Обзор нетрадиционной энергетики и теплоэнергетики

Активные гелиосистемы отопления зданий. В состав активной системы солнечного отопления входят коллектор солнечной энергии, аккумулятор теплоты, дополнительный (резервный) источник энергии, теплообменники для передачи теплоты из КСЭ в аккумулятор и из него к потребителям, насосы или вентиляторы, трубопроводы с арматурой и комплекс устройств для автоматического управления работой системы. Солнечный коллектор обычно устанавливается на крыше дома, остальное оборудование гелиосистемы отопления и горячего водоснабжения дома размещается в подвале. Там устанавливаются основной аккумулятор теплоты, теплообменник для подогрева воды, бак для аккумулирования горячей воды, теплообменник для нагрева воздуха для отопления дома, расширительный бак и теплообменник для передачи теплоты от антифриза к воде. Снаружи дома находится теплообменник, предназначенный для сброса избыточного количества уловленной солнечной теплоты в летний период.

Сравнение активных и пассивных гелиосистем дает возможность выявить их преимущества и недостатки. Преимущества активных гелиосистем связаны с легкостью и гибкостью интегрирования систем со зданием, возможностью автоматического управления работой системы и снижением тепловых потерь. Однако при применении активных гелиосистем часто возникают проблемы, обусловленные недостаточной надежностью оборудования, в том числе систем автоматического управления. В отличии от них пассивные системы просты, надежны в работе и недороги, но они также имеют недостатки, прежде всего возникают трудности с поддержанием температурного режима, необходимого для обеспечения теплового комфорта в отапливаемых помещениях. В гибридных системах можно соединить достоинства активных и пассивных элементов и устранить многие недостатки, повысив тем самым эффективность систем при умеренных капиталовложениях.

Непременным условием эффективной работы солнечной водонагревательной установки термосифонного типа является тепловая изоляция всех нагретых поверхностей – прежде всего бака-аккумулятора, подъемной и отпускной труб, патрубка для отвода горячей воды к водоразборным кранам или душу и воздушника.

В условиях холодного климата в солнечном коллекторе следует использовать незамерзающий теплоноситель – смесь воды с этилен- или пропеленглиголем, глизантин (смесь воды с глицерином) и др.

Солнечные водонагревательные установки с естественной циркуляцией теплоносителя являются саморегулирующимися системами, и расход жидкости в них полностью определяется интенсивностью поступающего солнечного излучения, а также теплотехническими и гидравлическими характеристиками солнечного коллектора, бака-аккумулятора и соединительных трубопроводов.

Установки с принудительной циркуляцией теплоносителя целесообразно использовать для горячего водоснабжения крупных объектов. В них солнечный коллектор представляет собой большой массив модулей КСЭ. Эти установки имеют большую термопроизводительность, но, как правило, они довольно сложны (рис. 3.14).

Принципиальная схема установки с циркуляцией воды в контуре КСЭ с помощью насоса подачей холодной воды в бак-аккумулятор и регулированием температуры горячей воды, поступающей к потребителю, путем подмешивания холодной воды в смесительном клапане показана на рисунке.

Солнечные водонагреватели могут использоваться в качестве первой ступени для предварительного подогрева воды в обычных топливных системах горячего водоснабжения.

По экономическим соображениям за счет солнечной энергии целесообразно покрывать до 80 % нагрузки горячего водоснабжения, поэтому необходимо использовать наряду с коллекторами солнечной энергии (КСЭ) также дополнительные источники энергии (ДИЭ).

Рис. 3.14. Солнечная водонагревательная установка с принудительной циркуляцией

На рисунке обозначено: 1 – солнечный коллектор; 2 – бак-аккуму-лятор; 3 – насос; 4 – клапан; ХВ и ГВ – холодная и горячая вода

  Жилой дом с солнечным отоплением. Среднее за год значение суммарной солнечной радиации на широте 55°, поступающей в сутки на 20 м2 горизонтальной поверхности, составляет 50-60 кВт/ч. Это соответствует затратам энергии на отопление дома площадью 60 м2.

Для условий эксплуатации сезонно обитаемого жилища средней полосы наиболее подходящей является воздушная система теплоснабжения. Воздух нагревается в солнечном коллекторе и по воздуховодам подается в помещение. Удобства применения воздушного теплоносителя по сравнению с жидкостным очевидны:

– нет опасности, что система замерзнет;

– нет необходимости в трубах и кранах;

– простота и дешевизна.

Недостаток – невысокая теплоемкость воздуха.

Конструктивно коллектор представляет собой ряд застекленных вертикальных коробов, внутренняя поверхность которых зачернена матовой краской, не дающей запаха при нагреве. Ширина короба около 60 см. В части расположения солнечного коллектора на доме предпочтение отдается вертикальному варианту. Он много проще в строительстве и дальнейшем обслуживании. По сравнению с наклонным коллектором (например, занимающим часть крыши) не требуется уплотнения от воды, отпадает проблема снеговой нагрузки, с вертикальных стекол легко смыть пыль.

Плоский коллектор, помимо прямой солнечной радиации, воспринимает рассеянную и отраженную радиацию: в пасмурную погоду, при легкой облачности, словом, в тех условиях, какие мы реально имеем в средней полосе. Плоский коллектор не создает высокопотенциальной теплоты, как концентрирующий коллектор, но для конвекционного отопления этого и не требуется, здесь достаточно иметь низкопотенциальную теплоту. Солнечный коллектор располагается на фасаде, ориентированном на юг (допустимо отклонение до 30 ° на восток или на запад).

Неравномерность солнечной радиации в течение дня, а также желание обогревать дом ночью и в пасмурный день диктует необходимость устройства теплового аккумулятора. Днем он накапливает тепловую энергию, а ночью отдает. Для работы с воздушным коллектором наиболее рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дёшев, прост в строительстве. Гравийную засыпку можно разместить в теплоизолированной заглубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор с помощью вентилятора.

Для дома, площадью 60 м2, объем аккумулятора составляет от 3 до 6 м3. Разброс определяется качеством исполнения элементов гелиосистемы, теплоизоляцией, а также режимом солнечной радиации в конкретной местности. Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех режимах (рис. 3.15):

отопление и аккумулирование тепловой энергии (а);

отопление от аккумулятора (б);

аккумулирование тепловой энергии (в);

отопление от коллектора (г).

В холодные солнечные дни нагретый в коллекторе воздух поднимается и через отверстия у потолка поступает в помещения. Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции. В ясные теплые дни горячий воздух забирается из верхней зоны коллектора и с помощью вентилятора прокачивается через гравий, заряжая тепловой аккумулятор. Для ночного отопления и на случай пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретый.

В средней полосе гелиосистема лишь частично обеспечивает потребности отопления. Опыт эксплуатации показывает, что сезонная экономия топлива при использовании солнечной энергии достигает 60 %.

Рис. 3.15. Солнечный дом


На главную