Системи опалення поділяють так: на пасивні (див. гл. 5); активні, які здебільшого використовують рідинні сонячні колектори та баки-акумулятори; комбіновані.
За кордоном широкого поширення набули системи повітряного опалення, де в якості акумуляторів використовують конструкції будівлі або спеціальне кам'яне засипання під ним. У нашій країні у цьому напрямі працюють ФТІ АН УзРСР та ТбілЗНДІЕП, проте результати робіт явно недостатні та налагоджених рішень не створено, хоча повітряні системитеоретично ефективніше рідинних, в яких власне система опалення виконана низькотемпературною панельно-променистою або високотемпературною зі звичайними нагрівальними приладами. У нашій країні будівлі з рідинними системами розроблені ІВТАН, ФТІ АН УзРСР, ТашЗНДІЕП, ТбілЗНДІЕП, КиївЗНДІЕП та ін.та у ряді випадків зведені.
Великий обсяг інформації щодо активних систем сонячного опалення наведено в книзі, що вийшла в 1980 р. Далі ж описані розроблені КиївЗНДІЕП, збудовані та випробувані два індивідуальні житлові будинки з автономними системами сонячного теплопостачання: з низькотемпературною панельно-променистою системою опалення (житловий будинок у с. Колісне Одеської обл.) та з тепловим насосом (житловий будинок у с. Букурія Молдавської РСР) ).
Під час розробки системи сонячного теплопостачання житлового будинку у с. Колісне внесено низку змін до архітектурно-будівельної частини будинку (проект УкрНДІПгромадянсільбуд), спрямованих на його пристосування до вимог сонячного теплопостачання: використано ефективну кладку з утеплювачем для зовнішніх стін та потрійне скління віконних отворів; змійовики системи опалення поєднані з міжповерховими перекриттями; передбачений підвал для розміщення обладнання; проведено додаткове утепленнягорища та утилізація тепла витяжного повітря.
В архітектурно-компонувальному відношенні будинок виконаний у двох рівнях. На першому поверсі розміщені передня, Загальна кімната, спальня, кухня, ванна кімната та комори, а на другому - дві спальні та санвузол, передбачена електроплита для приготування їжі. Обладнання системи сонячного теплопостачання (крім колекторів) розташоване у підвалі; дублером системи служать електроводонагрівачі, що дозволяє здійснити єдине енерговведення в будівлю та підвищити комфортні якості житла.
Система сонячного теплопостачання житлового будинку (Рис. 4.1)складається Зтрьох контурів: теплоприймального циркуляційного іконтурів опалення та гарячого водопостачання. До складу першого входять сонячні водонагрівачі, змійовик-теплообмінник бака-акумулятора, циркуляційний насоста теплообмінник "труба в трубі" для роботи системи у літній час у режимі з природною циркуляцією. Обладнання об'єднане системою трубопроводів з арматурою, контрольно-вимірювальними приладами та приладами автоматики. У бак-акумулятор місткістю 16 м3 вмонтовано двосекційний змійниковий теплообмінник з площею поверхні 4,6 м2 для теплоносія циркуляційного контуру та односекційний теплообмінник з площею поверхні 1,2 м2 для системи гарячого водопостачання. Теплоємність бака з температурою води в ньому +45 ° С забезпечує тридобову потребу житлового будинку в теплі. Теплообмінник типу "труба у трубі" поверхнею 1,25 м2 розміщений під ковзаном даху будинку.
Контур опалення складається з двох послідовно з'єднаних ділянок: панельно-променистого з потоковими опалювальними панелями, що забезпечують роботу системи в базовому режимі з перепадом температур води 45...35 °С, та вертикально-однотрубного з конвекторами типу "Комфорт", що забезпечують пікові навантаження системи опалення з перепадом температур води 75...70 °С. Змійовики труб опалювальних панелей замонолічені в штукатурно-оздоблювальні шар круглопустотних панелей стельового перекриття. Конвектори встановлюються під вікнами. Циркуляція в системі опалення – спонукальна. Піковий підігрів води здійснюється проточним електроводонагрівачем ЕПВ-2 потужністю 10 кВт; він же є дублером системи опалення.
До складу контуру гарячого водопостачання входить теплообмінник, вбудований в бак-акумулятор, і другий проточний електроводонагрівач як доводчик і дублер системи.
Протягом опалювального періоду теплота від колекторів передається теплоносієм (45% водним розчином етиленгліколю) воді в бак-акумуляторі, яка насосом направляється в змійовики опалювальної панелі, а потім знову повертається в бак-акумулятор.
Необхідна температура повітря в приміщенні будинку підтримується автоматичним регулятором РРТ-2 шляхом увімкнення та вимкнення електроводоподогрівача на конвекторній ділянці системи опалення.
Влітку система забезпечує потреби гарячого водопостачання від теплообмінника типу "труба в трубі" при природній циркуляції теплоносія у теплоприймальному контурі. Перехід на спонукальну циркуляцію здійснюється за допомогою диференціального електронного регулятора РРТ-2.
Система сонячного теплопостачання чотирикімнатного житлового будинку у с. Букурію Молдавської РСР запроектовано інститутом Молдгіпрограждансільбуд під науковим керівництвом КиївЗНДІЕП.
Житловий будинок - мансардного типу. На першому поверсі знаходяться спільна кімната, кухня, пральна, господарське приміщення, а на другому – три спальні. В цокольному поверсірозміщені гараж, погребла також приміщення для обладнання системи сонячного теплопостачання. З будинком блокується господарська спорудаяка включає в себе літню кухню, душ, навіс, інвентарну та майстерню.
Автономна система сонячного теплопостачання (мал. 4.2) є комбінованою сонячно-теплонасосною установкою, призначеною для забезпечення потреб опалення (розрахункові тепло - втрати будинку 11 кВт) та гарячого водопостачання протягом усього року. Нестача сонячної теплоти та теплоти від компресора теплонасосної установки покривається за рахунок електропідігріву. Система складається з чотирьох контурів: теплоприймального циркуляційного, контурів теплонасосної установки, опалення та гарячого водопостачання.
До складу обладнання теплоприймального контуру входять сонячні колектори, теплообмінник "труба в трубі" та бак-акумулятор місткістю 16 м3 із вбудованим у нього теплообмінником із площею поверхні 6 м2. Сонячні колектори конструкції КиївЗНДІЕП із двошаровим склінням загальною площею 70 м2 розміщені у рамі на південному схилі даху будинку під кутом 55° до горизонту. Як теплоносій використаний 45 %-йводний розчин етиленгліколю. Теплообмінник розміщений під ковзаном даху, а інше обладнання розташоване в підвальному приміщеннівдома.
Як теплонасосна установка служить компресорно-конден - саторний холодильний агрегат АК1-9 теплопродуктивністю 11,5 кВт і споживаною потужністю 4,5 кВт. Робочим агентом теплонасосної установки є фреон-12. Компресор - поршневий безсальниковий, конденсатор та випарник - кожухотрубні з водяним охолодженням.
До складу обладнання контуру опалення входять циркуляційний насос, опалювальні прилади типу "Комфорт" проточний електроводонагрівач ЕПВ-2 як доводчик і дублер. До складу обладнання контуру гарячого водопостачання входять ємнісний (0,4 м3) водонагрівач типу СТД з поверхнею теплообмінника 0,47 м2 та кінцевий електронагрівач БАС-10/М 4-04 потужністю 1 кВт. Циркуляційні насоси всіх контурів – типу ЦВЦ, безсальникові, вертикальні, малошумні, безфундаментні.
Система працює в такий спосіб. Теплоносій передає тепло від колекторів воді в баку-акумуляторі та фреону у випарнику. теплового насосу. Пароподібний фреон після стиснення в компресорі конденсується в конденсаторі, нагріваючи при цьому воду в системі опалення та водопровідну водуу системі гарячого водопостачання.
За відсутності сонячної радіації та витрати теплоти, запасеної в баку-акумуляторі, теплонасосна установка вимикається і теплопостачання будинку здійснюється повністю від електроводонагрівачів (електрокотлів). Взимку теплонасосна установка перебуває в роботі лише за певного рівня негативних температурзовнішнього повітря (не нижче - 7 ° С) для того, щоб виключити замерзання води в баку-акумуляторі. Влітку система гарячого водопостачання забезпечується теплотою переважно при природній циркуляції теплоносія через теплообмінник типу " труба в трубі " . В результаті здійснення різних режимівроботи комбінована сонячно-теплонасосна установка дозволяє зберегти теплоти близько 40 ГДж/рік (результати експлуатації цих установок наведені в гл. 8).
Поєднання сонячної енергії та теплових насосів знайшло ^ е відображення і в розробленому ЦНДІЕП інженерного обладнання
|
Рис. 4.3. Принципова схемасистеми теплопостачання у м. Геленджику 1 - сонячний колектор; 2 - теплообмінник догріву із теплоносієм від контуру конденсатора теплових насосів; 3 – теплообмінник догріву з теплоносієм від теплової мережі; 4 - Насос контуру конденсатора; 5 - тепловий насос; 6 - Насос контуру випарника; 7 - теплообмінник підігріву (охолодження) води контуру випарника (конденсатора); 8 - Теплообмінник підігріву вихідної (сирої) води; 9 - насос гарячого водопостачання; 10 - акумуляторні баки; 11 - теплообмінник сонячного контуру; 12 - насос сонячного контуру |
Проект теплопостачання готельного комплексу "Привітний берег" у м. Геленджику (Рис. 4.3).
Основу сонячно-теплонасосної установки складають: плоскі сонячні колектори загальною площею 690 м2 і тресерійно випускаються холодильні машини MKT 220-2-0, що працюють у режимі теплового насоса. Розрахункове річне вироблення теплоти становить близько 21000 ГДж, у тому числі сонячною установкою– 1470 ГДж.
Низькопотенційним джерелом тепла для теплових насосів є морська вода. Для забезпечення безкорозійного та безнакипного режиму роботи поверхонь нагрівання колекторів, трубопроводів та конденсаторів їх заповнюють пом'якшеною та деаерованою водою теплової мережі. Порівняно з традиційною схемоютеплопостачання від котельної залучення нетрадиційних джерел тепла -
Сонця та морської води, дозволяє заощадити близько 500 т ум. палив/рік.
Іншим характерним прикладом використання нових джерел енергії є проект теплопостачання садибного будинку
Сонячно-теплонасосна установка. Проект передбачає цілорічне повне задоволення потреб опалення та гарячого водопостачання садибного будинку мансардного типу житловою площею 55 м2. Низькопотенційним джерелом теплоти для теплового насоса є ґрунт. Приблизний економічний ефект від застосування системи - щонайменше 300 крб. на квартиру порівняно із традиційним варіантом теплопостачання від твердопаливного апарату.
Сонячне теплопостачання – спосіб опалення житлового будинку, який з кожним днем стає все більш популярним у багатьох, переважно розвинених, державах світу. Найбільшими успіхами в галузі сонячної теплової енергетики на сьогоднішній день можуть похвалитися в країнах західної та центральної Європи. На території Євросоюзу протягом останнього десятиліття спостерігається щорічне зростання галузі поновлюваної енергетики на 10–12%. Такий рівень розвитку – це дуже суттєвий показник.
сонячний колектор
Одна з найбільш очевидних сфер застосування сонячної енергетики – це її використання з метою підігріву води та повітря (як теплоносіїв). У кліматичних областях, де переважає холодна погода, комфортного проживаннялюдей обов'язковий розрахунок та організація систем опалення кожного житлового будинку. У них має бути гаряче водопостачання для різних потреб, до того ж будинку необхідно опалювати. Звісно, найкращим варіантомтут буде застосування схеми, де працюють автоматизовані системитеплопостачання.
Великих обсягів щоденного надходження гарячої водиу процесі виробництва вимагають промислове підприємство. Як приклад можна навести Австралію, де на підігрів рідкого теплоносія до температури, що не перевищує 100 o C, витрачається практично 20 відсотків всієї енергії, що витрачається. Тому в частині розвинених країн заходу, а більшою мірою в Ізраїлі, Північній Америці, Японії та, звичайно ж, в Австралії, дуже швидко відбувається розширення виробництва сонячних опалювальних систем.
У найближчому майбутньому розвиток енергетики, безперечно, буде спрямований на користь використання сонячного випромінювання. Щільність сонячної радіації на земній поверхні становить у середньому 250 Вт на квадратний метр. І це при тому, що для забезпечення господарських потреб людини в найменш індустріальних районах достатньо двох Ват на квадратний метр.
Вигідна відмінність сонячної енергії від інших галузей енергетики, що використовують процеси спалювання викопного палива, це екологічність енергії. Робота сонячного обладнання не спричиняє виділення шкідливих викидів в атмосферу.
Вибір схеми застосування обладнання, пасивні та активні системи
Існує дві схеми використання сонячного випромінювання як система опалення для будинку. Це активні та пасивні системи. Пасивні системи опалення на сонячній радіації – ті, в яких елементом, що безпосередньо абсорбує сонячну радіаціюі що утворює з неї теплоту, служить сама конструкція будинку або його окремі частини. Цими елементами можуть бути паркан, покрівля, окремі частини будівлі, побудовані на основі певної схеми. У пасивних системах не використовуються механічні частини, що рухаються.
Активні системи працюють на основі протилежної схеми опалення будинку, у яких активно використовуються механічні пристрої(Насоси, двигуни, при їх використанні також роблять розрахунок необхідної потужності).
Найбільш простими за своєю конструкцією і менш витратними в фінансовому планіПри монтажі схеми є системи пасивної дії. Такі схеми опалення не потребують встановлення додаткових пристроїв для абсорбції та подальшого розподілу сонячного випромінювання в системі опалення будинку. Робота таких систем ґрунтується на принципі прямого обігрівужитлового приміщення прямо через стіни, що пропускають світло, розташовані на південній стороні. Додаткову функціюобігрів здійснюють зовнішні поверхні елементів огорожі будинку, які обладнуються шаром прозорих екранів.
Для запуску процесу перетворення сонячної радіації в теплову енергіюзастосовують систему конструкцій, засновану на використанні геліоприймачів з прозорою поверхнею, де основну функцію відіграє «парниковий ефект», використовуються можливості скла утримувати теплове випромінювання, завдяки чому і підвищують температуру всередині приміщення.
Варто відзначити, що застосування лише одного з видів систем може бути не зовсім виправданим. Найчастіше ретельний розрахунок показує, що досягти значного зниження втрат тепла та зменшення потреб будівлі в енергії можна шляхом застосування інтегрованих систем. Загальна роботаі активної та пасивної системи шляхом поєднання позитивних якостей дасть максимальний ефект.
Зазвичай розрахунок ефективності показує, що пасивне використання випромінювання сонця забезпечить потреби вашого будинку в опаленні приблизно на 14-16 відсотків. Така система буде важливою складовою процесу одержання тепла.
Проте, незважаючи на певні позитивні якостіпасивних систем, основні можливості для повного забезпечення потреб будівлі в теплі все ж таки необхідно застосування активного опалювального обладнання. Системи, функцією яких є безпосередньо поглинання, акумуляція та розподіл сонячної радіації.
Планування та розрахунок
Здійснити розрахунок можливості монтажу активних опалювальних систем, що використовують сонячну енергію(кристалічні сонячні фотоелементи, сонячні колектори) бажано на стадії проектування будівлі. Але все ж таки цей момент не носить обов'язкового характеру, установка такої системи можлива і на вже існуюче завдання незалежно від року його побудови (основа для успіху – правильний розрахунок усієї схеми).
Монтаж обладнання здійснюють на південний бік будинку. Таке розташування створює умови для максимального поглинання сонячної радіації, що надходить, взимку. Фотоелементи, що перетворюють енергію сонця та встановлені на нерухому конструкцію, найбільш ефективні при їх монтажі щодо поверхні землі під кутом, що дорівнює географічній локації опалювальної будівлі. Кут нахилу даху, градус повороту будинку на південь – це значні моменти, які обов'язково треба враховувати, розраховуючи всю схему опалення.
Сонячні фотоелементи та колектори на сонячному випромінюванні необхідно встановлювати максимально близько до місця енергоспоживання. Пам'ятайте, що чим ближче ви збудуєте ванну та кухню, тим менше будуть втрати тепла (у такому варіанті можна обійтися і одним сонячним колектором, який обігріватиме обидва приміщення). Основним критерієм оцінки при доборі необхідного вам обладнання є коефіцієнт корисної дії.
Опалювальні сонячні системи активної дії, Діляться на наступні групи за такими критеріями:
- Застосування дублюючого контуру;
- Сезонність роботи (протягом усього року або у певний сезон);
- Функціонального призначення – опалювальні, постачання гарячою водоюта комбіновані системи;
- Теплоносій, що застосовується - рідина або повітря;
- Застосовується технічне вирішення кількості контурів (1, 2 або більше).
Загальні економічні дані слугуватимуть основним чинником вибору на користь одного з типів обладнання. Правильно визначитися допоможе грамотний тепловий розрахунок всієї системи. Розрахунок необхідно виконувати, враховуючи показники кожного конкретного приміщення, де намічена організація сонячного опалення та (або) гарячого водопостачання. Варто враховувати розташування будови, кліматичні природні умови, розмір вартості енергетичного ресурсу, що витісняється. Правильний розрахунок та вдалий вибірсхеми організації теплопостачання – запорука економічної доцільності застосування обладнання сонячної енергетики
Сонячна система теплопостачання
Найпоширенішою із використовуваних схем опалення є встановлення сонячних колекторів, у яких передбачена функція накопичення абсорбованої енергії у спеціальній ємності – акумуляторі.
На сьогоднішній день найбільшого поширення набули двоконтурні схеми опалення житлових приміщень, в яких встановлено примусова системациркуляції теплоносія у колекторі. Принцип його роботи є наступним. Подача гарячої води здійснюється з верхньої точки накопичувального бака, процес відбувається автоматично згідно із законами фізики. Холодна проточна вода напором подається в нижню частинубака, ця вода витісняє нагріту, що збирається у верхній частині бака, яка далі надходить в систему гарячого водопостачання будинку для задоволення його господарських потреб і потреб опалення.
Для односімейного будинку зазвичай встановлюють бак накопичувач місткістю від 400 до 800 літрів. Для розігріву теплового носія таких обсягів залежить від природних умовпотрібно правильно розрахувати площу поверхні сонячного колектора. Також необхідно обґрунтувати використання обладнання економічно.
Стандартний набір обладнання для монтажу опалювальної системина сонячному випромінюванні наступний:
- Безпосередньо сам сонячний колектор;
- Кріпильна система (опори, балки, утримувачі);
- Накопичувальний бак;
- Бак компенсують надмірне розширення теплового носія;
- - Пристрій контролю роботи насоса;
- Насос (комплект клапанів);
- Температурні датчики;
- Теплообмінні пристрої (застосовують у схемах з більшими обсягами);
- Теплоізольовані труби;
- Запобіжна та регулююча арматура;
- фітинги.
Система на основі теплопоглинаючих панелей. Такі панелі зазвичай застосовують на етапі нового будівництва. Для їх монтажу необхідно побудувати спеціальну конструкцію, яка називається гарячим дахом. Це означає, що панелі необхідно вмонтувати безпосередньо в конструкцію даху, при цьому використовуючи елементи покрівлі як складових елементівкорпуси обладнання. Така установка знизить ваші витрати на створення системи опалення, проте вимагатиме високоякісної роботи з гідроізоляції стиків пристроїв та покрівлі. Такий спосіб встановлення обладнання вимагатиме від вас ретельного проектування та планування всіх етапів роботи. Потрібно вирішити багато завдань з розведення труб, розміщення накопичувального бака, встановлення насоса, регулювання ухилів. Досить багато проблем при монтажі доведеться вирішити у випадку, якщо будівля не вдало повернута на південь.
Загалом проект сонячних системопалення буде відмінним від інших тією чи іншою мірою. Незмінними залишаться тільки базові принциписистеми. Тому навести точний перелік необхідних деталей для повного монтажувсієї системи неможливо, тому що в процесі установки може виникнути необхідність застосування додаткових елементів та матеріалів.
Рідинні опалювальні системи
У системах, що працюють на основі рідкого теплоносія, як акумулюючу речовину застосовують звичайну воду. Абсорбція енергії відбувається у сонячних колекторах плоскої конструкції. Енергія акумулюється в баку накопичувача і витрачається у міру виникнення потреби.
Для передачі енергії від накопичувача в будинок застосовують водо-водяний або водоповітряний теплообмінник. Система гарячого водозабезпечення обладнана додатковим баком, який називають баком для попереднього нагрівання. Вода нагрівається в ньому за рахунок сонячного випромінювання і далі надходить у звичайний водонагрівач. 
Повітряна опалювальна система
Така система як носій тепла використовує повітря. Розігрівання теплоносія здійснюється в плоскому сонячному колекторі, а далі нагріте повітря потрапляє в опалювальне приміщення або в спеціальний накопичувальний прилад, де абсорбована енергія накопичується в спеціальній насадці, яка обігрівається гарячим повітрям. Завдяки цій особливості система продовжує постачати будинок теплом навіть уночі, коли сонячне випромінюваннянедоступне.
Системи з примусовою та природною циркуляцією
Основа роботи систем з природною циркуляцією полягає в самостійний рухтеплоносія. Під впливом температури, що підвищується, він втрачає щільність і тому прагнути в верхню частинупристрої. Виникає різниця у величині тиску і змушує функціонувати устаткування.
В середньому по році, залежно від кліматичних умов і широти місцевості, потік сонячного випромінювання на земну поверхню становить від 100 до 250 Вт/м 2 досягаючи пікових значень опівдні при ясному небі, практично в будь-якому (незалежно від широти) місці, близько 1000 Вт/м 2 . В умовах середньої смугиРосії сонячне випромінювання "приносить" на поверхню землі енергію, еквівалентну приблизно 100-150 кг умовного паливана м 2 на рік.
Математичне моделювання найпростішої сонячної водонагрівальної установки, проведене в Інституті високих температурРосійської академії наук з використанням сучасних програмних засобів та даних типового метеогоду показало, що у реальних кліматичних умовахСередньої смуги Росії доцільно використання сезонних плоских сонячних водонагрівачів, що працюють у період із березня по вересень. Для встановлення зі ставленням площі сонячного колектора до об'єму бака-акумулятора 2 м 2 /100 л ймовірність щоденного нагрівання води в цей період до температури не менше ніж 37°С становить 50-90%, до температури не менше ніж 45°С - 30- 70%, до температури не менше ніж 55°С – 20-60%. Максимальні значенняймовірності відносяться до літніх місяців.
«Ваш Сонячний Дім» розробляє, комплектує і постачає як з пасивною, так і з активною циркуляцією теплоносія. Опис цих систем ви можете знайти у відповідних розділах нашого сайту. Замовлення та купівля здійснюється через .
Дуже часто ставить питання, чи можна використовувати сонячні нагрівальні установкидля опалення за умов Росії. З цього приводу написано окрему статтю — «Сонячна підтримка опалення»
Продовжити читання
Підготували студенти Групи Б3ТПЕН31
Системами сонячного теплопостачання називаються системи, що використовують як джерело теплової енергії сонячну радіацію. Їхньою характерною відмінністю від інших систем низькотемпературного опаленняє застосування спеціального елемента– геліоприймача, призначеного для уловлювання сонячної радіації та перетворення її на теплову енергію.
За способом використання сонячної радіації системи сонячного низькотемпературного опалення поділяють на пасивні та активні.
Пасивні
Пасивними називаються системи сонячного опалення, в яких як елемент, що сприймає сонячну радіацію і перетворює її в теплоту, служать сама будівля або її окремі огорожі (будівля-колектор, стіна-колектор, покрівля-колектор тощо).
Пасивна низькотемпературна система сонячного опалення “стіна-колектор”: 1 – сонячне проміння; 2 – променепрозорий екран; 3 – повітряна заслінка; 4 – нагріте повітря; 5 – охолоджене повітря із приміщення; 6 – власне довгохвильове теплове випромінювання масиву стіни; 7 - чорна променевосприймаюча поверхня стіни; 8 – жалюзі.
Активні
Активними називаються системи сонячного низькотемпературного опалення, де геліоприймач є самостійним окремим пристроєм, що не відноситься до будівлі. Активні геліосистеми можуть бути поділені:
за призначенням (системи гарячого водопостачання, опалення, комбіновані системи для теплохолодопостачання);
по виду використовуваного теплоносія (рідинні – вода, антифриз та повітряні);
за тривалістю роботи (цілорічні, сезонні);
по технічним рішеннямсхем (одно-, дво-, багатоконтурні).
Класифікація систем сонячного теплопостачання
можуть бути класифіковані за різними критеріями:
по призначенню:
1. системи гарячого водопостачання (ГВП);
2. системи опалення;
3. комбіновані системи;
По виду теплоносія, що використовується:
1. рідинні;
2. повітряні;
За тривалістю роботи:
1. цілорічні;
2. сезонні;
За технічним рішенням схеми:
1. одноконтурні;
2. двоконтурні;
3. багатоконтурні.
Повітря є широко поширеним теплоносієм, що незамерзає у всьому діапазоні робочих параметрів. При застосуванні його як теплоносій можливе суміщення систем опалення із системою вентиляції. Проте повітря - малотепломісткий теплоносій, що веде до збільшення витрати металу на пристрій систем повітряного опаленняпроти водяними системами.
Вода є теплоємним та широкодоступним теплоносієм. Однак при температурах нижче 0°С до неї необхідно додавати незамерзаючі рідини. Крім того, слід враховувати, що вода, насичена киснем, викликає корозію трубопроводів та апаратів. Але витрата металу у водяних геліосистемах значно нижча, що значною мірою сприяє більш широкому їх застосуванню.
Сезонні геліосистеми гарячого водопостачання зазвичай одноконтурні та функціонують у літні та перехідні місяці, у періоди з позитивною температурою зовнішнього повітря. Вони можуть мати додаткове джерело теплоти або обходитися без нього в залежності від призначення об'єкта, що обслуговується, і умов експлуатації.
Геліосистеми опалення будівель зазвичай двоконтурні або найчастіше багатоконтурні, причому для різних контурів можуть бути застосовані різні теплоносії (наприклад, у геліоконтурі – водні розчини рідин, що незамерзають, у проміжних контурах – вода, а в контурі споживача – повітря).
Комбіновані геліосистеми цілорічної дії для цілей теплохолодопостачання будівель багатоконтурні та включають додаткове джерело теплоти у вигляді традиційного теплогенератора, що працює на органічному паливі, або трансформатора теплоти.
Принципова схема системи сонячного теплопостачання наведено на рис.4.1.2. Вона включає три контури циркуляції:
перший контур, що складається із сонячних колекторів 1, циркуляційного насоса 8 та рідинного теплообмінника 3;
другий контур, що складається з бака-акумулятора 2, циркуляційного насоса 8 та теплообмінника 3;
третій контур, що складається з бака-акумулятора 2, циркуляційного насоса 8 водоповітряного теплообмінника (калорифера) 5.
Принципова схема системи сонячного теплопостачання: 1 – сонячний колектор; 2 – бак-акумулятор; 3 – теплообмінник; 4 – будівля; 5 – калорифер; 6 – дублер системи опалення; 7 – дублер системи гарячого водопостачання; 8 – циркуляційний насос; 9 – вентилятор.
Функціонування
Функціонує система сонячного теплопостачання в такий спосіб. Теплоносій (антифриз) теплоприймального контуру, нагріваючись у сонячних колекторах 1, надходить у теплообмінник 3, де теплота антифризу передається воді, що циркулює міжтрубному просторі теплообмінника 3 під дією насоса 8 другого контуру. Нагріта вода надходить у бак-акумулятор 2. З бака-акумулятора вода забирається насосом гарячого водопостачання 8, при необхідності доводиться до необхідної температури в дублері 7 і надходить в систему гарячого водопостачання будівлі. Підживлення бака акумулятора здійснюється з водопроводу.
Для опалення вода з бака-акумулятора 2 подається насосом третього контуру 8 калорифер 5, через який за допомогою вентилятора 9 пропускається повітря і, нагрівшись, надходить в будинок 4. У разі відсутності сонячної радіації або нестачі теплової енергії, що виробляється сонячними колекторами, в роботу включається дублер 6.
Вибір та компонування елементів системи сонячного теплопостачання у кожному конкретному випадку визначаються кліматичними факторами, призначенням об'єкта, режимом теплоспоживання, економічними показниками.
Принципова схема одноконтурної термосифонної системи гарячого сонячного водопостачання
Особливістю систем є те, що у випадку термосифонної системи нижня точка бака-акумулятора повинна розташовуватися вище за верхню точку колектора і не далі 3-4 м від колекторів, а при насосній циркуляції теплоносія розташування бака-акумулятора може бути довільним.
1. Сонячні колектори.
Сонячний колектор є основним елементом установки, в якій енергія випромінювання Сонця перетворюється на іншу форму корисної енергії. На відміну від звичайних теплообмінників, у яких відбувається інтенсивна передача тепла від однієї рідини до іншої, а випромінювання несуттєве, у сонячному колекторі перенесення енергії до рідини здійснюється від віддаленого джерела променистої енергії. Без концентрації сонячних променів щільність потоку падаючого випромінювання становить у разі -1100 Вт/м 2 і є змінної величиною. Довжини хвиль укладені в інтервалі 0,3 – 3,0 мкм. Вони значно менше величин довжин хвиль власного випромінювання більшості поверхонь, що поглинають випромінювання. Таким чином, дослідження сонячних колекторів пов'язане з унікальними проблемами теплообміну при низьких та змінних густинах потоку енергії та відносно великої ролівипромінювання.
Сонячні колектори можуть застосовуватись як з концентрацією, так і без концентрації сонячного випромінювання. У плоских колекторах поверхня, що сприймає сонячне випромінювання, є одночасно поверхнею, що поглинає випромінювання. Фокусуючі колектори, зазвичай мають увігнуті відбивачі, концентрують випромінювання, що падає на всю їх поверхню, на теплообмінник з меншою площею поверхні, збільшуючи тим самим щільність потоку енергії.
1.1. Плоскі сонячні колектори.Плоский сонячний колектор є теплообмінником, призначеним для нагрівання рідини або газу за рахунок енергії випромінювання Сонця.
Плоскі колектори можуть застосовуватися для нагрівання теплоносія до помірних температур, t ≈ 100 o C. До їх переваг слід віднести можливість використання як прямої, так і розсіяної сонячної радіації; вони не вимагають стеження за сонцем і не потребують повсякденного обслуговування. У конструктивному відношенні вони простіші, ніж система, що складається з концентруючих відбивачів, що поглинають поверхонь і механізмів стеження. Область застосування сонячних колекторів - системи опалення житлових та виробничих будівель, системи кондиціювання, гарячого водопостачання, а також енергетичні установки з низькокиплячим робочим тілом, що працюють зазвичай за циклом Ренкіна.
Основними елементами типового плоского сонячного колектора є: "чорна" поверхня, яка поглинає сонячну радіацію і передає її енергію теплоносію (як правило рідини); прозорі щодо сонячного випромінювання покриття, розташовані над поглинаючою поверхнею, які зменшують конвективні та радіаційні втрати в атмосферу; теплоізоляція зворотної та торцевої поверхонь колектора для зниження втрат за рахунок теплопровідності.
Рис.1. Принципова схема плоского сонячного колектора.
а) 1 – прозорі покриття; 2 – ізоляція; 3 – труба з теплоносієм; 4 - поглинаюча поверхня;
б) 1.поверхня, що поглинає сонячну радіацію, 2-канали теплоносія, 3-скло(??), 4-корпус,
5 - теплова ізоляція.
Рис.2 Сонячний колектор типу лист - труба.
1 – верхній гідравлічний колектор; 2 – нижній гідравлічний колектор; 3 - п труб, розташованих на відстані W один від одного; 4 - лист (поглинаюча пластина); 5- з'єднання; 6 – труба (не в масштабі);
7 – ізоляція.
1.2. Ефективність колектора. Ефективність колектора визначається його оптичним та тепловим ККД. Оптичний ККД η про показує, яка частина сонячної радіації, що досягла поверхні скління колектора, виявляється поглиненою абсорбуючою чорною поверхнею, та враховує втрати енергії, пов'язані з відмінністю від одиниці коефіцієнта пропускання скла та коефіцієнта поглинання абсорбуючої поверхні. Для колектора з одношаровим склінням
де (τα) n - добуток коефіцієнта пропускання скла на коефіцієнт поглинання α абсорбуючий випромінювання поверхні при нормальному падіннісонячних променів.
У тому випадку, якщо кут падіння променів відрізняється від прямого, вводиться поправний коефіцієнт k, що враховує збільшення втрат на відображення від скла та поверхні, що поглинає сонячну радіацію. На рис. 3 наведено графіки k = f(1/ cos 0 - 1) для колекторів з одношаровим та двошаровим склінням. Оптичний ККД з урахуванням кута падіння променів, відмінного від прямого,
Рис. 3. Поправочний коефіцієнт, що враховує відображення сонячних променів від поверхні скла та чорної абсорбуючої поверхні.
Крім цих втрат в колекторі будь-якої конструкції присутні втрати теплоти навколишнє середовище Q піт, які враховуються тепловим ККД, який дорівнює відношенню кількості корисної теплоти, відведеної від колектора за певний час, до кількості енергії випромінювання, що надходить від Сонця за той же час:
де Ω площа апертури колектора; І – щільність потоку сонячної радіації.
Оптичний та тепловий ККД колектора пов'язані ставленням
Теплові втрати характеризуються повним коефіцієнтом втрат U
де Т а - температура чорної поверхні, що абсорбує сонячну радіацію; Т про -температура довкілля.
Розмір U з достатньою для розрахунків точністю може вважатися постійною. У цьому випадку підстановка Q піт у формулу для теплового ккд призводить до рівняння
Тепловий ККД колектора може бути записаний також через середню температуру теплоносія, що протікає через нього:
де T t = (Т вх + Т вих) / 2 – середня температура теплоносія; F" - параметр, зазвичай званий "ефективністю колектора" і характеризує ефективність перенесення теплоти від поверхні, що поглинає сонячну радіацію, до теплоносія; він залежить від конструкції колектора і майже не залежить від інших факторів; типові значення параметра F"≈: 0,8- 0,9 – для плоских повітряних колекторів; 0,9-0,95 – для плоских рідинних колекторів; 0,95-1,0 – для вакуумних колекторів.
1.3. Вакуумні колектори.У тому випадку, коли необхідне нагрівання до більш високих температур, використовують вакуумні колектори. У вакуумному колекторі об'єм, у якому знаходиться чорна поверхня, що поглинає сонячну радіацію, відокремлений від навколишнього середовища вакуумованим простором, що дозволяє значно зменшити втрати теплоти в навколишнє середовище за рахунок теплопровідності та конвекції. Втрати випромінювання значною мірою пригнічуються шляхом застосування селективного покриття. Так як повний коефіцієнт втрат у вакуумному колекторі малий, теплоносій у ньому можна нагріти до високих температур (120-150 ° С), ніж у плоскому колекторі. На рис. 9.10 показані приклади конструктивного виконання вакуумних колекторів.
Рис. 4. Типи вакуумних колекторів.
1 – трубка з теплоносієм; 2 - пластина з селективним покриттям, що поглинає сонячне випромінювання; 3 теплова труба; 4 теплознімний елемент; 5 скляна трубка із селективним покриттям; б – внутрішня трубка для подачі теплоносія; 7 зовнішній скляний балон; 8 вакуум
Завантаження...