Солнечная энергия в системах теплоснабжения

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.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

Установки солнечного теплоснабжения, как правило, следует применять в районах, расположенных южнее 50° с. ш.

Системы солнечного теплоснабжения, предназначенные для одновременного покрытия нагрузок отопления и горячего водо­снабжения в зависимости от климатических условий, в состоянии обеспечить 25—70 % этих нагрузок.

Системы солнечного теплоснабжения разделяются на две груп­пы: пассивные, когда непосредственным приемником излучения является само здание, и активные, когда энергия улавливается и трансформируется в специальных устройствах — гелиоколлек-торах.

Рис. 3.18. Принципиальные схемы установок солнечного горячего водоснабжения а — одноконтурная гелиосистема с естественной циркуляцией; б — двухконтурная гелиосистема с принудительной циркуляцией; / — солнечный коллектор; 2 — тепло­обменник; 3 — бак-аккумулятор; 4 т— дублер нагрева воды; 5 — циркуляционный

Для пассивных систем применяют такие конструктивные реше­ния зданий, как остекление южной стены дома, массивные ограж­дающие конструкции, ограничивающие изменение температуры воздуха внутри помещений, теплоизоляционные жалюзи и т. д.

Основным элементами активной солнечной системы теплоснаб­жения являются: гелиоколлектор, преобразующий солнечную энер­гию в тепловую (в виде горячей воды), аккумулятор для регулиро­вания подачи теплоты в течение суток и создания ее запаса на ко­роткий бессолнечный период, тепловой дублер для компенсации

Рис. 3.19. Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения жилого дома 1 — солнечный коллектор; 2 — бак-аккумулятор; 3 — источник теплоты (дублер); 4 — потребитель горячего водоснабжения; 5 — системы отопления; 6 — насос; 7 — обратный клапан; 8 — расширительный бак

дефицита солнечной теплоты (автономный генератор теплоты на органическом топливе или электрокотел). Основные принципиаль­ны схемы установок солнечного горячего водоснабжения приве­дены на рис. 3.18, 3.19.

Установку солнечного горячего водоснабжения с естественной циркуляцией применяют, как правило, при площади солнечных кол­лекторов до 10 м2. Сезонные установки без дублирующего источ­ника теплоты с принудительной циркуляцией должны работать в режиме с постоянной температурой горячей воды.

В качестве теплоносителя в теплоприемном контуре двухкон-турных установок допускается применять нетоксичный и него­рючий антифриз, а также антифриз на основе этиленгликоля. При этом применяют баки-аккумуляторы с двумя независимыми тепло­обменниками или трехконтурную установку.

В летних душевых располагаемый напор надо принимать не менее 1,5 м.

Солнечные коллекторы, размещаемые на кровле зданий, дол­жны располагаться на опорах.

Оптимальной ориентацией солнечных коллекторов считается юг с возможными отклонениями на восток до 20°, на запад — до 30°.

Угол наклона солнечных коллекторов к горизонту следует прини­мать для установки, работающей круглый год, равным широте мест­ности; в летний период — широте местности минус 15°; в отопитель­ный период — широте местности плюс 15°.

При прокладке трубопроводов от установок солнечного горя­чего водоснабжения уклон принимают не менее 0,01 для установок с естественной циркуляцией теплоносителя и 0,002 для установок с насосной циркуляцией теплоносителя. Уклоны труб — подводок к солнечным коллекторам — следует принимать равными 5—10 мм на всю длину подводки.

Солнечные коллекторы серийно выпускаются ПО «Сибтепло-маш» (г. Братск).

Солнечный коллектор предназначен для преобразования сол­нечной энергии в тепловую путем нагрева в нем теплоносителя. Может применяться в различных гелиоустановках для горячего водоснабжения и отопления зданий.

Максимальная температура нагрева теплоносителя, °С

Рабочее давление, МПа .

Вместимость поглощающей панели, л

Площадь поверхности поглощения, м2

Солнечный коллектор представляет собой плоский застеклен­ный ящик, внутри которого на слой теплоизоляции положен метал­лический лист с закрепленным к нему коллектором из водогазо-проводных труб. Коллектор подсоединяют к баку-аккумулятору, через который циркулирует нагретая в коллекторе вода.

В качестве пластины солнечного коллектора можно использо­вать стандартные стальные панельные радиаторы, поглощающую поверхность которого покрывают черной матовой краской. Для бака-аккумулятора могут быть применены теплообменники емкост­ных водонагревателей заводского изготовления.

При укрупненных расчетах выработку теплоты за счет солнеч­ного излучения в перерасчете на 1 м2 площади поверхности солнеч­ного коллектора усредненно допускается принимать равной: для IV климатического района 1,7—2,5 ГДж/год (0,4—0,6 Гкал/год), для III климатического района 1,3—1,7 ГДж/год (0,3—0,4 Гкал/год).

Эффект от применения систем солнечного теплоснабжения про­является в экономии органического топлива, уменьшении трудо­затрат на эксплуатацию источников теплоты, а также в сокращении ущерба от загрязнения окружающей среды.

Газоснабжение населенных пунктов может осуществляться от централизованных систем при наличии природного газа или от децентрализованных — при использовании сжиженного газа.

Разрешение на газификацию жилых домов выдают эксплуата­ционные организации (тресты газового хозяйства) по заявлению владельца и при наличии действующих или строящихся газопрово­дов вблизи владений. В случае отсутствия на проездах действующих или строящихся газопроводов владельцам домов могут быть выданы разрешения при согласии граждан осуществить за свой счет строи­тельство уличных газопроводов и газорегуляторных пунктов.

Для получения разрешения на газификацию необходимо заяв­ление от владельца дома или от коллектива домрвладельцев. При получении разрешения для коллектива граждан представляется выкопировка из плана населенного пункта или ситуационный план района, подлежащего газификации.

Для оформления заказа на выполнение проектных работ необ­ходимо: заявление от владельца дома или от уполномоченного кол­лектива, действующего на основании доверенности, оформленной надлежащим образом; разрешение эксплуатационного треста на газификацию; поэтажные планы дома в М 1:100 или 1:200 и планы земельных участков в М 1:500 в двух экземплярах, заверенные инвентаризационно-техническим бюро; акт от добровольного по­жарного общества о состоянии газоходов в двух экземплярах.

При газификации сжиженным газом от газобаллонных устано­вок изготавливаются эскизы, представляющие собой поэтажные планЪ1 домов в М 1:100 или 1:200 с указанием на них расположения баллона (шкафа), плиты и газопровода.

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:

Солнечные тепловые коллекторы

Для чего используются тепловые солнечные коллекторы? Где можно их использовать — сферы применения, варианты применения, плюсы и минусы коллекторов, технические характеристики, эффективность. Можно ли сделать самому и насколько это оправдано. Схемы применения и перспективы.

Назначение

Устройство

Коллекторы состоят из трех основных частей:

Панели представлены в виде трубчатого радиатора, помещенного в короб с наружной стенкой из стекла. Их необходимо располагать на любом хорошо освещенном месте. В радиатор панели поступает жидкость, которая затем нагревается и передвигается в аванкамеру, где холодная вода замещается горячей, что создает постоянное динамическое давление в системе. При этом холодная жидкость поступает в радиатор, а горячая в накопительный бак.

Стандартные панели легко приспособить к любым условиям. При помощи специальных монтажных профилей их можно устанавливать параллельно друг другу в ряд в неограниченном количестве. В алюминиевых монтажных профилях просверливают отверстия и крепят к панелям снизу на болты или заклепки. После завершения работы панели солнечных абсорберов вместе с монтажными профилями представляют собой единую жесткую конструкцию.

Система солнечного теплоснабжения делится на две группы: с воздушным и с жидкостным теплоносителем. Коллекторы улавливают и поглощают излучение, и, совершая преобразование ее в тепловую энергию, передают в накопительный элемент, из которой тепло распределяется по помещению. Любая из систем может дополняться вспомогательным оборудованием (циркуляционный насос, датчики давления, предохранительные клапаны).

Принцип работы

В дневное время тепловое излучение передается теплоносителю (вода или антифриз), циркулирующему через коллектор. Нагретый теплоноситель передает энергию в бак водонагревателя, расположенного выше его и собирающего воду для горячего водоснабжения. В простой версии циркуляция воды осуществляется естественным образом благодаря разности плотности горячей и холодной воды в контуре, а для того, чтобы циркуляция не прекращалась, используется специальный насос. Циркуляционный насос предназначен для активной прокачки жидкости по конструкции.

В усложненном варианте коллектор включен в отдельный контур, наполненный водой или антифризом. Насос помогает им начать циркулировать, передавая при этом сохраненную солнечную энергию в теплоизолированный бак-аккумулятор, который позволяет запасать тепло и брать его в случае необходимости. Если энергии недостаточно, предусмотренный в конструкции бака электрический или газовый нагреватель, автоматически включается и поддерживает необходимую температуру.

Тем, кто хочет, чтобы в его доме была система солнечного теплоснабжения, для начала следует определиться с наиболее подходящим типом коллектора.

Коллектор плоского типа

Представлен в виде коробки, закрытой закаленным стеклом, и имеющий особый слой, поглощающий солнечное тепло. Этот слой соединен с трубками, по которым ведется циркуляция теплоносителя. Чем больше энергии он будет получать, тем выше его эффективность. Уменьшение тепловых потерь в самой панели и обеспечение наибольшего поглощения тепла на пластинах абсорбера позволяет обеспечить максимальный сбор энергии. При отсутствии застоя плоские коллекторы способны нагреть воду до 200 °C. Они предназначены для подогрева воды в бассейнах, бытовых нужд и отопления дома.

Коллектор вакуумного типа

Представляет собой стеклянные батареи (ряд полых трубок). Наружная батарея имеет прозрачную поверхность, а внутренняя батарея покрыта специальным слоем, который улавливает излучение. Вакуумная прослойка между внутренними и внешними батареями помогает сохранить около 90% поглощаемой энергии. Проводниками тепла являются специальные трубки. При нагревании панели происходит преобразование жидкости, находящейся в нижней части батареи в пар, который поднимаясь, предает тепло в коллектор. Этот тип системы имеет больший КПД по сравнению с коллекторами плоского типа, так как его можно использовать при низких температурах и в условиях плохой освещенности. Вакуумная солнечная батарея позволяет нагреть температуру теплоносителя до 300 °C, при использовании многослойного стеклянного покрытия и создании в коллекторах вакуума.

Тепловой насос

Системы солнечного теплоснабжения наиболее эффективно работают с таким устройством, как тепловой насос. Предназначен для сбора энергии из окружающей среды вне зависимости от погодных условий и может устанавливаться внутри дома. В качестве источника энергии здесь могут выступать вода, воздух либо грунт. Тепловой насос может работать, используя лишь солнечные коллекторы, если достаточно солнечной электроэнергии. При использовании комбинированной системы «тепловой насос и солнечный коллектор», не имеет значения тип коллектора, однако наиболее подходящим вариантом будет солнечная вакуумная батарея.

Что лучше

Система солнечного теплоснабжения может устанавливаться на крышах любого вида. Более прочными и надежными считаются плоские коллекторы, в отличие от вакуумных, конструкция которых более хрупкая. Однако при повреждении плоского коллектора придется заменить всю абсорбирующую систему, тогда как у вакуумного замене подлежит лишь поврежденная батарея.

Эффективность вакуумного коллектора гораздо выше, чем плоского. Их можно использовать в зимнее время и они производят больше энергии в пасмурную погоду. Достаточно большое распространение получил тепловой насос, несмотря на свою высокую стоимость. Показатель выработки энергии у вакуумных коллекторов зависит от величины трубок. В норме размеры трубок должны составлять в диаметре 58 мм при длине от 1,2-2,1 метра. Достаточно сложно установить коллектор своими руками. Однако обладание определенными знаниями, а также следование подробным инструкциям по монтажу и выбору места системы, указанными при покупке оборудования существенно упростит задачу и поможет принести в дом солнечное теплоснабжение.