Системы солнечного теплоснабжения. Системы солнечного отопления и 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).

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.

Подготовили студенты Группы Б3ТПЭН31

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

Пассивные

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.

Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления “стена-коллектор”: 1 – солнечные лучи; 2 – лучепрозрачный экран; 3 – воздушная заслонка; 4 – нагретый воздух; 5 – охлажденный воздух из помещения; 6 – собственное длинноволновое тепловое излучение массива стены; 7 – черная лучевоспринимающая поверхность стены; 8 – жалюзи.

Активные

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).

Классификация систем солнечного теплоснабжения

могут быть классифицированы по различным критериям:

по назначению:

1. системы горячего водоснабжения (ГВС);

2. системы отопления;

3. комбинированные системы;

По виду используемого теплоносителя:

1. жидкостные;

2. воздушные;

По продолжительности работы:

1. круглогодичные;

2. сезонные;

По техническому решению схемы:

1. одноконтурные;

2. двухконтурные;

3. 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. Однако воздух – малотеплоемкий теплоноситель, что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем воздушного отопления по сравнению с водяными системами.

Вода является теплоемким и широкодоступным теплоносителем. Однако при температурах ниже 0°С в нее необходимо добавлять незамерзающие жидкости. Кроме того, нужно учитывать, что вода, насыщенная кислородом, вызывает коррозию трубопроводов и аппаратов. Но расход металла в водяных гелиосистемах значительно ниже, что в большой степени способствует более широкому их применению.

Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в летние и переходные месяцы, 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.

Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения приведена на рис.4.1.2. Она включает три контура циркуляции:

первый контур, состоящий из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;

второй контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3;

третий контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8, водовоздушного теплообменника (калорифера) 5.

Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения: 1 – солнечный коллектор; 2 – бак-аккумулятор; 3 – теплообменник; 4 – здание; 5 – калорифер; 6 – дублер системы отопления; 7 – дублер системы горячего водоснабжения; 8 – циркуляционный насос; 9 – вентилятор.

Функционирование

Функционирует система солнечного теплоснабжения следующим образом. Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах 1, поступает в теплообменник 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве теплообменника 3 под действием насоса 8 второго контура. Нагретая вода поступает в бак- аккумулятор 2. Из бака-аккумулятора вода забирается насосом горячего водоснабжения 8, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере 7 и поступает в систему горячего водоснабжения здания. Подпитка бака-аккумулятора осуществляется из водопровода.

Для отопления вода из бака-аккумулятора 2 подается насосом третьего контура 8 в калорифер 5, через который с помощью вентилятора 9 пропускается воздух и, нагревшись, поступает в здание 4. В случае отсутствия солнечной радиации или нехватки тепловой энергии, вырабатываемой солнечными коллекторами, в работу включается дублер 6.

Выбор и компоновка элементов системы солнечного теплоснабжения в каждом конкретном случае определяются климатическими факторами, назначением объекта, режимом теплопотребления, экономическими показателями.

Принципиальная схема одноконтурной термосифонной системы солнечного горячего водоснабжения

Особенностью систем является то, что в случае термосифонной системы нижняя точка бака- аккумулятора должна располагаться выше верхней точки коллектора и не далее 3-4 м. от коллекторов, а при насосной циркуляции теплоносителя расположение бака-аккумулятора может быть произвольным.

Экология потребления.Усадьба:Большую часть года мы вынуждены тратить деньги на отопление своих домов. В такой ситуации любая помощь будет не лишней. Энергия солнца подходит для этих целей как нельзя лучше: абсолютно экологически чистая и бесплатная.

Большую часть года мы вынуждены тратить деньги на отопление своих домов. В такой ситуации любая помощь будет не лишней. Энергия солнца подходит для этих целей как нельзя лучше: абсолютно экологически чистая и бесплатная. Современные технологии позволяют осуществлять солнечное отопление частного дома не только в южных районах, но и в условиях средней полосы.

Что могут предложить современные технологии

В среднем 1 м2 поверхности земли получает 161 Вт солнечной энергии в час. Разумеется, на экваторе этот показатель будет во много раз выше чем в Заполярье. Кроме того, плотность солнечного излучения зависит от времени года. В Московской области интенсивность солнечного излучения в декабре-январе отличается от мая-июля более чем в пять раз. Однако современные системы настолько эффективны, что способны работать практически всюду на земле.

Задача использования энергии солнечной радиации с максимальным КПД решается двумя путями: прямой нагрев в тепловых коллекторах и солнечные фотоэлектрические батареи.

Солнечные батареи вначале преобразуют энергию солнечных лучей в электричество, затем передают через специальную систему потребителям, например электрокотлу.

Тепловые коллекторы нагреваясь под действием солнечных лучей нагревают теплоноситель систем отопления и горячего водоснабжения.

Тепловые коллекторы бывают нескольких видов, в числе которых открытые и закрытые системы, плоские и сферические конструкции, полусферические коллекторы концентраторы и многие другие варианты.

Тепловая энергия, полученная с солнечных коллекторов используется для нагревания горячей воды или теплоносителя системы отопления.

Несмотря на явный прогресс в разработке решений по собиранию, аккумулированию и использованию солнечной энергии, существуют достоинства и недостатки.

Эффективность солнечного отопления в наших широтах довольно низка, что объясняется недостаточным количеством солнечных дней для регулярной работы системы

Плюсы и минусы от использования энергии солнца

Самым очевидным плюсом использования энергии солнца является ее общедоступность. На самом деле даже в самую хмурую и облачную погоду солнечная энергия может быть собрана и использована.

Второй плюс - это нулевые выбросы. По сути, это самый экологически чистый и естественный вид энергии. Солнечные батареи и коллекторы не производят шума. В большинстве случаев устанавливаются на крышах зданий, не занимая полезную площадь загородного участка.

Недостатки, связанные с использованием энергии солнца, заключаются в непостоянстве освещенности. В темное время суток становится нечего собирать, ситуация усугубляется тем, что пик отопительного сезона приходится на самые короткие световые дни в году.

Существенный недостаток отопления, основанного на применении солнечных коллекторов, заключается в отсутствии возможности накапливать тепловую энергию. В схему включен только расширительный бак

Необходимо следить за оптической чистотой панелей, незначительное загрязнение резко снижает КПД.

Кроме того, нельзя сказать, что эксплуатация системы на солнечной энергии обходится полностью бесплатно, существуют постоянные затраты на амортизацию оборудования, работу циркуляционного насоса и управляющей электроники.

Открытые солнечные коллекторы

Открытый солнечный коллектор представляет собой незащищенную от внешних воздействий систему трубок, по которым циркулирует нагреваемый непосредственно солнцем теплоноситель. В качестве теплоносителя применяется вода, газ, воздух, антифриз. Трубки либо закрепляются на несущей панели в виде змеевика, либо присоединяются параллельными рядами к выходному патрубку.

Солнечные коллекторы открытого типа не способны справиться с отоплением частного дома. Из-за отсутствия изоляции теплоноситель быстро остывает. Их используют в летнее время в основном для нагрева воды в душевых или бассейнах

У открытых коллекторов нет обычно никакой изоляции. Конструкция очень простая, поэтому имеет невысокую стоимость и часто изготавливается самостоятельно.

Ввиду отсутствия изоляции практически не сохраняют полученную от солнца энергию, отличаются низким КПД. Применяются их преимущественно в летний период для подогрева воды в бассейнах или летних душевых. Устанавливаются в солнечных и теплых регионах, при небольших перепадах температуры окружающего воздуха и подогреваемой воды. Хорошо работают только в солнечную, безветренную погоду.

Самый простой солнечный коллектор с теплоприемником, сделанным из бухты полимерных труб, обеспечит поставку подогретой воды на даче для полива и бытовых нужд

Трубчатые солнечные коллекторы

Трубчатые солнечные коллекторы собираются из отдельных трубок, по которым курсирует вода, газ или пар. Это одна из разновидностей гелиосистем открытого типа. Однако теплоноситель уже намного лучше защищен от внешнего негатива. Особенно в вакуумных установках, устроенных по принципу термосов.

Каждая трубка подключается к системе отдельно, параллельно друг другу. При выходе из строя одной трубки ее легко поменять на новую. Вся конструкция может собираться непосредственно на кровле здания, что значительно облегчает монтаж.

Трубчатый коллектор имеет модульную структуру. Основным элементом является вакуумная трубка, количество трубок варьируется от 18 до 30, что позволяет точно подобрать мощность системы

Веский плюс трубчатых солнечных коллекторов заключается в цилиндрической форме основных элементов, благодаря которым солнечное излучение улавливается круглый световой день без применения дорогостоящих систем слежения за передвижением светила.

Специальное многослойное покрытие создает своего рода оптическую ловушку для солнечных лучей. На схеме частично показана внешняя стенка вакуумной колбы отражающая лучи на стенки внутренней колбы

По конструкции трубок различают перьевые и коаксиальные солнечные коллекторы.

Коаксиальная трубка представляет собой сосуд Дьаюра или всем знакомый термос. Изготовлены из двух колб между которыми откачан воздух. На внутреннюю поверхность внутренней колбы нанесено высокоселективное покрытие эффективно поглощающее солнечную энергию.

Тепловая энергия от внутреннего селективного слоя передается тепловой трубке или внутреннему теплообменнику из алюминиевых пластин. На этом этапе происходят нежелательные теплопотери.

Перьевая трубка представляет собой стеклянный цилиндр со вставленным внутрь перьевым абсорбером.

Для хорошей теплоизоляции из трубки откачан воздух. Передача тепла от абсорбера происходит без потерь, поэтому КПД перьевых трубок выше.

По способу передачи тепла есть две системы: прямоточные и с термотрубкой (heat pipe).

Термотрубка представляет собой запаянную емкость с легкоиспаряющейся жидкостью.

Внутри термотрубки находится легкоиспаряющаяся жидкость, которая воспринимает тепло от внутренней стенки колбы или от перьевого абсорбера. Под действием температуры жидкость закипает и в виде пара поднимается вверх. После того как тепло отдано теплоносителю отопления или горячего водоснабжения, пар конденсируется в жидкость и стекает вниз.

В качестве легкоиспаряющейся жидкости часто применяется вода при низком давлении.

В прямоточной системе используется U-образная трубка, по которой циркулирует вода или теплоноситель системы отопления.

Одна половина U-образной трубки предназначена для холодного теплоносителя, вторая отводит нагретый. При нагреве теплоноситель расширяется и поступает в накопительный бак, обеспечивая естественную циркуляцию. Как и в случае систем с термотрубкой, минимальный угол наклона должен составлять не менее 20⁰.

Прямоточные системы более эффективны так как сразу нагревают теплоноситель.

Если системы солнечных коллекторов запланированы к использованию круглый год, то в них закачивается специальные антифризы.

Плюсы и недостатки трубчатых коллекторов

Применение трубчатых солнечных коллекторов имеет ряд достоинств и недостатков. Конструкция трубчатого солнечного коллектора состоит из одинаковых элементов, которые относительно легко заменить.

Достоинства:

низкие теплопотери;
способность работать при температуре до -30⁰С;
эффективная производительность в течение всего светового дня;
хорошая работоспособность в областях с умеренным и холодным климатом;
низкая парусность, обоснованная способностью трубчатых систем пропускать сквозь себя воздушные массы;
возможность производства высокой температуры теплоносителя.

Конструктивно трубчатая конструкция имеет ограниченную апертурную поверхность. Обладает следующими недостатками:

не способна к самоочистке от снега, льда, инея;
высокая стоимость.

Несмотря на первоначально высокую стоимость, трубчатые коллекторы быстрее окупаются. Имеют большой срок эксплуатации.

Плоские закрытые солнечные коллекторы

Плоский коллектор состоит из алюминиевого каркаса, специального поглощающего слоя – абсорбера, прозрачного покрытия, трубопровода и утеплителя.

В качестве абсорбера применяют зачерненную листовую медь, отличающуюся идеальной для создания гелиосистем теплопроводностью. При поглощении солнечной энергии абсорбером происходит передача полученной им солнечной энергии теплоносителю, циркулирующему по примыкающей к абсорберу системе трубок.

С наружной стороны закрытая панель защищена прозрачным покрытием. Оно изготовлено из противоударного закаленного стекла, имеющего полосу пропускания 0,4-1,8мкм. На такой диапазон приходится максимум солнечного излучения. Противоударное стекло служит хорошей защитой от града. С тыльной стороны вся панель надежно утеплена.

Плоские солнечные коллекторы отличаются максимальной производительностью и простой конструкцией. КПД их увеличен за счет применения абсорбера. Они способны улавливать рассеянное и прямое солнечное излучение

В перечне преимуществ закрытых плоских панелей числятся:

простота конструкции;
хорошая производительность в регионах с теплым климатом;
возможность установки под любым углом при наличии приспособлений для изменения угла наклона;
способность самоочищаться от снега и инея;
низкая цена.

Плоские солнечные коллекторы особенно выгодны, если их применение запланировано еще на стадии проектирования. Срок службы у качественных изделий составляет 50 лет.

К недостаткам можно отнести:

высокие теплопотери;
большой вес;
высокая парусность при расположении панелей под углом к горизонту;
ограничения в производительности при перепадах температуры более 40°С.

Сфера применения закрытых коллекторов значительно шире, чем гелиоустановок открытого типа. Летом они способны полностью удовлетворить потребность в горячей воде. В прохладные дни, не включенные коммунальщиками в отопительный период, они могут поработать вместо газовых и электрообогревателей.

Сравнение характеристик солнечных коллекторов

Самым главным показателем солнечного коллектора является КПД. Полезная производительность разных по конструкции солнечных коллекторов зависит от разности температур. При этом плоские коллекторы значительно дешевле трубчатых.

Значения КПД зависят от качества изготовления солнечного коллектора. Цель графика показать эффективность применения разных систем в зависимости от разницы температуры

При выборе солнечного коллектора стоит обратить внимание на ряд параметров показывающих эффективность и мощность прибора.

Для солнечных коллекторов есть несколько важных характеристики:

коэффициент адсорбции – показывает отношение поглощенной энергии к общей;
коэффициент эмиссии – показывает отношение переданной энергии к поглощенной;
общая и апертурная площадь;
КПД.

Апертурная площадь – это рабочая площадь солнечного коллектора. У плоского коллектора апертурная площадь максимальна. Апертурную площадь равна площади абсорбера.

Способы подключения к системе отопления

Поскольку устройства на солнечной энергии не могут обеспечить стабильное и круглосуточное снабжение энергией, необходима система устойчивая к этим недостаткам.

Для средней полосы России солнечные устройства не могут гарантировать стабильный приток энергии, поэтому используются как дополнительная система. Интегрирование в существующую систему отопления и горячего водоснабжения отличается для солнечного коллектора и солнечной батареи.

Схема подключении теплового коллектора

В зависимости от целей использования теплового коллектора применяются разные системы подключения. Вариантов может быть несколько:

Летний вариант для горячего водоснабжения
Зимний вариант для отопления и горячего водоснабжения

Летний вариант наиболее простой и может обходится даже без циркуляционного насоса, используя естественную циркуляцию воды.

Вода нагревается в солнечном коллекторе и за счет теплового расширения поступает в бак-аккумулятор или бойлер. При этом происходит естественная циркуляция: на место горячей воды из бака засасывается холодная.

Зимой при отрицательных температурах прямой нагрев воды не возможен. По закрытому контуру циркулирует специальный антифриз, обеспечивая перенос тепла от коллектора к теплообменнику в баке

Как любая система основанная на естественной циркуляции работает не очень эффективно, требуя соблюдения необходимых уклонов. Кроме того, аккумулирующий бак должен быть выше чем солнечный коллектор.

Чтобы вода оставалась как можно дольше горячей бак необходимо тщательно утеплить.

Если Вы хотите действительно добиться максимально эффективной работы солнечного коллектора, схема подключения усложниться.

По системе солнечного коллектора циркулирует незамерзающий теплоноситель. Принудительную циркуляцию обеспечивает насос под управлением контроллера.

Контроллер управляет работой циркуляционного насоса основываясь на показаниях как минимум двух температурных датчиков. Первый датчик измеряет температуру в накопительном баке, второй - на трубе подачи горячего теплоносителя солнечного коллектора. Как только температура в баке превысит температуру теплоносителя, в коллекторе контроллер отключает циркуляционный насос, прекращая циркуляцию теплоносителя по системе.

В свою очередь при понижении температуры в накопительном баке ниже заданной включается отопительный котел.

Схема подключения солнечной батареи

Было бы заманчиво применить схожую схему подключения солнечной батареи к электросети, как это реализовано в случае солнечного коллектора, накапливая поступившую за день энергию. К сожалению для системы электроснабжения частного дома создать блок аккумуляторов достаточной емкости очень дорого. Поэтому схема подключения выглядит следующим образом.

При снижении мощности электрического тока от солнечной батареи блок АВР (автоматическое включение резерва) обеспечивает подключение потребителей к общей элетросети

С солнечных панелей заряд поступает на контроллер заряда, который выполняет несколько функций: обеспечивает постоянную подзарядку аккумуляторов и стабилизирует напряжение. Далее электрический ток поступает на инвертор, где происходит преобразование постоянного тока 12В или 24В в переменный однофазный ток 220В.

Увы, наши электросети не приспособлены для получения энергии, могут работать только в одном направлении от источника к потребителю. По этой причине вы не сможете продавать добытую электроэнергию или хотя бы заставить счетчик крутиться в обратную сторону.

Использование солнечных батарей выгодно тем, что они предоставляют более универсальный вид энергии, но при этом не могут сравнится по эффективности с солнечными коллекторами. Однако последние не обладают возможностью накапливать энергию в отличие от солнечных фотоэлектрических батарей.

Как посчитать необходимую мощность коллектора

При расчете необходимой мощности солнечного коллектора очень часто ошибочно производят вычисления, исходя из поступающей солнечной энергии в самые холодные месяцы года.

Дело в том, что в остальные месяцы года вся система будет постоянно перегреваться. Температура теплоносителя летом на выходе из солнечного коллектора может достигать 200°С при нагреве пара или газа, 120°С антифриза, 150°С воды. Если теплоноситель закипит, он частично испариться. В результате его придется заменить.

обеспечение горячего водоснабжения не более 70%;
обеспечение отопительной системы не более 30%.

Остальное необходимое тепло должно вырабатывать стандартное отопительное оборудование. Тем не менее при таких показателях в год экономится в среднем около 40% на отоплении и горячем водоснабжении.

Мощность вырабатываемая одной трубкой вакуумной системы зависит от географического местоположения. Показатель солнечной энергии падающей в год на 1 м2 земли называется инсоляцией. Зная длину и диаметр трубки, можно высчитать апертуру – эффективную площадь поглощения. Остается применить коэффициенты абсорбции и эмиссии для вычисления мощности одной трубки в год.

Пример расчета:

Стандартная длина трубки составляет 1800 мм, эффективная - 1600 мм. Диаметр 58 мм. Апертура – затененный участок создаваемый трубкой. Таким образом площадь прямоугольника тени составит:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928м2

КПД средней трубки составляет 80%, солнечная инсоляция для Москвы составляет около 1170 кВт*ч/м2 в год. Таким образом одна трубка выработает в год:

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86кВт*ч

Необходимо отметить, что это очень приблизительный расчет. Количество вырабатываемой энергии зависит от ориентирования установки, угла, среднегодовой температуры и т.д. опубликовано

Классификация и основные элементы гелиосистем

Пассивныминазываются 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. 3.4)).

Рис. 3.4. Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления “стена-коллектор”: 1 – солнечные лучи; 2 – лучепрозрачный экран; 3 – воздушная заслонка; 4 – нагретый воздух; 5 – охлажденный воздух из помещения; 6 – собственное длинноволновое тепловое излучение массива стены; 7 – черная лучевоспринимающая поверхность стены; 8 – жалюзи.

Активныминазываются 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).

Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения приведена на рис.3.5. Она включает три контура циркуляции:

‑ первый контур, состоящий из солнечных коллекторов 1, циркуляционного насоса 8 и жидкостного теплообменника 3;

‑ второй контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8 и теплообменника 3;

‑ третий контур, состоящий из бака-аккумулятора 2, циркуляционного насоса 8, водовоздушного теплообменника (калорифера) 5.

Рис. 3.5. Принципиальная схема системы солнечного теплоснабжения: 1 – солнечный коллектор; 2 – бак-аккумулятор; 3 – теплообменник; 4 – здание; 5 – калорифер; 6 – дублер системы отопления; 7 – дублер системы горячего водоснабжения; 8 – циркуляционный насос; 9 – вентилятор.

Функционирует система солнечного теплоснабжения следующим образом. Теплоноситель (антифриз) теплоприемного контура, нагреваясь в солнечных коллекторах 1, поступает в теплообменник 3, где теплота антифриза передается воде, циркулирующей в межтрубном пространстве теплообменника 3 под действием насоса 8 второго контура. Нагретая вода поступает в бак-аккумулятор 2. Из бака-аккумулятора вода забирается насосом горячего водоснабжения 8, доводится при необходимости до требуемой температуры в дублере 7 и поступает в систему горячего водоснабжения здания. Подпитка бака-аккумулятора осуществляется из водопровода.

Концентрирующие гелиоприемники

Концентрирующие гелиоприемникипредставляют собой сферические или параболические зеркала (рис. 3.6), выполненные из полированного металла, в фокус которых помещают тепловоспринимающий элемент (солнечный котел), через который циркулирует теплоноситель. В качестве теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости. При использовании в качестве теплоносителя воды в ночные часы и в холодный период систему обязательно опорожняют для предотвращения ее замерзания.

Для обеспечения высокой эффективности процесса улавливания и преобразования солнечной радиации концентрирующий гелиоприемник должен быть постоянно направлен строго на Солнце. С этой целью гелиоприемник снабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце, электронный блок преобразования сигналов, электродвигатель с редуктором для поворота конструкции гелиоприемника в двух плоскостях.

Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемниками является способность выработки теплоты с относительно высокой температурой (до 100 °С) и даже пара. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции; необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей от пыли; работу только в светлое время суток, а следовательно, потребность в аккумуляторах большого объема; большие энергозатраты на привод системы слежения за ходом Солнца, соизмеримые с вырабатываемой энергией. Эти недостатки сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками. В последнее время наиболее часто для солнечных низкотемпературных систем отопления применяют плоские гелиоприемники.

Плоские солнечные коллекторы

Плоский солнечный коллектор– устройство с поглощающей панелью плоской конфигурации и плоской прозрачной изоляцией для поглощения энергии солнечного излучения и преобразования ее в тепловую.

Плоские солнечные коллекторы (рис. 3.7) состоят из стеклянного или пластикового покрытия (одинарного, двойного, тройного), тепловоспринимающей панели, окрашенной со стороны, обращенной к солнцу, в черный цвет, изоляции на обратной стороне и корпуса (металлического, пластикового, стеклянного, деревянного).

В качестве тепловоспринимающей панели можно использовать любой металлический или пластмассовый лист с каналами для теплоносителя. Изготавливаются тепловоспринимающие панели из алюминия или стали двух типов: лист-труба и штампованные панели (труба в листе). Пластмассовые панели из-за недолговечности и быстрого старения под действием солнечных лучей, а также из-за малой теплопроводности не находят широкого применения.

Рис. 3.6 Концентрирующие гелиоприемники: а – параболический концентратор; б – параболоцилиндрический концентратор; 1 – солнечные лучи; 2 – тепловоспринимающий элемент (солнечный коллектор); 3 – зеркало; 4 – механизм привода системы слежения; 5 – трубопроводы, подводящие и отводящие теплоноситель.

Рис. 3.7. Плоский солнечный коллектор: 1 – солнечные лучи; 2 – остекление; 3 – корпус; 4 – тепловоспринимающая поверхность; 5 – теплоизоляция; 6 – уплотнитель; 7 – собственное длинноволновое излучение тепловоспринимающей пластины.

Под действием солнечной радиации тепловоспринимающие панели разогреваются до температур 70-80 °С, превышающих температуру окружающей среды, что ведет к возрастанию конвективной теплоотдачи панели в окружающую среду и ее собственного излучения на небосвод. Для достижения более высоких температур теплоносителя поверхность пластины покрывают спектрально-селективными слоями, активно поглощающими коротковолновое излучение солнца и снижающими ее собственное тепловое излучение в длинноволновой части спектра. Такие конструкции на основе “черного никеля”, “черного хрома”, окиси меди на алюминии, окиси меди на меди и другие дорогостоящи (их стоимость часто соизмерима со стоимостью самой тепловоспринимающей панели). Другим способом улучшения характеристик плоских коллекторов является создание вакуума между тепловоспринимающей панелью и прозрачной изоляцией для уменьшения тепловых потерь (солнечные коллекторы четвертого поколения).

Опыт эксплуатации солнечных установок на основе солнечных коллекторов выявил ряд существенных недостатков подобных систем. Прежде всего это высокая стоимость коллекторов. Увеличение эффективности их работы за счет селективных покрытий, повышение прозрачности остекления, вакуумирования, а также устройства системы охлаждения оказываются экономически нерентабельными. Существенным недостатком является необходимость частой очистки стекол от пыли, что практически исключает применение коллектора в промышленных районах. При длительной эксплуатации солнечных коллекторов, особенно в зимних условиях, наблюдается частый выход их из строя из-за неравномерности расширения освещенных и затемненных участков стекла за счет нарушения целостности остекления. Отмечается также большой процент выхода из строя коллекторов при транспортировке и монтаже. Значительным недостатком работы систем с коллекторами является также неравномерность загрузки в течение года и суток. Опыт эксплуатации коллекторов в условиях Европы и европейской части России при высокой доле диффузной радиации (до 50%) показал невозможность создания круглогодичной автономной системы горячего водоснабжения и отопления. Все гелиосистемы с солнечными коллекторами в средних широтах требуют устройства больших по объему баков-аккумуляторов и включения в систему дополнительного источника энергии, что снижает экономический эффект от их применения. В связи с этим наиболее целесообразно их использование в районах с высокой средней интенсивностью солнечной радиации (не ниже 300 Вт/м 2).

Системы отопления разделяют следующим образом: на пассивные (см. гл. 5); активные, которые в большинстве используют жидкостные солнечные коллекторы и баки-аккумуляторы; комбинированные.

За рубежом широкое распространение получили системы воздушного отопления, где в качестве аккумуляторов используют конструкции здания или специальную каменную засыпку под ним. В нашей стране в этом направлении работают ФТИ АН УзССР и ТбилЗНИИЭП, однако результаты работ явно недостаточны и отлаженных решений не создано, хотя воздушные системы теоретически эффективнее жидкостных, в которых собственно система отопления выполнена низкотемпературной панельно-лучистой или высокотемпературной с обычными нагревательными приборами. В нашей стране здания с жидкостными системами разработаны ИВТАН, ФТИ АН УзССР, ТашЗНИИЭП, ТбилЗНИИЭП, КиевЗНИИЭП и др. и в ряде случаев возведены.

Большой объем информации по активным системам солнечного отопления приведен в вышедшей в 1980 г. книге . Далее же описаны разработанные КиевЗНИИЭП, построенные и испытанные два индивидуальных жилых дома с автономными системами солнечного теплоснабжения: с низкотемпературной панельно-лучистой системой отопления (жилой дом в с. Колесное Одесской обл.) и с тепловым насосом (жилой дом в с. Букурия Молдавской ССР).

При разработке системы солнечного теплоснабжения жилого дома в с. Колесное внесен ряд изменений в архитектурно-строительную часть дома (проект УкрНИИПграждансельскстрой), направленных на его приспособление к требованиям солнечного теплоснабжения: использована эффективная кладка с утеплителем для наружных стен и тройное остекление оконных проемов; змеевики системы отопления совмещены с междуэтажными перекрытиями; предусмотрен подвал для размещения оборудования ; проведено дополнительное утепление чердака и утилизация тепла вытяжного воздуха.

В архитектурно-компоновочном отношении дом выполнен в двух уровнях. На первом этаже размещены передняя, общая комната, спальня, кухня, ванная комната и кладовые, а на втором - две спальни и санузел, предусмотрена электроплита для приготовления пищи. Оборудование системы солнечного теплоснабжения (кроме коллекторов) расположено в подвале; дублером системы служат электроводонагреватели, что позволяет осуществить единый энерговвод в здание и повысить комфортные качества жилья.

Система солнечного теплоснабжения жилого дома (рис. 4.1) состоит Из трех контуров: теплоприемного циркуляционного и контуров отопления и горячего водоснабжения. В состав первого из них входят солнечные водонагреватели, змеевик-теплообменник бака-аккумулятора, циркуляционный насос и теплообменник "труба в трубе" для работы системы в летнее время в режиме с естественной циркуляцией. Оборудование объединено системой трубопроводов с арматурой, контрольно-измерительными приборами и приборами автоматики. В бак-аккумулятор вместимостью 16 м3 вмонтированы двухсекционный змеевиковый теплообменник с площадью поверхности 4,6 м2 для теплоносителя циркуляционного контура и односекционной теплообменник с площадью поверхности 1,2 м2 для системы горячего водоснабжения. Теплоемкость бака с температурой воды в нем +45 °С обеспечивает трехсуточную потребность жилого дома в тепле. Теплообменник типа "труба в трубе" поверхностью 1,25 м2 размещен под коньком крыши дома.

Контур отопления состоит из двух последовательно соединенных участков: панельно-лучистого с поточными отопительными панелями, обеспечивающими работу системы в базовом режиме с перепадом температур воды 45 ... 35 °С, и вертикально-однотрубного с конвекторами типа "Комфорт", обеспечивающими пиковые нагрузки системы отопления с перепадом температур воды 75 ... 70 °С. Змеевики труб отопительных панелей замоноличены в штукатурно-отделочныи слой круглопустотных панелей потолочного перекрытия. Конвекторы устанавливаются под окнами. Циркуляция в системе отопления - побудительная. Пиковый подогрев воды осуществляется проточным электроводонагревателем ЭПВ-2 мощностью 10 кВт; он же служит дублером системы отопления.

В состав контура горячего водоснабжения входит теплообменник, встроенный в бак-аккумулятор, и второй проточной электроводонагреватель в качестве доводчика и дублера системы.

В течение отопительного периода теплота от коллекторов передается теплоносителем (45 %-м водным раствором этиленгликоля) воде в бак-аккумуляторе, которая насосом направляется в змеевики отопительной панели, а затем возвращается вновь в бак-аккумулятор.

Необходимая температура воздуха в помещении дома поддерживается автоматическим регулятором РРТ-2 путем включения и выключения электроводоподогревателя на конвекторном участке системы отопления.

Летом система обеспечивает потребности горячего водоснабжения от теплообменника типа "труба в трубе" при естественной циркуляции теплоносителя в теплоприемном контуре. Переход на побудительную циркуляцию осуществляется с помощью электронного дифференциального регулятора РРТ-2.

Система солнечного теплоснабжения четырехкомнатного жилого дома в с. Букурия Молдавской ССР запроектирована институтом Молдгипрограждансельстрой под научным руководством КиевЗНИИЭП.

Жилой дом - мансардного типа. На первом этаже находятся общая комната, кухня, постирочная, хозяйственное помещение, а на втором - три спальни. В цокольном этаже размещены гараж, погребла также помещение для оборудования системы солнечного теплоснабжения. С домом блокируется хозяйственная постройка, которая включает в себя летнюю кухню, душ, навес, инвентарную и мастерскую.

Автономная система солнечного теплоснабжения (рис. 4.2) представляет собой комбинированную солнечно-теплонасосную установку, предназначенную для обеспечения нужд отопления (расчетные тепло - потери дома 11 кВт) и горячего водоснабжения в течение всего года. Недостаток солнечной теплоты и теплоты от компрессора теплонасос - ной установки покрывается за счет электроподогрева. Система состоит из четырех контуров: теплоприемного циркуляционного, контуров теплонасосной установки, отопления и горячего водоснабжения.

В состав оборудования теплоприемного контура входят солнечные коллекторы, теплообменник "труба в трубе" и бак-аккумулятор вместимостью 16 м3 с встроенным в него теплообменником с площадью поверхности 6 м2. Солнечные коллекторы конструкции КиевЗНИИЭП с двухслойным остеклением общей площадью 70 м2 размещены в раме на южном скате крыши дома под углом 55° к горизонту. В качестве теплоносителя использован 45 %-й водный раствор этиленгликоля. Теплообменник размещен под коньком крыши, а остальное оборудование расположено в подвальном помещении дома.

В качестве теплонасосной установки служит компрессорно-конден - саторный холодильный агрегат АК1-9 теплопроизводительностью 11,5 кВт и потребляемой мощностью 4,5 кВт. Рабочим агентом теплонасосной установки является фреон-12. Компрессор - поршневой бессальниковый, конденсатор и испаритель - кожухотрубные с водяным охлаждением.

В состав оборудования контура отопления входят циркуляционный насос, отопительные приборы типа "Комфорт" проточный электроводонагреватель ЭПВ-2 в качестве доводчика и дублера. В состав оборудования контура горячего водоснабжения входят емкостный (0,4 м3) водонагреватель типа СТД с поверхностью теплообменника 0,47 м2 и концевой электронагреватель БАС-10/М 4-04 мощностью 1 кВт. Циркуляционные насосы всех контуров - типа ЦВЦ, бессальниковые, вертикальные, малошумные, бесфундаментные.

Система работает следующим образом. Теплоноситель передает тепло от коллекторов воде в баке-аккумуляторое й фреону в испарителе теплового насоса. Парообразный фреон после сжатия в компрессоре конденсируется в конденсаторе, нагревая при этом воду в системе отопления и водопроводную воду в системе горячего водоснабжения.

При отсутствии солнечной радиации и израсходовании теплоты, запасенной в баке-аккумуляторе, теплонасосная установка выключается и теплоснабжение дома осуществляется полностью от электроводонагревателей (электрокотлов). Зимой теплонасосная установка находится в работе только при определенном уровне отрицательных температур наружного воздуха (не ниже - 7 °С) с тем, чтобы исключить замерзание воды в баке-аккумуляторе. Летом система горячего водоснабжения обеспечивается теплотой в основном при естественной циркуляции теплоносителя через теплообменник типа "труба в трубе". В результате осуществления различных режимов работы комбинированная солнечно-теплонасосная установка позволяет сберечь теплоты около 40 ГДж/год (результаты эксплуатации этих установок приведены в гл. 8).

Сочетание солнечной энергии и тепловых насосов нашло ^ зое отражение и в разработанном ЦНИИЭП инженерного оборудования

Рис. 4.3. Принципиальная схема системы теплоснабжения в г. Геленджике

1 - солнечный коллектор; 2 - теплообменник догрева с теплоносителем от контура конденсатора тепловых насосов; 3 - теплообменник догрева с теплоносителем от тепловой сети; 4 - насос контура конденсатора; 5 - тепловой насос; 6 - насос контура испартеля; 7 - теплообменник подогрева (охлаждения) воды контура испарителя (конденсатора); 8 - Теплообменник подогрева исходной (сырой) воды; 9 - насос горячего водоснабжения; 10 - Аккумуляторные баки; 11 - теплообменник солнечного контура; 12 - насос солнечного контура

Проекте теплоснабжения гостиничного комплекса "Приветливый берег" в г. Геленджике {рис. 4.3).

Основу солнечно-теплонасосной установки составляют: плоские солнечные коллекторы общей площадью 690 м2 и тре серийно выпускаемые холодильные машины MKT 220-2-0, работающие в режиме теплового насоса. Расчетная годовая выработка теплоты составляет около 21000 ГДж, в том числе солнечной установкой - 1470 ГДж.

Низкопотенциальным источником тепла для тепловых насосов служит морская вода. Для обеспечения безкоррозионного и безнакипного режима работы поверхностей нагрева коллекторов, трубопроводов и конденсаторов их заполняют умягченной и деаэрированной водой тепловой сети. По сравнению с традиционной схемой теплоснабжения от котельной привлечение нетрадиционных источников тепла -

Солнца и морской воды, позволяет сэкономить около 500 т усл. топл /год.

Другим характерным примером использования новых источников энергии является проект теплоснабжения усадебного дома с помощью

Солнечно-теплонасосной установки. Проект предусматривает круглогодичное полное удовлетворение потребностей отопления и горячего водоснабжения усадебного дома мансардного типа жилой площадью 55 м2. Низкопотенциальным источником теплоты для теплового насоса служит грунт. Предположительный экономический эффект от внедрения системы - не менее 300 руб. на квартиру по сравнению с традиционным вариантом теплоснабжения от твердотопливного аппарата.