Системы активного солнечного теплоснабжения. Советское и российское солнечное теплоснабжение — научные и инженерные школы Солнечное теплоснабжение
Описание:
Особое значение при проектировании олимпийских объектов в Сочи имеет использование экологически чистых возобновляемых источников энергии и в первую очередь энергии солнечной радиации. В связи с этим будет интересен опыт разработки и внедрения пассивных солнечных систем теплоснабжения в жилых и общественных зданиях в провинции Ляонин (Китай), поскольку географическое расположение и климатические условия данной части Китая сопоставимы с аналогичными характеристиками Сочи.
Опыт Китайской Народной Республики
Чжао Цзиньлин , канд. техн. наук, Даляньский политехнический ун-т (КНР), стажер кафедры промышленных теплоэнергетических систем,
А. Я. Шелгинский , доктор техн. наук, проф., науч. руководитель, МЭИ (ТУ), Москва
Особое значение при проектировании олимпийских объектов в Сочи имеет использование экологически чистых возобновляемых источников энергии и в первую очередь энергии солнечной радиации. В связи с этим будет интересен опыт разработки и внедрения пассивных солнечных систем теплоснабжения в жилых и общественных зданиях в провинции Ляонин (Китай), поскольку географическое расположение и климатические условия данной части Китая сопоставимы с аналогичными характеристиками Сочи.
Применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для систем теплоснабжения является актуальным и весьма перспективным в настоящее время при условии грамотного подхода к данному вопросу, т. к. традиционные источники энергии (нефть, газ и т. п.) не безграничны. В связи с этим многие страны, включая КНР, переходят на использование экологически чистых возобновляемых источников энергии, одним из которых является теплота солнечного излучения.
Возможность эффективного использования теплоты солнечного излучения в Китайской Народной Республике зависит от региона, поскольку климатические условия в разных частях страны сильно отличаются: от умеренного континентального (запад и север) с жарким летом и суровой зимой, субтропического в центральных районах страны до тропического муссонного на южном побережье и островах, обуславливается географическим местонахождением территории, на которой находится объект (таблица).
| Таблица
Распределение солнечных ресурсов по территории Китая |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
В провинции Ляонин интенсивность солнечной радиации составляет от 5 000 до 5 850 МДж/м 2 в год (в Сочи – около 5 000 МДж/м 2 в год), что позволяет активно применять системы отопления и охлаждения зданий на основе использования энергии солнечной радиации. Такие системы, преобразующие теплоту солнечного излучения и наружного воздуха, можно разделить на активные и пассивные.
В пассивных системах солнечного теплоснабжения (ПССТ) используется естественная циркуляция нагретого воздуха (рис. 1), т. е. гравитационные силы.
В активных системах солнечного теплоснабжения (рис. 2) задействованы дополнительные источники энергии для обеспечения ее работы (например, электроэнергия). Теплота солнечного излучения поступает на солнечные коллекторы, где частично аккумулируется и передается промежуточному теплоносителю, который насосами транспортируется и распределяется по помещениям.
Возможны системы с нулевым потреблением теплоты и холода, где соответствующие параметры воздуха в помещениях обеспечиваются без дополнительных энергозатрат за счет:
- необходимой тепловой изоляции;
- выбора конструкционных материалов здания с соответствующими теплохладоаккумулирующими свойствами;
- использования в системе дополнительных теплохладоаккумуляторов с соответствующими характеристиками.
На рис. 3 представлена усовершенствованная схема работы пассивной системы теплоснабжения здания c элементами (шторы, клапаны), позволяющими более точно регулировать температуру воздуха внутри помещения. На южной стороне здания устанавливается так называемая стена Тромба, которая состоит из массивной стены (бетонной, кирпичной или каменной) и стеклянной перегородки, устанавливаемой на небольшом расстоянии от стены с внешней стороны. Наружная поверхность массивной стены окрашена в темный цвет. Через стеклянную перегородку нагревается массивная стена и воздух, находящийся между стеклянной перегородкой и массивной стеной. Нагретая массивная стена за счет излучения и конвективного теплообмена передает накопленную теплоту в помещение. Таким образом, в этой конструкции совмещаются функции коллектора и аккумулятора теплоты.
Воздух, находящийся в прослойке между стеклянной перегородкой и стеной, в холодный период времени и в солнечный день используется в качестве теплоносителя для подачи теплоты в помещение. Для предотвращения теплооттоков в окружающую среду в холодный период времени в ночное время и избыточных теплопритоков в солнечные дни теплого периода времени используются шторы, которые значительно сокращают теплообмен между массивной стеной и внешней окружающей средой.
Шторы выполняются из нетканых материалов с серебристым покрытием. Для обеспечения необходимой циркуляции воздуха используются воздушные клапаны, которые расположены в верхней и нижней частях массивной стены. Автоматическое управление работой воздушных клапанов позволяет поддерживать необходимые теплопритоки или теплооттоки в обслуживаемом помещении.
Система пассивного солнечного теплоснабжения работает следующим образом:
1. В холодный период времени (отопление):
- солнечный день – штора поднята, клапаны открыты (рис. 3а). Это приводит к нагреву массивной стены через стеклянную перегородку и нагреву воздуха, находящегося в прослойке между стеклянной перегородкой и стеной. Теплота поступает в помещение от нагретой стены и нагретого в прослойке воздуха, циркулирующего через прослойку и помещение под воздействием гравитационных сил, вызванных разностью плотностей воздуха при разных температурах (естественная циркуляция);
- ночь, вечер или пасмурный день – штора опущена, клапаны закрыты (рис. 3б). Теплооттоки во внешнюю среду значительно сокращаются. Температура в помещении поддерживается за счет поступления теплоты от массивной стены, накопившей эту теплоту от солнечного излучения;
2. В теплый период времени (охлаждение):
- солнечный день – штора опущена, нижние клапаны открыты, верхние – закрыты (рис. 3в). Штора предохраняет нагрев массивной стены от солнечного излучения. Наружный воздух поступает в помещение с затененной стороны дома и выходит через прослойку между стеклянной перегородкой и стеной в окружающую среду;
- ночь, вечер или пасмурный день – штора поднята, нижние клапаны открыты, верхние – закрыты (рис. 3г). Наружный воздух поступает в помещение с противоположной стороны дома и выходит в окружающую среду через прослойку между стеклянной перегородкой и массивной стеной. Стена охлаждается в результате конвективного теплообмена с воздухом, проходящим через прослойку, и за счет оттока теплоты излучением в окружающую среду. Охлажденная стена в дневное время поддерживает необходимый температурный режим в помещении.
Для расчета систем пассивного солнечного отопления зданий разработаны математические модели нестационарного теплопереноса при естественной конвекции для обеспечения помещений необходимыми температурными условиями в зависимости от теплофизических свойств ограждающих конструкций, суточного изменения солнечного излучения и температуры наружного воздуха .
Для определения достоверности и уточнения полученных результатов в Даляньском политехническом университете разработана, изготовлена и исследована экспериментальная модель жилого дома, расположенного в г. Далянь, с пассивными солнечными системами отопления. Стена Тромба размещается только на южном фасаде, с автоматическими воздушными клапанами и шторами (рис. 3, фото).
При проведении эксперимента использовались:
- малая метеостанция;
- приборы для измерения интенсивности солнечной радиации;
- анемограф RHAT-301 для определения скорости воздуха в помещении;
- термометрограф TR72-S и термопары для замеров температуры в помещении.
Экспериментальные исследования проводились в теплый, переходной и холодный периоды года при различных метеорологических условиях.
Алгоритм решения поставленной задачи представлен на рис. 4.
Результаты эксперимента подтвердили достоверность полученных расчетных соотношений и позволили скорректировать отдельные зависимости с учетом конкретных граничных условий.
В настоящее время в провинции Ляонин находится много жилых домов и школ, в которых используются пассивные солнечные системы отопления.
Анализ пассивных солнечных систем теплоснабжения показывает, что они являются достаточно перспективными в отдельных климатических регионах в сравнении с остальными системами по следующим причинам:
- дешевизна;
- простота обслуживания;
- надежность.
К недостаткам пассивных солнечных систем отопления следует отнести то, что параметры воздуха внутри помещения могут отличаться от требуемых (расчетных) при изменении температуры наружного воздуха за пределами, принятыми в расчетах.
Для достижения хорошего энергосберегающего эффекта в системах теплохладоснабжения зданий с более точным поддержанием температурных условий в заданных пределах целесообразно комбинированное использование пассивных и активных солнечных систем теплохладоснабжения.
В связи с этим необходимы дальнейшие теоретические исследования и проведение экспериментальных работ на физических моделях с учетом ранее полученных результатов.
Литература
1. Zhao Jinling, Chen Bin, Liu Jingjun, Wang Yongxun Dynamic thermal performance simulation of an improved passive solar house with trombe wall ISES Solar word Congress, 2007, Beijing China, Vols 1-V: 2234–2237.
2. Zhao Jinling, Chen Bin, Chen Cuiying, Sun Yuanyuan Study on dynamic thermal response of the passive solar heating systems. Journal of Harbin Institute of Technology (New Series). 2007. Vol. 14: 352–355.
Основная доля расходов по содержанию собственного дома приходится на расходы за отопление. Почему бы не использовать бесплатную энергию естественных источников, например, солнца, для обогрева строения? Ведь современные технологии позволяют это осуществить!
Для аккумуляции энергии солнечных лучей применяются специальные солнечные батареи, установленные на крыше дома. После приема, эта энергия трансформируется в электрическую энергию, которая затем расходится по электросети и используется, как в нашем случае, в обогревательных приборах.
По сравнению с другими источниками энергии – стандартными, автономными и альтернативными – преимущества солнечных батарей налицо:
- практически бесплатное использование;
- независимость от энергопоставляющих компаний;
- количество получаемой энергии легко регулируется путем изменения числа солнечных батарей в системе;
- длительный срок службы (порядка 25 лет) солнечных элементов;
- отсутствие систематического технического обслуживания.
Конечно, у данной технологии есть и свои минусы:
- зависимость от погодных условий;
- наличие дополнительно оборудования, включая громоздкие аккумуляторы;
- достаточно высокая стоимость, которая увеличивает срок окупаемости;
- синхронизация напряжения от батарей с напряжением местной подстанции требует установки специального оборудования.
Применение солнечных батарей
Батареи, преобразующие солнечную энергию, монтируются непосредственно на поверхности крыши дома путем соединения их друг с другом в систему требуемой мощности. Если конфигурация крыши или другие особенности строения не позволяют их закрепить непосредственно, то на крыше или даже на стенах устанавливаются каркасные блоки. Как вариант, возможен монтаж системы на отдельных стойках в окресностях дома.
Солнечные батареи являются генератором электрической энергии, которая выделяется в процессе фотоэлектрических реакций. Невысокий КПД элементов цепи общей площадью 15-18 кв. м тем не менее позволяет отапливать помещения, площадь которых превышает 100 кв. м! Стоит заметить, что современная технология такого оборудования позволяет использовать энергию солнца даже в периоды средней облачности.
Помимо монтажа солнечных батарей реализация системы отопления требует установки дополнительных элементов:
- прибор для отбора электротока от батарей;
- первичный преобразователь;
- контроллеры для солнечных элементов;
- аккумуляторы с собственным контроллером, который в автономном режиме будет переключать систему на сеть подстанции в случае критической нехватки заряда;
- устройство для преобразования постоянного электрического тока в переменный.
Наиболее оптимальный вариант отопительной системы при использовании альтернативного источника энергии – электрическая система. Это позволит обогревать большие помещения путем монтажа токопроводящих полов. Более того, электрическая система позволяет гибко менять температурный режим в жилых помещения, а также исключает необходимость установки объемистых радиаторов и труб под окнами.
В идеальном варианте обогревательная электрическая система, использующая солнечную энергию, должна быть дополнительно оснащена термостатом и автоматическими регуляторами температуры во всех комнатах.
Применение солнечных коллекторов
Системы отопления на основе солнечных коллекторов позволяют обогревать не только жилые дома и коттеджи, но и целые гостиничные комплексы и промышленные объекты.
Такие коллекторы, принцип работы которых основан на «парниковом эффекте», аккумулирует солнечную энергию для дальнейшего использования практически без потерь. Это позволяет осуществить ряд возможностей:
- обеспечить жилые помещения полноценным отоплением;
- установить автономный режим горячего водоснабжения;
- реализовать обогрев воды в бассейнах и саунах.
Работа солнечного коллектора заключается в преобразовании энергии солнечного излучения, попадающего в замкнутое пространство, в тепловую энергию, которая аккумулируется и сохраняется на протяжении длительного времени. Конструкция коллекторов не позволяет сохраненной энергии выходить наружу через прозрачную установку. Центральная гидравлическая система обогрева использует термосифонный эффект, за счет которого нагретая жидкость вытесняет более холодную, заставляя последнюю перемещаться к месту обогрева.
Существует две реализации описанной технологии:
- плоский коллектор;
- вакуумный коллектор.
Наиболее распространенным является плоский солнечный коллектор. Благодаря своей простой конструкции, он успешно применяется для отопления помещений жилых домов и в бытовых системах водообогрева. Устройство состоит из пластины энергопоглотителя, вмонтированную в остекленную панель.
Второй вид — вакуумный коллектор с прямой теплопередачей — представляет собой бак с водой с установленными под углом к нему трубками, по которым нагретая вода поднимается вверх, освобождая место для холодной жидкости. Такая естественная конвекция обуславливает беспрерывную циркуляцию рабочей жидкости в замкнутом контуре коллектора и распределение тепла по отопительной системе.
Другая конфигурация вакуумного коллектора представляет собой конструкцию из закрытых медных трубок со специальной жидкостью низкой температуры кипения. Нагреваясь, эта жидкость испаряется, поглощая тепло из металлических трубок. Поднятые кверху пары конденсируются с передачей тепловой энергии теплоносителю – воде в отопительной системе или основному элементу контура.
При реализации отопления дома посредством использования солнечной энергии необходимо учитывать возможную перестройку крыши или стен здания для получения максимального эффекта. В проекте должны быть учтены все факторы: от местоположения и затемнения строения до географических погодных показателей местности.
Системы солнечного теплоснабжения
4.1. Классификация и основные элементы гелиосистем
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.
По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.
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. 4.1.1)).
Рис. 4.1.1 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).
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.
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.
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.
Рис. 4.1.2. 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.
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.
4.2. Концентрирующие гелиоприемники
Концентрирующие гелиоприемникипредставляют собой сферические или параболические зеркала (рис. 4.2.1), 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.
Рис. 4.2.1. 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.
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.
4.3. 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. 4.3.1) 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).
Рис. 4.3.1. Плоский солнечный коллектор: 1 – солнечные лучи; 2 – остекление; 3 – корпус; 4 – тепловоспринимающая поверхность; 5 – теплоизоляция; 6 – уплотнитель; 7 – собственное длинноволновое излучение тепловоспринимающей пластины.
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.
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).
Потенциальные возможности использования гелиоэнергетики на Украине
На территории Украины энергия солнечной радиации за один среднегодовой световой день составляет в среднем 4 кВт ∙ час на 1м 2 (в летние дни – до 6 – 6.5 кВт ∙ час) т. е. около 1,5 тысячи кВт ∙ час за год на каждый квадратный метр. Это примерно столько же, сколько в средней Европе, где использование солнечной энергии носит самый широкий характер.
Кроме благоприятных климатических условий на Украине имеются высоко квалифицированные научные кадры в области использования солнечной энергии. После возвращения проф. Бойко Б.Т. из ЮНЕСКО, где он возглавлял международную программу ЮНЕСКО по использованию солнечной энергии (1973-1979г.), он начал интенсивную научную и организационную деятельность в Харьковском политехническом институте (ныне Национальный Технический Университет - ХПИ) по развитию нового научного и учебного направления материаловедения для гелиоэнергетики. Уже в 1983 году в соответствии с приказом Минвуза СССР N 885 от 13.07.83 г. в Харьковском Политехническом Институте впервые в практике высшей школы СССР была начатая подготовка инженеров-физиков с профилированием в области материаловедения для гелиоэнергетики в рамках специальности “Физика металлов”. Это заложило основы создания в 1988 году выпускающей кафедры “Физическое материаловедение для электроники и гелиоэнергетики” (ФМЭГ). Кафедра ФМЭГ в содружестве с Научно-исследовательским институтом технологии приборостроения (Харьков) в рамках космической программы Украины принимала участие в создании кремниевых солнечных батарей с к.п.д. 13- 14% для украинских космических аппаратов.
Начиная с 1994 года, кафедра ФМЭГ при поддержке Штутгардского Университета и Европейского Сообщества, а также Цюрихского Технического Университета и Швейцарского Национального Научного Общества принимает активное участие в научных исследованиях по разработке пленочных ФЭП.
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.
Почти половина всей производимой энергии используется для обогрева воздуха. Солнце светит и зимой, но его излучение обычно недооценивается.Декабрьским днем недалеко от Цюриха физик А. Фишер генерировал пар; это было, когда солнце находилось в своей самой низкой точке, а температура воздуха была 3°С. Днем позже солнечный коллектор площадью 0,7 м2 нагрел 30 л холодной воды из садового водопровода до +60°С.
Солнечная энергия зимой может легко использоваться для обогрева воздуха в помещениях. Весной и осенью, когда часто бывает солнечно, но холодно, солнечный обогрев помещений позволит не включать основное отопление. Это дает возможность сэкономить часть энергии, а соответственно и деньги. Для домов, которыми редко пользуются, или для сезонного жилья (дачи, бунгало), обогрев солнечной энергией особенно полезен зимой, т.к. исключает чрезмерное охлаждение стен, предотвращая разрушение от конденсации влаги и плесени. Таким образом, ежегодные эксплуатационные расходы в основном снижаются.
При отоплении домов с помощью солнечного тепла необходимо решать проблему теплоизоляции помещений на основе архитектурно-конструктивных элементов, т.е. при создании эффективной системы солнечного отопления следует возводить дома, имеющие хорошие теплоизоляционные свойства.
Стоимость тепла
Вспомогательное отопление
Солнечный вклад в отопление дома
К сожалению, период поступления тепла от Солнца далеко не всегда совпадает по фазе с периодом появления тепловых нагрузок.
Большая часть энергии, которая имеется в нашем распоряжении в течение летнего периода, теряется из-за отсутствия постоянного спроса на нее (на самом деле коллекторная система является до некоторой степени системой саморегулирующейся: когда температура носителя достигает равновесного значения, тепловосприятие прекращается, поскольку тепловые потери от солнечного коллектора становятся равными воспринимаемому теплу).
Количество полезного тепла, поглощенного солнечным коллектором, зависит от 7 параметров:
1. величины поступающей солнечной энергии;
2. оптических потерь в прозрачной изоляции;
3. поглощающих свойств тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора;
4. эффективности теплоотдачи от теплоприемника (от тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора к жидкости, т.е. от величины эффективности теплоприемника);
5. пропускательной способности прозрачной теплоизоляции, которая определяет уровень тепловых потерь;
6. температуры тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора, которая в свою очередь зависит от скорости теплоносителя и температуры теплоносителя на входе в солнечный коллектор;
7. температуры наружного воздуха.
Эффективность солнечного коллектора, т.е. отношение использованной энергии и падающей, будет определяться всеми этими параметрами. При благоприятных условиях она может достичь 70%, а при неблагоприятных снизиться до 30%. Точное значение эффективности можно получить при предварительном расчете только путем полного моделирования поведения системы с учетом всех факторов, перечисленных выше. Очевидно, что такая задача может быть решена только с применением компьютера.
Поскольку плотность потока солнечной радиации постоянно меняется, то для расчетных оценок можно пользоваться полными суммами радиации за день или даже за месяц.
В табл. 1 в качестве примера приведены:
Таблица 1. Месячные суммы прихода солнечной радиации для Кью (близ Лондона)
Из таблицы видно, что поверхность с оптимальным углом наклона получает (в среднем в течение 8 зимних месяцев) примерно в 1,5 раза больше энергии, чем горизонтальная поверхность. Если известны суммы прихода солнечной радиации на горизонтальную поверхность, то для пересчета на наклонную поверхность их можно умножить на произведение этого коэффициента (1,5) и принятого значения эффективности солнечного коллектора, равного 40%, т.е.
1,5*0,4=0,6
При этом получится количество полезной энергии, поглощенной наклонной тепловоспринимающей поверхностью в течение данного периода.
Для того, чтобы определить эффективный вклад солнечной энергии в теплоснабжение здания даже путем ручного подсчета, необходимо составить по крайней мере месячные балансы потребностей и полезного тепла, получаемого от Солнца. Для наглядности рассмотрим пример.
Если использовать приведенные выше данные и рассмотреть дом, для которого интенсивность тепловых потерь составляет 250 Вт/°C, местоположение характеризуется годовым числом градусо-дней равным 2800 (67200°C*ч). а площадь солнечных коллекторов составляет, например, 40 м2, то получается следующее распределение по месяцам (см. табл. 2).
Таблица 2. Расчет эффективного вклада солнечной энергии
| Месяц | °C*ч/мес | Сумма радиации на горизонтальной поверхности, кВт*ч/м2 | Полезное тепло на единицу площади коллектора (D*0,6), кВт*ч/м2 | Суммарное полезное тепло (E*40 м2), кВт*ч | Солнечный вклад, кВт*ч/м2 | |
| A | B | C | D | E | F | G |
| Январь | 10560 | 2640 | 18,3 | 11 | 440 | 440 |
| Февраль | 9600 | 2400 | 30,9 | 18,5 | 740 | 740 |
| Март | 9120 | 2280 | 60,6 | 36,4 | 1456 | 1456 |
| Апрель | 6840 | 1710 | 111 | 67,2 | 2688 | 1710 |
| Май | 4728 | 1182 | 123,2 | 73,9 | 2956 | 1182 |
| Июнь | - | - | 150,4 | 90,2 | 3608 | - |
| Июль | - | - | 140,4 | 84,2 | 3368 | - |
| Август | - | - | 125,7 | 75,4 | 3016 | - |
| Сентябрь | 3096 | 774 | 85,9 | 51,6 | 2064 | 774 |
| Октябрь | 5352 | 1388 | 47,6 | 28,6 | 1144 | 1144 |
| Ноябрь | 8064 | 2016 | 23,7 | 14,2 | 568 | 568 |
| Декабрь | 9840 | 2410 | 14,4 | 8,6 | 344 | 344 |
| Сумма | 67200 | 16800 | 933 | 559,8 | 22392 | 8358 |
Стоимость тепла
Подсчитав количество тепла, обеспечиваемого за счет Солнца, необходимо представить его в денежном выражении.
Стоимость выработанного тепла зависит от:
Полученные таким образом эксплуатационные расходы можно затем сравнить с капитальными затратами на солнечную отопительную систему.
В соответствии с этим, если считать, что в рассмотренном выше примере солнечная отопительная система используется вместо традиционной системы отопления, потребляющей, например, газовое топливо и вырабатывающей тепло стоимостью 1,67 руб/кВт*ч, то, чтобы определить полученную годовую экономию, надо 8358 кВт*ч, обеспечиваемых за счет солнечной энергии (согласно расчетам табл. 2 для площади коллектора 40 м2), умножить на 1,67 руб/кВт*ч, что дает
8358*1,67 = 13957,86 руб.
Вспомогательное отопление
Одним из вопросов, наиболее часто задаваемых людьми, которые хотят понять использование солнечной энергии для отопления (или другой цели), является вопрос: «Что делать, когда солнце не светит?» Поняв концепцию запасания энергии, они задают следующий вопрос: «Что делать, когда в аккумуляторе не остается больше тепловой энергии?» Вопрос закономерен, и необходимость в дублирующей, часто традиционной системе является серьезным камнем преткновения для широкого принятия солнечной энергии в качестве альтернативы существующим источникам энергии.
Если мощности системы солнечного теплоснабжения недостаточно, чтобы продержать здание в течение периода холодной, пасмурной погоды, то последствия, даже один раз за зиму, могут быть достаточно серьезными, заставляющими предусматривать в качестве дублирующей обычную полномерную систему отопления. Большинство зданий, отапливаемых солнечной энергией, нуждаются в полномерной дублирующей системе. В настоящее время в большинстве районов солнечная энергия должна рассматриваться в качестве средства снижения расхода традиционных видов энергии, а не как полный их заменитель.
Обычные отопители являются подходящими дублерами, но существует немало и других альтернатив, например:
Камины;
- дровяные печи;
- дровяные калориферы.
Предположим, однако, что нам захотелось сделать систему солнечного теплоснабжения достаточно большой, чтобы обеспечить теплом помещение в наиболее неблагоприятных условиях. Поскольку сочетание очень холодных дней и долгих периодов облачной погоды случается редко, то дополнительные размеры солнечной энергетической установки (коллектор и аккумулятор), которые потребуются для этих случаев, обойдутся слишком дорого при сравнительно небольшой экономии топлива. Кроме того, большую часть времени система будет работать при мощности ниже номинальной.
Система солнечного теплоснабжения, рассчитанная на обеспечение 50% отопительной нагрузки, может дать достаточно тепла только на 1 день очень холодной погоды. При удвоении размеров солнечной системы дом будет обеспечен теплом в течение 2 холодных пасмурных дней. Для периодов более 2 дней последующее увеличение размеров будет столь же неоправданным, как и предыдущее. Кроме того, будут периоды мягкой погоды, когда второе увеличение не потребуется.
Теперь, если увеличить площадь коллекторов отопительной системы еще в 1,5 раза, чтобы продержаться 3 холодных и облачных дня, то теоретически она будет достаточной для обеспечения 1/2 всей потребности дома в течение зимы. Но, разумеется, на практике этого может не быть, поскольку случается иногда 4 (и более) дня подряд холодной облачной погоды. Чтобы учесть этот 4-ый день, нам потребуется система солнечного отопления, которая теоретически может собрать в 2 раза больше тепла, чем это необходимо зданию в течение отопительного сезона. Ясно, что холодные и облачные периоды могут быть более продолжительными, чем предусмотрено в проекте системы солнечного теплоснабжения. Чем больше коллектор, тем менее интенсивно используется каждое дополнительное приращение его размеров, тем меньше энергии экономится на единицу площади коллектора и тем меньше окупаемость капиталовложений на каждую дополнительную единицу площади.
Тем не менее, предпринимались смелые попытки накопить достаточное количество тепловой энергии солнечного излучения для покрытия всей потребности в отоплении и отказаться от вспомогательной системы отопления. За редким исключением таких систем, как солнечный дом Г. Хэя, долговременное аккумулирование тепла является, пожалуй, единственной альтернативой вспомогательной системе. Г. Томасон близко подошел к 100%-ному солнечному отоплению в своем первом доме в Вашингтоне; только 5% отопительной нагрузки покрывалось за счет стандартного отопителя на жидком топливе.
Если вспомогательная система покрывает лишь небольшой процент всей нагрузки, то есть смысл использовать электроотопление, несмотря на то, что оно требует производства значительного количества энергии на электростанции, которая затем преобразуется в тепло для обогрева (на электростанции расходуется 10500...13700 кДж для производства 1 кВт*ч тепловой энергии в здании). В большинстве случаев электрообогреватель будет дешевле нефтяной или газовой печи, а сравнительно небольшое количество электроэнергии, необходимой для обогрева здания, может оправдать его применение. Кроме того, электронагреватель - менее материалоемкое устройство благодаря сравнительно небольшому количеству материала (по сравнению с отопителем), идущему на изготовление электроспиралей.
Так как КПД солнечного коллектора существенно возрастает, если эксплуатировать его при низких температурах, то отопительная система должна рассчитываться на использование как можно более низких температур - даже на уровне 24...27°C. Одно из достоинств системы Томасона, использующей теплый воздух, заключается в том, что она продолжает извлекать полезное тепло из аккумулятора при температурах, почти равных температуре помещения.
В новом строительстве отопительные системы можно рассчитывать на использование более низких температур, например, путем удлинения трубчато-ребристых радиаторов с горячей водой, увеличения размеров радиационных панелей или увеличения объема воздуха более низкой температуры. Проектировщики чаще всего останавливают свой выбор на отоплении помещения с помощью теплого воздуха или на применении увеличенных радиационных панелей. В системе воздушного отопления лучше всего используется низкотемпературное запасенное тепло. Лучистые отопительные панели имеют длительное запаздывание (между включением системы и нагревом воздушного пространства) и обычно требуют более высоких рабочих температур теплоносителя, чем системы с горячим воздухом. Поэтому тепло из аккумулирующего устройства не используется в полной мере при более низких температурах, которые приемлемы для систем с теплым воздухом, да и общий КПД такой системы ниже. Превышение размеров системы из радиационных панелей для получения результатов, аналогичных результатам при использовании воздуха, может повлечь за собой значительные дополнительные затраты.
Для повышения общего КПД системы (солнечного отопления и вспомогательной дублирующей системы) и одновременного снижения общих затрат путем ликвидации простоя составных частей, многие проектировщики избрали путь интегрирования солнечного коллектора и аккумулятора со вспомогательной системой. Общими являются такие составные элементы, как:
Вентиляторы;
- насосы;
- теплообменники;
- органы управления;
- трубы;
- воздуховоды.
На рисунках статьи Системное проектирование показаны различные схемы таких систем.
Ловушкой при проектировании стыковых элементов между системами является увеличение органов управления и движущихся частей, что повышает вероятность механических поломок. Искушение увеличить на 1...2% КПД путем добавления еще одного устройства на стыке систем является почти непреодолимым и может быть наиболее распространенной причиной выхода из строя солнечной отопительной системы. Обычно вспомогательный обогреватель не должен нагревать отсек аккумулятора солнечного тепла. Если это происходит, то фаза сбора солнечного тепла будет менее эффективной, так как почти всегда этот процесс будет протекать при более высоких температурах. В других системах снижение температуры аккумулятора благодаря использованию тепла зданием повышает общий КПД системы.
Причины других недостатков этой схемы объясняются большой потерей тепла из аккумулятора из-за его постоянно высоких температур. В системах, в которых вспомогательное оборудование не нагревает аккумулятор, последний будет терять значительно меньше тепла при отсутствии солнца в течение нескольких дней. Даже в спроектированных таким путем системах потери тепла из контейнера составляют 5...20% всего тепла, поглощенного системой солнечного отопления. С аккумулятором, обогреваемом вспомогательным оборудованием, потеря тепла будет значительно выше и может быть оправдана только в том случае, если контейнер аккумулятора находится внутри отапливаемого помещения здания