Солнечное отопление частного дома своими руками. Современные системы солнечного теплоснабжения Классификация систем солнечного теплоснабжения


Солнечное отопление частного дома своими руками. Современные системы солнечного теплоснабжения Классификация систем солнечного теплоснабжения

Селективные покрытия

По типу механизма, ответственного за избирательность оптических свойств, различают четыре группы селективных покрытий:

1) собственные;

2) двухслойные, у которых верхний слой обладает большим коэффициентом поглощения в видимой области и малым в ИК-области, а нижний слой – высоким коэффициентом отражения в ИК-области;

3) с микрорельефом, обеспечивающим требуемый эффект;

4) интерференционные.

Собственной избирательностью оптических свойств обладает небольшое число известных материалов, например W, Cu 2 S, HfC.

Интерференционные селективные поверхности образованы несколькими перемежающимися слоями металла и диэлектрика, в которых коротковолновое излучение гасится за счет интерференции, а длинноволновое – свободно отражается.

Классификация и основные элементы гелиосистем

Системами солнечного отопления называются системы, использующие в качестве теплоисточника энергию солнечной радиации. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента – гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию.

По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.

Пассивными
называются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т. п. (рис. 4.1.1)).

Активными
называются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию. Активные гелиосистемы могут быть подразделены:

По назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);

По виду используемого теплоносителя (жидкостные – вода, антифриз и воздушные);

По продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);

По техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).

Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции.

Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительный источник теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации.

Гелиосистемы отопления зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров могут быть применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре – водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах – вода, а в контуре потребителя – воздух).

Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целей теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты.

Основными элементами активной солнечной системы является гелиоприемник, аккумулятор теплоты, дополнительный источник или трансформатор теплоты (тепловой насос), ее потребитель (системы отопления и горячего водоснабжения зданий). Выбор и компоновка элементов в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.

1. Солнечные коллекторы.

Солнечный коллектор является основным элементом установки, в которой энергия излучения Солнца преобразуется в другую форму полезной энергии. В отличие от обычных теплообменников, в которых происходит интенсивная передача тепла от одной жидкости к другой, а излучение несущественно, в солнечном коллекторе перенос энергии к жидкости осуществляется от удаленного источника лучистой энергии. Без концентрации солнечных лучей плотность потока падающего излучения составляет в лучшем случае -1100 Вт/м 2 и является переменной величиной. Длины волн заключены в интервале 0,3 — 3,0 мкм. Они значительно меньше величин длин волн собственного излучения большинства поверхностей, поглощающих излучение. Таким образом, исследование солнечных коллекторов связано с уникальными проблемами теплообмена при низких и переменных плотностях потока энергии и относительно большой роли излучения.

Солнечные коллекторы могут применяться как с концентрацией, так и без концентрации солнечного излучения. В плоских коллекторах поверхность, воспринимающая солнечное излучение, является одновременно поверхностью, поглощающей излучение. Фокусирующие коллекторы, обычно имеющие вогнутые отражатели, концентрируют падающее на всю их поверхность излучение на теплообменник с меньшей площадью поверхности, увеличивая тем самым плотность потока энергии.

1.1. Плоские солнечные коллекторы.
Плоский солнечный коллектор представляет собой теплообменник, предназначенный для нагрева жидкости или газа за счет энергии излучения Солнца.

Плоские коллекторы могут применяться для нагрева теплоносителя до умеренных температур, t ≈ 100 o C. К их преимуществам следует отнести возможность использования как прямой, так и рассеянной солнечной радиации; они не требуют слежения за солнцем и не нуждаются в повседневном обслуживании. В конструктивном отношении они проще, чем система, состоящая из концентрирующих отражателей, поглощающих поверхностей и механизмов слежения. Область применения солнечных коллекторов — системы отопления жилых и производственных зданий, системы кондиционирования, горячего водоснабжения, а также энергетические установки с низкокипящим рабочим телом, работающие обычно по циклу Ренкина.

Основными элементами типичного плоского солнечного коллектора (рис.1) являются: «черная» поверхность, которая поглощает солнечную радиацию и передает ее энергию теплоносителю (как правило жидкости); прозрачные относительно солнечного излучения покрытия, расположенные над поглощающей поверхностью, которые уменьшают конвективные и радиационные потери в атмосферу; теплоизоляция обратной и торцевой поверхностей коллектора для снижения потерь за счет теплопроводности.

Рис.1. Принципиальная схема плоского солнечного коллектора.

а)
1 — прозрачные покрытия; 2 — изоляция; 3 — труба с теплоносителем; 4 — поглощающая поверхность;

б)
1.поверхность, поглощающая солнечную радиацию, 2-каналы теплоносителя, 3-стекло(??), 4-корпус,

5- тепловая изоляция.

Рис.2 Солнечный коллектор типа лист — труба.

1 — верхний гидравлический коллектор; 2 — нижний гидравлический коллектор; 3 — п труб, расположенных на расстоянии W друг от дру­га; 4 — лист (поглощающая пластина); 5- соединение; 6 — труба (не в масштабе);

7 — изоляция.

1.2. Эффективность коллектора
. Эффективность коллектора определяется его оптическим и тепловым КПД. Оптический КПД η о показывает, какая часть солнечной радиации, достигшая поверхности остекления коллектора, оказывается поглощенной абсорбирующей черной поверхностью, и учитывает потери энергии, связанные с отличием от единицы коэффициента пропускания стекла и коэффициента поглощения абсорбирующей поверхности. Для коллектора с однослойным остеклением

где (τα) n — произведение коэффициента пропускания стекла τ на коэффициент поглощения α абсорбирующий излучение поверхности при нормальном падении
солнечных лучей.

В том случае, если угол падения лучей отличается от прямого, вводится поправочный коэффициент k, учитывающий увеличение потерь на отражение от стекла и поверхности, поглощающей солнечную радиацию. На рис. 3 приведены графики k = f(1/ cos 0 — 1) для коллекторов с однослойным и двухслойным остеклением. Оптический КПД с учетом угла падения лучей, отличного от прямого,

Рис. 3. Поправочный коэффициент, учитывающий отражение солнечных лучей от поверхности стекла и черной абсорбирующей поверхности.

Кроме этих потерь в коллекторе любой конструкции присутствуют потери теплоты в окружающую среду Q пот, которые учитываются тепловым КПД, который равен отношению количества полезной теплоты, отведенной от коллектора за определенное время, к количеству энергии излучения, поступающей к нему от Солнца за то же время:

где Ω площадь апертуры коллектора; І — плотность потока солнечной радиации.

Оптический и тепловой КПД коллектора связаны отношением

Тепловые потери характеризуются полным коэффициентом потерь U

где Т а — температура черной поверхности, абсорбирующей солнечную радиацию; Т о -температура окружающей среды.

Величина U с достаточной для расчетов точностью может считаться постоянной. В этом случае подстановка Q пот в формулу для теплового кпд приводит к уравнению

Тепловой КПД коллектора может быть записан также через среднюю температуру протекающего через него теплоносителя:

где T t = (Т вх + Т вых) /2 — средняя температура теплоносителя; F» — параметр, обычно называемый «эффективностью коллектора» и характеризующий эффективность переноса теплоты от поверхности, поглощающей солнечную радиацию, к теплоносителю; он зависит от конструкции коллектора и почти не зависит от других факторов; типичные значения параметра F»≈: 0,8-0,9 — для плоских воздушных коллекторов; 0,9-0,95 — для плоских жидкостных коллекторов; 0,95-1,0 — для вакуумных коллекторов.

1.3. Вакуумные коллекторы.
В том случае, когда необходим нагрев до более высоких температур, используют вакуумные коллекторы. В вакуумном коллекторе объем, в котором находится черная поверхность, поглощающая солнечную радиацию, отделен от окружающей среды вакуумированным пространством, что позволяет значительно уменьшить поте­ри теплоты в окружающую среду за счет теплопроводности и конвекции. Потери на излучение в значительной степени подавляются путем применения селективного покрытия. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до более высоких температур (120-150 °С), чем в плоском коллекторе. На рис. 9.10 показаны примеры конструктивного выполнения вакуумных коллекторов.

Рис. 4. Типы вакуумных коллекторов.

1 — трубка с теплоносителем; 2 — пластина с селективным покрытием, поглощающая солнечное излучение; 3 тепловая труба; 4 теплосъемный элемент; 5 стеклянная трубка с селективным покрытием; б — внутренняя трубка для подачи теплоносителя; 7 наружный стеклянный баллон; 8 вакуум


С ростом цен на энергоносители все актуальнее становится использование альтернативных источников энергии. А так как отопление у многих основная статья расходов, то об отоплении речь в первую очередь: платить приходится практически круглый год и немалые суммы. При желании сэкономить, первым на ум приходит солнечное тепло: мощный и совершенно бесплатный источник энергии. И использовать его вполне реально. Причем оборудование стоит хоть и дорого, но в разы дешевле, чем тепловые насосы. О том, как может быть использована энергия солнца для отопления дома, поговорим подробнее.

Отопление от солнца: за и против

Если говорить об использовании солнечной энергии для отопления, то нужно иметь в виду, что существуют два разных устройства для преобразования солнечной энергии:

Оба варианта имеют свои особенности. Хотя сразу нужно сказать, какой бы из их вы ни выбрали, не спешите отказываться от той системы отопления, которая у вас есть. Солнце встает, конечно, каждое утро, но вот не всегда на ваши солнечные элементы будет попадать достаточно света. Самое разумное решение — сделать комбинированную систему. Когда энергии солнца достаточно, второй источник тепла работать не будет. Этим вы и обезопасите себя, и жить будете в комфортных условиях, и сэкономите.

Если желания или возможности ставить две системы нет, ваше солнечное отопление должно иметь, как минимум, двукратный запас по мощности. Тогда точно можно сказать, что тепло у вас будет в любом случае.

Достоинства использования солнечной энергии для отопления:

Недостатки:

  • Зависимость количества поступающего тепла от погоды и региона.
  • Для гарантированного отопления потребуется система, которая может работать параллельно с гелиосистемой отопления. Многие производители отопительного оборудования предусматривают такую возможность. В частности европейские производители настенных газовых котлов предусматривают совместную работу с солнечным отоплением (например, котлы Baxi). Даже если у вас установлено оборудование, у которого такой возможности нет, можно согласовать работу отопительной системы при помощи контролера.
  • Солидные финансовые вложения на стартовом.
  • Периодичное обслуживание: трубки и панели нужно очищать от налипшего мусора и мыть от пыли.
  • Некоторые из жидкостных солнечных коллекторов не могут работать при очень низких температурах. В преддверии сильных морозов жидкость приходится сливать. Но это касается не всех моделей и не всех жидкостей.

Теперь рассмотрим подробнее каждый из типов солнечных нагревательных элементов.

Солнечные коллекторы

Для солнечного отопления используют именно гелиоколлекторы. Эти установки при помощи тепла солнца нагревают жидкость-теплоноситель, которую потом можно использовать в системе водяного отопления. Специфика в том, что солнечный водонагреватель для отопления дома выдает только температуру 45-60 о С, а самую высокую эффективность показывает при 35 о С на выходе. Потому рекомендованы такие системы для использования в паре с теплыми водяными полами. Если отказываться от радиаторов вам не хочется, или увеличивайте количество секций (раза в два примерно) или подогревайте теплоноситель.

Для обеспечения дома теплой водой и для водяного отопления можно использовать солнечные коллекторы (плоские и трубчатые)

Теперь о видах солнечных коллекторов. Конструктивно есть две модификации:

  • плоские;
  • трубчатые.

В каждой из групп есть вариации и по материалам, и по конструкции, но принцип действия у них один: по трубкам бежит теплоноситель, который нагревается от солнца. Вот только конструкции абсолютно разные.

Плоские солнечные коллекторы

Эти гелиоустановки для отопления имеют простую конструкцию и потому именно их можно при желании изготовить своими руками. На металлической раме закреплено прочное дно. Сверху уложен слой теплоизоляции. Изолируются для уменьшения потерь и стенки корпуса. Затем идет слой адсорбера — материала, который хорошо поглощает солнечное излучение, превращая его в тепло. Этот слой обычно имеет черный цвет. На адсорбере закреплены трубы, по которым течет теплоноситель. Сверху вся эта конструкция закрывается прозрачной крышкой. Материалом для крышки может быть закаленное стекло или один из пластиков (чаще всего это поликарбонат). В некоторых моделях светопропускающий материал крышки может проходить специальную обработку: для уменьшения отражающей способности его делают не гладким, а чуть матовым.

Трубы в плоском солнечном коллекторе обычно уложены змейкой, имеется два отверстия — впускное и выпускное. Может быть реализовано однотрубное и двухтрубное подключение. Это кому как нравится. Но для нормального теплообмена необходим насос. Возможна и самотечная система, но она будет очень неэффективной из-за небольшой скорости движения теплоносителя. Именно этого типа солнечный коллектор и используют для отопления, хотя с его помощью можно эффективно греть воду для ГВС.

Есть вариант самотечного коллектора, но его применяют в основном для подогрева воды. Называют такую конструкцию еще пластиковым солнечным коллектором. Это две пластины из прозрачного пластика, герметично закрепленные на корпусе. Внутри устроен лабиринт для продвижения воды. Иногда нижняя панель бывает окрашена в черный цвет. Имеется два отверстия — впускное и выпускное. Вода подается внутрь, по мере продвижения по лабиринту греется солнцем, и выходит уже теплой. Такая схема хорошо работает с резервуаром для воды и легко нагревает воду для ГВС. Это современная замена обычной бочке, установленной на летнем душе. Причем более эффективная замена.

Насколько эффективны солнечные коллекторы? Среди всех бытовых гелиоустановок на сегодня они показывают лучшие результаты: их КПД 72-75%. Но не все так хорошо:

  • они не работают ночью и плохо работают в пасмурную погоду;
  • большие потери тепла, особенно при ветре;
  • низкая ремонтопригодность: если что-то выходит из строя, то менять нужно значительную часть, или всю панель полностью.

Тем не менее, часто отопление частного дома от солнца делают именно при помощи этих гелиоустановок. Такие установки популярны в южных странах с активным излучением и положительными температурами в зимний период. Для наших зим они не подходят, но в летний сезон показывают хорошие результаты.

Воздушный коллектор

Эта установка может быть использована для воздушного отопления дома. Конструктивно она очень напоминает описанный выше пластиковый коллектор, но циркулирует и нагревается в нем воздух. Такие устройства навешиваются на стены. Действовать они могут двумя способами: если воздушный гелионагреватель герметичен, воздух забирается из помещения, нагревается и возвращается в то же помещение.

Есть другой вариант. В нем обогрев совмещен с вентиляцией. В наружном корпусе воздушного коллектора имеются отверстия. Через них внутрь конструкции поступает холодный воздух. Проходя через лабиринт, от солнечных лучей он нагревается, а затем подогретым попадает в помещение.

Такое отопление дома будет более-менее эффективным, если установка будет занимать всю южную стену, и при этом тени на этой стене не будет.

Трубчатые коллекторы

Тут тоже циркулирует теплоноситель по трубам, но каждая из таких теплообменных труб вставлена в стеклянную колбу. Все они соединяются в манифолде (manifold), который, по сути, является гребенкой.

Схема трубчатого коллектора (кликните для увеличения размера картинки)

Трубчатые коллекторы имеют два типа трубок: коаксиальные и перьевые. Коаксиальные — труба в трубе — вложены одна в другую и их края запаяны. Внутри между двумя стенками создается разреженная безвоздушная среда. Потому такие трубки называют еще вакуумными. Перьевые трубки — это обычная трубка, запаянная с одной стороны. А перьевыми их называют потому, что для повышения теплоотдачи в них вставляется пластина адсорберная, которая имеет изогнутые края и чем-то напоминает перо.

Кроме того в разные корпуса могут быть вставлены теплообменники разного типа. Первые — это тепловые каналы Heat-pipe (Хит пайп). Это целая система преобразования солнечного света в тепловую энергию. Heat-pipe — это полая медная трубка небольшого диаметра, запаянная на одном конце. На втором находится массивный наконечник. В трубку залито вещество с низкой температурой кипения. При нагревании вещество начинает кипеть, часть его переходит в газообразное состояние и поднимается по трубке вверх. По пути от нагретых стенок трубки оно все больше нагревается. Попадает в верхнюю часть, где находится некоторое время. За это время часть тепла газ передает массивному наконечнику, постепенно охлаждается, конденсируется и оседает вниз, где процесс снова повторяется.

Второй способ — U-type — это традиционная трубка, заполненная теплоносителем. Тут никаких новостей или сюрпризов. Все как обычно: с одной стороны входит теплоноситель, проходя по трубке, нагревается от солнечного света. Несмотря на свою простоту этот вид теплообменников эффективнее. Но используется он реже. А все потому, что солнечные водонагреватели такого типа составляют собой единое целое. При повреждении одной трубки приходится менять вся секцию.

Трубчатые коллекторы с системой Heat-pipe стоят дороже, показывают меньшую эффективность, но используются чаще. А все потому, что поврежденную трубку поменять можно за пару минут. Причем, если колба использована коаксиальная, то трубка тоже может быть отремонтирована. Просто она разбирается (снимается верхняя заглушка) и поврежденный элемент (тепловой канал или сама колба) заменяется на исправный. Затем трубка вставляется на место.

Какой коллектор лучше для отопления

Для южных регионов с мягкой зимой и большим количеством солнечных дней в году лучший вариант — плоский коллектор. При таком климате он показывает высшую продуктивность.

Для регионов с более суровым климатом подходят трубчатые коллекторы. Причем для суровых зим больше подходят именно системы с Heat-pipe: они греют даже ночью и даже в пасмурную погоду, собирая большую часть спектра солнечного излучения. Они не боятся низких температур, но точный диапазон температур нужно уточнять: он зависит от вещества, находящегося в тепловом канале.

Эти системы при грамотном расчете могут быть основными, но чаще они просто экономят затраты на отопление от другого, платного источника энергии.

Еще одним вспомогательным отоплением может быть воздушный коллектор. Его можно сделать во всю стену, причем он легко реализуется своими руками. Он отлично подойдет для отопления гаража или дачи. Причем проблемы с недостаточным нагревом могут возникнуть не зимой, как вы ожидаете, а осенью. При морозе и снеге энергии солнца в разы больше, чем в пасмурную дождливую погоду.

Солнечные батареи

Слыша слова «солнечная энергетика» мы в первую очередь думаем именно о батареях, которые преобразуют свет в электричество. И делают это специальные фотоэлектрические преобразователи. Они выпускаются промышленностью из разных полупроводников. Чаще всего для бытового использования мы применяем кремниевые фотоэлементы. Они имеют самую низкую цену и показывают достаточно приличную производительность: 20-25%.

Солнечные батареи для частного дома в некоторых странах — обычное явление

Напрямую использовать солнечные батареи для отопления можно лишь в том случае, если котел или другой отопительный прибор на электричестве вы подключите к этому источнику тока. Также солнечные панели в совокупности с электро-аккумуляторами можно интегрировать в систему снабжения дома электричеством и таким образом уменьшать приходящие ежемесячно счета за использованную электроэнергию. В принципе, вполне реально полностью обеспечить потребности семьи от этих установок. Просто средств и площадей потребуется много. В среднем с квадратного метра панели можно получить 120-150Вт. Вот и считайте, сколько квадратов кровли или придомовой территории должно быть занято такими панелями.

Особенности отопления солнечным теплом

Целесообразность устройства системы солнечного отопления у многих вызывает сомнения. Основной довод — это дорого и никогда себя не окупит. С тем, что это дорого, приходится согласиться: цены на оборудование немаленькие. Но никто не мешает вам начать с малого. Например, для оценки эффективности и практичности идеи сделать подобную установку самому. Затрат минимум, а представление будете иметь из первых рук. Потом уже будете решать стоит со всем этим связываться или нет. Вот только в чем дело: все негативные сообщения от теоретиков. От практиков не встречалось ни одного. Идет активное выяснение способов улучшения, переделок, но никто не сказал, что затея бесполезна. Это о чем-то говорит.

Теперь о том, что установка системы солнечного отопления никогда не окупится. Пока срок окупае

мости в нашей стране большой. Он сравним со сроком эксплуатации солнечных коллекторов или батарей. Но если посмотреть динамику роста цен на все энергоносители, то можно предположить, что вскоре он сократится до вполне приемлемых сроков.

Теперь собственно о том, как сделать систему. Прежде всего, нужно определить потребность вашего дома и семи в тепле и горячей воде. Общая методика расчета системы солнечного отопления следующая:

  • Зная, в каком регионе находится дом, вы можете узнать, сколько солнечного света приходится на 1м 2 площади в каждом месяце года. Специалисты это называют инсоляцией. Исходя из этих данных, вы затем сможете прикинуть, сколько солнечных панелей вам необходимо. Но сначала нужно определить, сколько тепла понадобится на подготовку ГВС и отопление.
  • Если счетчик горячей воды у вас есть, то вы знаете объемы горячей воды, которые вы тратите ежемесячно. Выведите средние данные расхода за месяц или считайте по максимальному расходу — это кто как хочет. Также у вас должны иметься данные о тепловых потерях дома.
  • Присмотрите солнечные нагреватели, которые хотели бы поставить. Имея данные по их производительности, вы сможете примерно определить количество элементов, необходимое на покрытие ваших потребностей.

Кроме определения количества составляющих гелиосистемы, понадобится определить объем бака, в котором будет накапливаться горячая вода для ГВС. Это легко можно сделать, зная фактический расход вашей семьи. Если у вас установлен счетчик на ГВС, и вы имеете данные за несколько лет, можно вывести среднюю норму потребления в день (средний расход в месяц поделить на количество дней). Вот примерно такой объем бака вам нужен. Но бак нужно брать с запасом в 20% или около того. На всякий случай.

Если ГВС или счетчика нет, можно воспользоваться нормами потребления. Один человек в сутки в среднем расходует 100-150 литров воды. Зная, сколько человек постоянно проживают в доме, вы рассчитаете требуемый объем бака: норма умножается на количество жильцов.

Сразу нужно сказать, что рациональной (с точки зрения окупаемости) для средней полосы России является система солнечного отопления, которая покрывает порядка 30% потребности в тепле и полностью снабжает горячей водой. Это усредненный результат: в какие-то месяцы отопление будет на 70-80% обеспечиваться гелиосистемой, а в какие-то (декабрь-январь) всего на 10%. И снова-таки многое зависит от типа солнечных батарей и от региона проживания.

Причем дело не только в «севернее» или «южнее». Дело в количестве солнечных дней. Например, на очень холодной Чукотке солнечное отопление будет очень эффективным: там почти всегда светит солнце. В гораздо более мягком климате Англии, с вечными туманами, его эффективность крайне низка.
;

Итоги

Несмотря на множество критиков, которые говорят о неэффективности солнечной энергетики и слишком большом сроке окупаемости, все больше людей хоть частично переходят на альтернативные источники. Кроме экономии многих привлекает независимость от государства и его ценовой политики. Чтобы не жалеть о напрасно вложенных суммах, можно сначала провести эксперимент: изготовить одну из солнечных установок своими руками и решить для себя насколько это вас привлекает (или нет).

На базе использования гелиоустановок могут быть решены задачи отопления,
охлаждения и горячего водоснабжения жилых, административных зданий, промышленных
и сельскохозяйственных объектов. Гелиоустановки имеют следующую классификацию:

  • по назначению: системы горячего водоснабжения; системы отопления;
    комбинированные установки для целей теплохладоснабжения;
  • по виду используемого
    теплоносителя: жидкостные; воздушные;
  • по продолжительности работы:
    круглогодичные; сезонные;
  • по техническому решению схемы: одноконтурные; двухконтурные; многоконтурные.

Наиболее часто применяемыми теплоносителями в системах солнечного теплоснабжения
являются жидкости (вода, раствор этиленгликоля, органические вещества) и воздух.
Каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки. Воздух не
замерзает, не создает больших проблем, связанных с утечками и коррозией
оборудования. Однако из-за низкой плотности и теплоемкости воздуха размеры
воздушных установок, расходы мощности на перекачку теплоносителя выше, чем у
жидкостных систем. Поэтому в большинстве эксплуатируемых систем солнечного
теплоснабжения предпочтение отдается жидкостям. Для жилищно-коммунальных нужд
основной теплоноситель — вода.

При работе солнечных коллекторов в периоды с отрицательной температурой
наружного воздуха необходимо либо использовать в качестве теплоносителя
антифриз, либо каким-то способом избегать замерзания теплоносителя (например,
своевременным сливом воды, нагревом ее, утеплением солнечного коллектора).

Гелиоустановками горячего водоснабжения круглогодичного действия с дублирующим
источником теплоты могут быть оборудованы дома сельского типа, многоэтажные и
многоквартирные дома, санатории, больницы и другие объекты. Сезонные установки,
такие как, например, душевые установки для пионерских лагерей, пансионатов,
передвижные установки для геологов, строителей, чабанов функционируют обычно в
летние и переходные месяцы года, в периоды с положительной температурой
наружного воздуха. Они могут иметь дублирующий источник теплоты или обходиться
без него в зависимости от типа объекта и условий эксплуатации.

Стоимость гелиоустановок горячего водоснабжения может составлять от 5 до 15%
стоимости объекта и зависит от климатических условий, стоимости оборудования и
степени его освоенности.

В гелиоустановках, предназначенных для систем отопления, в качестве
теплоносителей используют как жидкости, так и воздух. В многоконтурных
гелиоустановках в разных контурах могут быть использованы различные
теплоносители (например, в гелиоконтуре — вода, в распределительном — воздух). У
нас в стране преобладающее распространение получили водяные гелиоустановки для
теплоснабжения.

Площадь поверхности солнечных коллекторов, необходимая для систем отопления,
обычно в 3-5 раз превышает площадь поверхности коллекторов для систем горячего
водоснабжения, поэтому коэффициент использования этих систем ниже, особенно в
летний период года. Стоимость установки для системы отопления может составлять
15-35% стоимости объекта.

К комбинированным системам могут быть отнесены установки круглогодичного
действия для целей отопления и горячего водоснабжения, а также установки,
работающие в режиме теплового насоса и тепловой трубы для целей
тепло-хладоснабжения. Эти системы пока не применяются широко в промышленности.

Плотность потока солнечной радиации, приходящей на поверхность коллектора, в
значительной степени определяет теплотехнические и технико-экономические
показатели систем солнечного теплоснабжения.

Плотность потока солнечной радиации изменяется в течение дня и в течение года.
Это является одной из характерных особенностей систем, использующих солнечную
энергию, и при проведении конкретных инженерных расчетов гелиоустановок вопрос о
выборе расчетного значения Е является определяющим.

В качестве расчетной схемы системы солнечного теплоснабжения рассмотрим схему,
представленную на рис.3.3, которая дает возможность учесть особенности работы
различных систем. Солнечный коллектор 1 преобразует энергию солнечного излучения
в теплоту, которая передается в бак-аккумулятор 2 через теплообменник 3.
Возможно расположение теплообменника в самом баке- аккумуляторе. Циркуляция
теплоносителя обеспечивается насосом. Нагретый теплоноситель поступает в системы
горячего водоснабжения и отопления. В случае недостатка или отсутствия солнечной
радиации в работу включается дублирующий источник теплоты горячего водоснабжения
или отопления 5.


Рис.3.3. Схема системы солнечного теплоснабжения: 1 — солнечные коллекторы; 2 —
бак-аккумулятор горячей воды; 3 — теплообменник; 4 — здание с напольным отоплением;
5 — дублер (источник дополнительной энергии); 6 — пассивная солнечная система; 7 —
галечный аккумулятор; 8 — заслонки; 9 -вентилятор; 10 — поток теплого воздуха в
здание; 11- подача рециркуляционного воздуха из здания

В системе солнечного отопления использованы солнечные коллекторы нового
поколения «Радуга» НПП «Конкурент» с улучшенными теплотехническими
характеристиками за счет использования селективного покрытия на теплопоглощающей
панели из нержавеющей стали и светопрозрачного покрытия из особо прочного стекла
с высокими оптическими характеристиками.

В системе в качестве теплоносителя используют: воду при плюсовых температурах
или антифриз в отопительный период (солнечный контур), воду (второй контур
напольного отопления) и воздух (третий контур воздушного солнечного отопления).

В качестве дублирующего источника использован электрокотел.

Повышение эффективности систем гелиоснабжения может быть достигнуто за счет
использования различных методов аккумулирования тепловой энергии, рационального
сочетания гелиосистем с тепловыми котельными и теплонасосными установками,
сочетания активных и пассивных систем разработки эффективных средств и методов
автоматического управления.

Nbsp;
РАСЧЕТ Системы теплоснабжения с использованием солнечных тепловых коллекторов
Методические указания
к выполнению расчетно-графической работы
для студентов всех форм обучения специальности
Энергетические установки, электростанции на базе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии
РАСЧЕТ Системы теплоснабжения с использованием солнечных тепловых коллекторов: методические указания к выполнению расчетно-графической работы для студентов всех форм обучения специальности Энергетические установки, электростанции на базе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии/ А. В.
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛЖЕНИЯ
1.1. Конструкция и основные характеристики плоского солнечного коллектора
1.2. Основные элементы и принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения
2. ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
3. РАСЧЁТ ТЕПЛОТЫ НА ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЯ
3.1. Основные положения
3.2. Определение трансмиссионных тепловых потерь
3.3. Определение расхода теплоты на подогрев вентиляционного воздуха
3.4. Определение затрат теплоты на горячее водоснабжение
4. РАСЧЕТ СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
БИБЛИОГРАФИЯ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Конструкция и основные характеристики плоского солнечного коллектора

Плоский солнечный коллектор (СК) является основным элементом систем солнечного отопления и горячего водоснабжения. Принцип его действия прост. Большая часть солнечной радиации, падающей на коллектор, поглощается поверхностью, которая является «черной» по отношению к солнечному излучению. Часть поглощенной энергии передается жидкости, циркулирующей через коллектор, а остальная теряется в результате теплообмена с окружающей средой. Тепло, уносимое жидкостью, представляет собой полезное тепло, которое либо аккумулируется, либо используется для покрытия отопительной нагрузки.

Основные элементы коллектора следующие: поглощающая пластина, обычно из металла, с неотражающим черным покрытием, обеспечивающим максимальное поглощение солнечного излучения; трубы или каналы по которым циркулирует жидкость пли воздух и которые находятся в тепловом контакте с поглощающем пластиной; тепловая изоляция днища и боковых кромок пластины; один или несколько воздушных промежутков, разделенных прозрачными покрытиями в целях теплоизоляции пластины сверху; и наконец, корпус, обеспечивающий долговечность и устойчивость к воздействию погодных факторов. На рис. 1 показаны поперечные сечения водо- и воздухонагревателя.

Рис. 1. Схематичное изображение солнечных коллекторов с водяным и воздушным теплоносителями: 1 – тепловая изоляция; 2 – воздушный канал; 3 – прозрачные покрытия; 4 – поглощающая пластина; 5 – трубы, соединенные с пластиной.

Прозрачное покрытие обычно делают из стекла. Стекло обладает превосходной стойкостью к атмосферным воздействиям и хорошими механическими свойствами. Оно относительно недорого и при низком содержании окиси железа может иметь высокую прозрачность. Недостатками стекла являются хрупкость и большая масса. Наряду со стеклом возможно применение и пластмассовых материалов. Пластмасса обычно менее подвержена поломке, легка и в виде топких листов недорога. Однако она, как правило, не обладает столь же высокой устойчивостью к воздействию погодных факторов, как стекло. На поверхность пластмассового листа легко наносятся царапины и многие пластмассы со временем деградируют и желтеют, в результате чего снижается их пропускательная способность по отношению к солнечному излучению и ухудшается механическая прочность. Еще одним преимуществом стекла по сравнению с пластмассами является то, что стекло поглощает или отражает все падающее на него длинноволновое (тепловое) излучение, испускаемое поглощающей пластиной. Потери тепла в окружающую среду путем излучения снижаются при этом более эффективно, чем в случае пластмассового покрытия, которое пропускает часть длинноволнового излучения.

Плоский коллектор поглощает как прямое, так и диффузное излучение. Прямое излучение вызывает отбрасывание тени освещаемым солнцем предметом. Диффузное излучение отражается и рассеивается облаками и пылью, прежде чем достигает поверхности земли; в отличие от прямого излучения оно не приводит к образованию теней. Плоский коллектор обычно устанавливают неподвижно на здании. Его ориентация зависит от местоположения и времени года, в течение которого должна работать солнечная энергетическая установка. Плоский коллектор обеспечивает низкопотенциальное тепло, требуемое для нагрева воды и отопления помещения.

Фокусирующие (концентрирующие) солнечные коллекторы, в том числе с параболическим концентратором или концентратором Френеля, могут применяться в системах солнечного теплоснабжения. Большая часть фокусирующих коллекторов использует только прямую солнечную радиацию. Преимущество фокусирующего коллектора по сравнению с плоским состоит в том, что он имеет меньшую площадь поверхности, с которой тепло теряется в окружающую среду, а следовательно, рабочая жидкость может быть нагрета в нем до более высоких температур, чем в плоских коллекторах. Однако для нужд отопления и горячего водоснабжения более высокая температура почти (или совсем) не имеет значения. Для большинства концентрирующих систем коллектор должен следить за положением солнца. Системы, не дающие изображения солнца, обычно требуют регулировки несколько раз в год.

Следует различать мгновенные характеристики коллектора (т. е. характеристики в данный момент времени, зависящие от метеорологических и рабочих условий в этот момент), и его долгосрочные характеристики. На практике коллектор системы солнечного теплоснабжения работает в широком диапазоне условий в течение года. В некоторых случаях рабочий режим характеризуется высокой температурой и низкой эффективностью коллектора, в других случаях, наоборот, низкой температурой и высокой эффективностью.

Для рассмотрения работы коллектора при переменных условиях необходимо определить зависимость его мгновенных характеристик от метеорологических и режимных факторов. Для описания характеристик коллектора необходимы два параметра, один из которых определяет количество поглощенной энергии, а другой — потери тепла в окружающую среду. Эти параметры лучшее всего определяются в результате испытаний, в которых измеряется мгновенная эффективность коллектора в соответствующем диапазоне условий.

Полезная энергия, отводимая из коллектора в данный момент времени, — это разность количества солнечной энергии, поглощенной пластиной коллектора, и количества энергии, теряемой в окружающую среду. Уравнение, которое применимо для расчета почти всех существующих конструкций плоского коллектора, имеет вид:

где — полезная энергия, отводимая из коллектора в единицу времени, Вт; — площадь коллектора, м 2 ; — коэффициент отвода тепла из коллектора; — плотность потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора Вт/м 2 ; — пропускательная способность прозрачных покрытии по отношению к солнечному излучению; — поглотительная способность пластины коллектора по отношению к солнечному излучению; — полный коэффициент тепловых потерь коллектора, Вт/(м 2 °С); -температура жидкости на входе в коллектор, °С; — температура окружающей среды, °С.

Солнечная радиация, падающая на коллектор, в любой момент времени состоит из трех частей: прямой радиации, диффузной радиации и радиации, отраженной от земли или окружающих предметов, количество которой зависит от угла наклона коллектора к горизонту и характера этих предметов. Когда проводятся испытании коллектора, плотность потока радиации I
измеряют с помощью пиранометра, установленного под тем же, что и коллектор, углом наклона к горизонту. Применяемый при расчетах f
-метод требует знания средних месячных приходов солнечной радиации на поверхность коллектора. Чаще всего в справочниках имеются данные по средним месячным приходам радиации на горизонтальную поверхность.

Плотность потока солнечной радиации, поглощаемой пластиной коллектора в некоторый момент времени, равна произведению плотности потока падающей радиации I
, пропускательной способности системы прозрачных покрытий t
и поглощательной способности пластины коллектора a
. Обе последние величины зависят от материала и угла падения солнечного излучения (т. е. угла между нормалью к поверхности и направлением солнечных лучей). Прямая, диффузная и отраженная составляющие солнечной радиации поступают на поверхность коллектора под различными углами. Поэтому оптические характеристики t
и a
должны рассчитываться с учетом вклада каждой из компонент.

Коллектор теряет тепло различными способами. Потери тепла от пластины к прозрачным покрытиям и от верхнего покрытия к наружному воздуху происходят путем излучения и конвекции, но соотношение этих потерь в первом и втором случаях не одинаково. Потери тепла через изолированные днище и боковые стенки коллектора обусловлены теплопроводностью. Коллекторы должны проектироваться таким образом, чтобы все тепловые потерн были наименьшими.

Произведение полного коэффициента потер U L
и разности температур в уравнении (1) представляет собой потери тепла от поглощающей пластины при условии, что ее температура всюду равна температуре жидкости на входе. При нагревании жидкости пластина коллектора имеет более высокую температуру, чем температура жидкости па входе. Это необходимое условие переноса тепла от пластины к жидкости. Поэтому фактические потери тепла от коллектора больше значения произведения . Разница потерь учитывается с помощью коэффициента отвода тепла F R
.

Полный коэффициент потерь U L
равен сумме коэффициентов потерь через прозрачную изоляцию, днище и боковые стенки коллектора. Для хорошо спроектированного коллектора сумма последних двух коэффициентов обычно составляет около 0,5 — 0,75 Вт/(м 2 °С). Коэффициент потерь через прозрачную изоляцию зависит от температуры поглощающей пластины, числа и материала прозрачных покрытий, степени черноты пластины в инфракрасной части спектра, температуры окружающей среды и скорости ветра.

Уравнение (1) удобно для расчета солнечных энергетических систем, поскольку полезная энергия коллектора определяется по температуре жидкости па входе. Однако потери тепла в окружающую среду зависят от средней температуры поглощающей пластины, которая всегда выше температуры на входе, если жидкость нагревается, проходя через коллектор. Коэффициент отвода тепла F R
равен отношению фактической полезной энергии, когда температура жидкости в коллекторе увеличивается в направлении потока, к полезной энергии, когда температура всей поглощающей пластины равна температуре жидкости на входе.

Коэффициент F R
зависит от расхода жидкости через коллектор и конструкции поглощающей пластины (толщины, свойств материала, расстояния между трубами и т. п.) и почти не зависит от интенсивности солнечной радиации и температур поглощающей пластины и окружающей среды.

Основные элементы и принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения

Системы солнечного теплоснабжения (или гелиоустановки) можно разделить на пассивные и активные. Самыми простыми и дешевыми являются пассивные системы, или «солнечные дома», которые для сбора и распределения солнечной энергии используют архитектурные и строительные элементы здания и не требуют дополнительного оборудования. Чаще всего такие системы включают в себя зачерненную стену здания, обращенную на юг, на некотором расстоянии от которой расположено прозрачное покрытие. В верхней и нижней части стены имеются отверстия, соединяющие пространство между стеной и прозрачным покрытием с внутренним объемом здания. Солнечная радиация нагревает стену: воздух, омывающий стену, нагревается от нее и поступает через верхнее отверстие в помещения здания. Циркуляция воздуха обеспечивается либо за счет естественной конвекции, либо вентилятором. Несмотря на некоторые преимущества пассивных систем, используются в основном активные системы со специально установленным оборудованием для сбора, хранения и распространения солнечной радиации, так как эти системы позволяют улучшить архитектуру здания, повысить эффективность использования солнечной энергии, а также обеспечивают большие возможности регулирования тепловой нагрузки и расширяют область применения. Выбор, состав и компоновка элементов активной системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае, определяются климатическими факторами, типом объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями. Специфическим элементом этих систем является солнечный коллектор; применяемые элементы, такие как теплообменные устройства, аккумуляторы, дублирующие источники теплоты, сантехническая арматура, широко используются в промышленности. Солнечный коллектор обеспечивает преобразование солнечного излучения в теплоту, передаваемую нагреваемому теплоносителю, циркулирующему в коллекторе.

13

Аккумулятор является важным компонентом системы солнечного теплоснабжения, так как из-за периодичности поступления солнечной радиации в течение дня, месяца, года максимум теплопотребления объекта не совпадает с максимумом теплопоступления. Выбор объема аккумулятора зависит отхарактеристик системы. Аккумулятор может быть выполнен в виде бака или другой емкости, заполненной аккумулирующим теплоту веществом. В эксплуатируемых системах обычно на 1 м 2 солнечного коллектора приходится от 0,05 до 0,12 м 3 вместимости бака-аккумулятора. Существуют проекты межсезонного аккумулирования солнечной энергии, при этом вместимость бака-аккумулятора достигает 100 — 200 м 3 . Баки-аккумуляторы могут работать за счет теплоемкости рабочего вещества или теплоты фазовых превращений различных материалов. Однако на практике из-за простоты, надежности и сравнительной дешевизны наибольшее распространение получили аккумуляторы, в которых рабочим веществом является вода или воздух. Водяные аккумуляторы представляют собой цилиндрические стальные резервуарысо слоем теплоизоляции. Чаще всего они располагаются в подвале дома. В воздушных аккумуляторах применяют засыпку из гравия, гранита и других твердых наполнителей. Дублирующий источник теплоты также является необходимым элементом солнечной установки. Назначение источника — полное обеспечение объекта теплотой в случае недостатка или отсутствия солнечной радиации. Выбор типа источника определяется местными условиями. Это может быть, либо электробойлер, либо водогрейный котел или котельная на органическом топливе. В качестве теплообменных устройств используются различные типы теплообменников, широко применяемых в энергетике и теплотехнике, например, скоростные теплообменники, водяные подогреватели и т. д.

Кроме основных элементов, описанных выше, солнечные систем теплоснабжения могут включать в себя насосы, трубопроводы, элементы системы КИП и автоматики и т. д. Различное сочетание этих элементов приводит к большому разнообразию систем солнечного теплоснабжения по их характеристикам и стоимости. На базе использования гелиоустановок могут быть решены задачи отопления, охлаждения и горячего водоснабжения жилых, административных зданий, промышленных и сельскохозяйственных объектов.

Гелиоустановки имеют следующую классификацию:

1) по назначению:

Системы горячего водоснабжения;

Системы отопления;

Комбинированные установки для целей теплохладоснабжения;

2) по виду используемого теплоносителя:

Жидкостные;

Воздушные;

3) по продолжительности работы:

Круглогодичные;

Сезонные;

4) по техническому решению схемы:

Одноконтурные;

Двухконтурные;

Многоконтурные.

Наиболее часто применяемыми теплоносителями в системах солнечного теплоснабжения являются жидкости (вода, раствор этиленгликоля, органические вещества) и воздух. Каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки. Воздух не замерзает, не создает больших проблем, связанных с утечками и коррозией оборудования. Однако из-за низкой плотности и теплоемкости воздуха размеры воздушных установок, расходы мощности на перекачку теплоносителя выше, чем у жидкостных систем. Поэтому в большинстве эксплуатируемых систем солнечного теплоснабжения предпочтение отдается жидкостям. Для жилищно-коммунальных нужд основной теплоноситель — вода.

При работе солнечных коллекторов в периоды с отрицательной температурой наружного воздуха необходимо либо использовать в качестве теплоносителя антифриз, либо каким-то способом избегать замерзания теплоносителя (например, своевременным сливом воды, нагревом ее, утеплением солнечного коллектора).

Системы солнечного теплоснабжения малой производительности, обеспечивающие небольших отдаленных потребителей, часто работают по принципу естественной циркуляции теплоносителя. Бак с водой располагается выше солнечного коллектора. Эта вода подается в нижнюю часть СК, расположенного под определенным углом, где начинает нагреваться изменять свою плотность и самотеком подниматься вверх по каналам коллектора. Затем она поступает в верхнюю часть бака, а ее место в коллекторе занимает холодная вода из его нижней части. Устанавливается режим естественной циркуляции. В более мощных и производительных системах циркуляция воды в контуре солнечного коллектора обеспечивается при помощи насоса.

Принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения, представленны на рис. 2, 3 , можно разделить на две основные группы: установки, работающие по разомкнутой или прямоточной схеме (рис. 2); установки, работающие по замкнутой схеме (рис. 3). В установках первой группы теплоноситель подается в солнечные коллекторы (рис. 2 а, б) или в теплообменник гелиоконтура (рис. 2 в), где он нагревается и поступает либо непосредственно к потребителю, либо в бак-аккумулятор. Если температура теплоносителя после гелиоустановки оказывается ниже заданного уровня, то теплоноситель догревается в дублирующем источнике теплоты. Рассмотренные схемы находят применение, в основном, в промышленных объектах, в системах с долговременным аккумулированием теплоты. Чтобы обеспечить постоянный температурный уровень теплоносителя на выходе из коллектора, необходимо изменять расход теплоносителя в соответствии с законом изменения интенсивности солнечной радиации в течение дня, что требует применения автоматических устройств и усложняет систему. В схемах второй группы передача теплоты от солнечных коллекторов осуществляется либо через бак-аккумулятор, либо путем непосредственного смешения теплоносителей (рис. 3 а), либо через теплообменник, который может быть расположен как внутри бака (рис. 1.4 б), так и вне его (рис. 3 в). К потребителю нагретый теплоноситель поступает через бак и в случае необходимости догревается в дублирующем источнике теплоты. Установки, работающие по схемам, представленным на рис. 3, могут быть одноконтурными (рис. 3 а), двухконтурными (рис.3 б) или многоконтурными (рис. 3 в, г).

Рис. 2. Принципиальные схемы прямоточных систем: 1-солнечный коллектор; 2-
аккумулятор; 3-теплообменник

Рис. 3. Принципиальные схемы систем солнечного теплоснабжения

Применение того или иного варианта схемы зависит от характера нагрузки, типа потребителя климатических, экономических факторов и других условий. Рассмотренные на рис. 3 схемы нашли в настоящее время наибольшее применение, так как отличаются сравнительной простотой, надежностью в эксплуатации.

Этапы ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Расчетно-графическая работа состоит из следующих основных этапов:

1) Выполнение чертежа «План здания».

2) Выбор тепловой схемы системы отопления с использованием солнечных коллекторов

3) Выполнение чертежа «Схема отопления и ГВС с использованием солнечных тепловых коллекторов»

4) Расчет отопительной нагрузки (отопление и ГВС).

5) Расчет системы солнечного теплоснабжения и доли тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии f
— методом.

6) Оформление пояснительной зап

Оцените статью