. В среднем, на 0,093 кв.метра площади бака-аккумуляторы требуется 3.8–7.6 л воды. Баки могут быть как герметизированными, так и негерметизированными – выбор того или иного вида зависит от общего дизайна системы. Перед тем как выбрать бак, вам необходимо взвесить все факторы, включая цену, размер, прочность, срок службы, а также место (в подвале или снаружи) и метод установки. Может быть, бак нужных вам размеров не пройдет через дверной проем – тогда вам придется собирать его непосредственно на месте монтажа. У баков также есть ограничения относительно температуры и давления, кроме того они должны соответствовать местным строительным, сантехническим и механическим нормам. Также стоит продумать вид теплоизоляции, предотвращающей теплопотери, а также защитное покрытие, защищающее бак от коррозии и протечек.
Для систем, нуждающихся в особо больших накопительных емкостях, специальные баки, изготавливаются, как правило, на заказ. Обычно они делаются из нержавеющей стали, стекловолокна или высокотемпературного пластика. Альтернативой являются и баки, выполненные из бетона или дерева. Каждая разновидность баков имеет как преимущества, так и недостатки. Обладая разными размерами и весом, они могут быть идеальны в одном случае и абсолютно не подходить в другом. Иногда вместо одного большого бака более практично использовать несколько маленьких. В качестве аккумулятора можно использовать и домашние водонагреватели. Они изготавливаются с учетом строительных норм относительно применения сосудов высокого давления, являются стойкими к коррозии, а кроме того к ним несложно подсоединить трубы и арматуру.

Распределение тепла в жидкостных системах

Пассивные солнечные системы теплоснабжения.

Опыт Китайской Народной Республики

Чжао Цзиньлин, канд. техн. наук, Даляньский политехнический ун-т (КНР), стажер кафедры промышленных теплоэнергетических систем,

А. Я. Шелгинский, доктор техн. наук, проф., науч. руководитель, МЭИ (ТУ), Москва

Особое значение при проектировании олимпийских объектов в Сочи имеет использование экологически чистых возобновляемых источников энергии и в первую очередь энергии солнечной радиации. В связи с этим будет интересен опыт разработки и внедрения пассивных солнечных систем теплоснабжения в жилых и общественных зданиях в провинции Ляонин (Китай), поскольку географическое расположение и климатические условия данной части Китая сопоставимы с аналогичными характеристиками Сочи.

Применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для систем теплоснабжения является актуальным и весьма перспективным в настоящее время при условии грамотного подхода к данному вопросу, т. к. традиционные источники энергии (нефть, газ и т. п.) не безграничны. В связи с этим многие страны, включая КНР, переходят на использование экологически чистых возобновляемых источников энергии, одним из которых является теплота солнечного излучения.

Возможность эффективного использования теплоты солнечного излучения в Китайской Народной Республике зависит от региона, поскольку климатические условия в разных частях страны сильно отличаются: от умеренного континентального (запад и север) с жарким летом и суровой зимой, субтропического в центральных районах страны до тропического муссонного на южном побережье и островах, обуславливается географическим местонахождением территории, на которой находится объект (таблица).

В провинции Ляонин интенсивность солнечной радиации составляет от 5 000 до 5 850 МДж/м 2 в год (в Сочи – около 5 000 МДж/м 2 в год), что позволяет активно применять системы отопления и охлаждения зданий на основе использования энергии солнечной радиации. Такие системы, преобразующие теплоту солнечного излучения и наружного воздуха, можно разделить на активные и пассивные.

В пассивных системах солнечного теплоснабжения (ПССТ) используется естественная циркуляция нагретого воздуха (рис. 1), т. е. гравитационные силы.

В активных системах солнечного теплоснабжения (рис. 2) задействованы дополнительные источники энергии для обеспечения ее работы (например, электроэнергия). Теплота солнечного излучения поступает на солнечные коллекторы, где частично аккумулируется и передается промежуточному теплоносителю, который насосами транспортируется и распределяется по помещениям.

Пассивные солнечные системы теплоснабжения

Пример активной солнечной системы теплоснабжения

1 – солнечный коллектор;

Возможны системы с нулевым потреблением теплоты и холода, где соответствующие параметры воздуха в помещениях обеспечиваются без дополнительных энергозатрат за счет:

• необходимой тепловой изоляции;
• выбора конструкционных материалов здания с соответствующими теплохладоаккумулирующими свойствами;
• использования в системе дополнительных теплохладоаккумуляторов с соответствующими характеристиками.

На рис. 3 представлена усовершенствованная схема работы пассивной системы теплоснабжения здания c элементами (шторы, клапаны), позволяющими более точно регулировать температуру воздуха внутри помещения. На южной стороне здания устанавливается так называемая стена Тромба, которая состоит из массивной стены (бетонной, кирпичной или каменной) и стеклянной перегородки, устанавливаемой на небольшом расстоянии от стены с внешней стороны. Наружная поверхность массивной стены окрашена в темный цвет. Через стеклянную перегородку нагревается массивная стена и воздух, находящийся между стеклянной перегородкой и массивной стеной. Нагретая массивная стена за счет излучения и конвективного теплообмена передает накопленную теплоту в помещение. Таким образом, в этой конструкции совмещаются функции коллектора и аккумулятора теплоты.

Схемы работы усовершенствованной пассивной солнечной системы теплоснабжения: а, б – зимой; в, г – летом

2– верхний клапан;

3– стеклянная перегородка;

5 – массивная стена;

6 – нижний клапан

Воздух, находящийся в прослойке между стеклянной перегородкой и стеной, в холодный период времени и в солнечный день используется в качестве теплоносителя для подачи теплоты в помещение. Для предотвращения теплооттоков в окружающую среду в холодный период времени в ночное время и избыточных теплопритоков в солнечные дни теплого периода времени используются шторы, которые значительно сокращают теплообмен между массивной стеной и внешней окружающей средой.

Шторы выполняются из нетканых материалов с серебристым покрытием. Для обеспечения необходимой циркуляции воздуха используются воздушные клапаны, которые расположены в верхней и нижней частях массивной стены. Автоматическое управление работой воздушных клапанов позволяет поддерживать необходимые теплопритоки или теплооттоки в обслуживаемом помещении.

Система пассивного солнечного теплоснабжения работает следующим образом:

1. В холодный период времени (отопление):

• солнечный день – штора поднята, клапаны открыты (рис. 3а). Это приводит к нагреву массивной стены через стеклянную перегородку и нагреву воздуха, находящегося в прослойке между стеклянной перегородкой и стеной. Теплота поступает в помещение от нагретой стены и нагретого в прослойке воздуха, циркулирующего через прослойку и помещение под воздействием гравитационных сил, вызванных разностью плотностей воздуха при разных температурах (естественная циркуляция);
• ночь, вечер или пасмурный день – штора опущена, клапаны закрыты (рис. 3б). Теплооттоки во внешнюю среду значительно сокращаются. Температура в помещении поддерживается за счет поступления теплоты от массивной стены, накопившей эту теплоту от солнечного излучения;

2. В теплый период времени (охлаждение):

• солнечный день – штора опущена, нижние клапаны открыты, верхние – закрыты (рис. 3в). Штора предохраняет нагрев массивной стены от солнечного излучения. Наружный воздух поступает в помещение с затененной стороны дома и выходит через прослойку между стеклянной перегородкой и стеной в окружающую среду;
• ночь, вечер или пасмурный день – штора поднята, нижние клапаны открыты, верхние – закрыты (рис. 3г). Наружный воздух поступает в помещение с противоположной стороны дома и выходит в окружающую среду через прослойку между стеклянной перегородкой и массивной стеной. Стена охлаждается в результате конвективного теплообмена с воздухом, проходящим через прослойку, и за счет оттока теплоты излучением в окружающую среду. Охлажденная стена в дневное время поддерживает необходимый температурный режим в помещении.

Для расчета систем пассивного солнечного отопления зданий разработаны математические модели нестационарного теплопереноса при естественной конвекции для обеспечения помещений необходимыми температурными условиями в зависимости от теплофизических свойств ограждающих конструкций, суточного изменения солнечного излучения и температуры наружного воздуха [1, 2].

Для определения достоверности и уточнения полученных результатов в Даляньском политехническом университете разработана, изготовлена и исследована экспериментальная модель жилого дома, расположенного в г. Далянь, с пассивными солнечными системами отопления. Стена Тромба размещается только на южном фасаде, с автоматическими воздушными клапанами и шторами (рис. 3, фото).

При проведении эксперимента использовались:

• малая метеостанция;
• приборы для измерения интенсивности солнечной радиации;
• анемограф RHAT-301 для определения скорости воздуха в помещении;
• термометрограф TR72-S и термопары для замеров температуры в помещении.

Экспериментальные исследования проводились в теплый, переходной и холодный периоды года при различных метеорологических условиях.

Алгоритм решения поставленной задачи представлен на рис. 4.

Алгоритм решения задачи по определению эффективности работы пассивной солнечной системы теплоснабжения

Результаты эксперимента подтвердили достоверность полученных расчетных соотношений и позволили скорректировать отдельные зависимости с учетом конкретных граничных условий.

В настоящее время в провинции Ляонин находится много жилых домов и школ, в которых используются пассивные солнечные системы отопления.

Анализ пассивных солнечных систем теплоснабжения показывает, что они являются достаточно перспективными в отдельных климатических регионах в сравнении с остальными системами по следующим причинам:

• дешевизна;
• простота обслуживания;
• надежность.

К недостаткам пассивных солнечных систем отопления следует отнести то, что параметры воздуха внутри помещения могут отличаться от требуемых (расчетных) при изменении температуры наружного воздуха за пределами, принятыми в расчетах.

Для достижения хорошего энергосберегающего эффекта в системах теплохладоснабжения зданий с более точным поддержанием температурных условий в заданных пределах целесообразно комбинированное использование пассивных и активных солнечных систем теплохладоснабжения.

В связи с этим необходимы дальнейшие теоретические исследования и проведение экспериментальных работ на физических моделях с учетом ранее полученных результатов.

Литература

1. Zhao Jinling, Chen Bin, Liu Jingjun, Wang Yongxun Dynamic thermal performance simulation of an improved passive solar house with trombe wall ISES Solar word Congress, 2007, Beijing China, Vols 1-V: 2234–2237.

2. Zhao Jinling, Chen Bin, Chen Cuiying, Sun Yuanyuan Study on dynamic thermal response of the passive solar heating systems. Journal of Harbin Institute of Technology (New Series). 2007. Vol. 14: 352–355.