2 Применение энергии солнечного излучения

2.1 Системы солнечного теплоснабжения

Системы солнечного теплоснабжения (ССТ) становятся все более популярными во многих странах мира. Особенно впечатляют успехи солнечной теплоэнергетики в Европе, где ежегодный прирост оборота отрасли в течение последних десяти лет составлял 11–12%.

Наиболее очевидная область использования солнечной энергии - подогрев воздуха и воды. В районах с холодным климатом необходимо отопление жилых зданий и горячее водоснабжение. В промышленности также требуется большое количество горячей воды. В Австралии, например, на подогрев жидкостей до температур ниже 100^оС расходуется почти 20% потребляемой энергии. В связи с этим в некоторых странах, особенно в Австралии, Израиле, США, Японии, активно расширяется производство солнечных нагревательных систем.

Задача коммунальной теплоэнергетики – обеспечение теплом и горячей водой городов и населенных пунктов. Эта задача в насто\щее время решается в Казахстане традиционным путем – использованием, преимущественно, газа и нефтепродуктов. В связи с истощением природных запасов топлива, например, США и ЕС приняли Программу энергосбережения, согласно которой к 2025 годам покрытие энергозатрат планируется за счет энергии:

а) Солнца, ветра и воды рек, морей, океанов – 15... 25 %;

б) биогаза, биоэтанола – 10 %;

в) АЭС – 65... 75 % [1].

Приоритет в будущем несомненно принадлежит Солнцу, поскольку средняя на поверхности Земли плотность солнечной радиации 200 . 250 Вт/м², в то время как для хозяйственной деятельности человека в неиндустриальных районах достаточно 2 Вт/м², а в индустриальных – 15... 20 Вт/ м². Программа США и ЕС расписана по отраслям промышленности. Что касается коммунального хозяйства, то согласно Программе основополагающий принцип – его децентрализация, кроме электро- и водоснабжения, канализации. Таким образом, тепловые сети, городские котельные исчезнут. Летом теплопотребление дома обеспечивается солнечными коллекторами, зимой – низкопотенциальными энергоресурсами (теплота грунта, атмосферы, канализационных стоков) и тепловыми насосами [1]. Необходимо отметить, что Республика Казахстан расположена в солнечно благоприятной зоне Земли (между 40 и 55⁰ с. ш.) и что из перечисленных выше нетрадиционных источников энергии повсеместно доступной является солнечная радиация.

На рисунке 2.1 приведено районирование территории России по природному гелиопотенциалу. Согласно этому рисунку территория Северного Казахстана располагается в перспективной зоне, не говоря уже о более южных региолнах Казахстана.

1,2 - наиболее перспективные для развития гелиоэнергетики;

3.4 – перспективные; 5,6,7,8 мало перспективные;

9,10 – не перспективные

Рисунок 2.1 - Районирование территории России

по природному гелиопотенциалу

Уникальность солнечной энергии и в ее экологичности, что выгодно ее отличает от биопродуктов, сжигание которых приводит к неизбежному газовыделению (Киотский протокол), от геотермики с проблемами обратной закачки воды в пласт, ветроэнергетики, порождающей шум, и радиационных технологий, требующих дезактивации. Основное отличие Казахстана от стран западной Европы в более длительном отопительном сезоне, достигающем 250 дней в Северном регионе. 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-коллек тор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т. п.). В пассивных системах нет механических движущихся частей. В активных системах используются движущиеся механизмы (насосы, некоторые виды арматуры и т.д.).

Характеристики и основные определяющие свойства таких систем солнечного теплоснабжения приведены в таблице 2.1.

Самыми простыми и дешевыми являются пассивные системы, которые не требуют дополнительного оборудования для сбора и распределения солнечной энергии. Принцип действия пассивных систем заключается в непосредственном обогреве помещения через светопрозрачные южные стены, а также в солнечном нагреве наружной поверхности ограждающих элементов зданий, защищенных слоем прозрачной изоляции.

Для преобразования солнечной энергии в тепловую применяют конструкции (гелиоприемники) со стеклянными или пластиковыми поверхностями, в которых используется явление “парникового эффекта”, т.е. свойство стекла задерживать тепловое инфракрасное излучение, тем самым, повышая температуру внутри объема, ограждаемого стеклом. Однако, применение только активных или пассивных систем не всегда целесообразно. В целях уменьшения теплопотерь и снижения энергетических потребностей здания целесообразно использование интегральных систем считающих прогрессивные качества пассивных и активных систем.

Таблица 2.1 - Характеристика активных и пассивных энергосистем

Тип гелеозда ния	Тип системы солнечного энергоснабжения		Характеристика планировочных и технических мероприятий	Приемы организации солнечного энергоснабжения
Пассивные системы
Здания тра дициионной конструкции (без специальных устройств)	Солнечные окна, оранжереи, фонари верхнего света		Ориентация основных помещений на южный фасад; широтно-вытянутый план	Планировочные мероприятия. Термоизоляция. Остекление термального массива большой площади. Вспомогательная энергетическая система. Естественная конвекция воздуха.
Здания с трансформи- рованными конструктивными элемен- тами	Стена-коллектор (аккумулятор); термопруды		Минимум северных фасадов, размещение вспомогательных помещений на северной стороне здания	Планировочные мероприятия. Термоизоляция. Массивные ограждения. Термальный массив. Вспомогательная энергетическая система. Естественная конвекция воздуха
Активные системы
Здания со специальными устройствами в их структуре		Плоские коллекторы (водяные и воздушные) аккумуляторы	Компактность объема; размещение коллекторов на южном скате крыши или на южной стене	Наличие специальных аккумуляторов тепла: емкости с водой при водяном отоплении; емкости с гравием при воздушном отоплении
Здания с отдель- но стоящими устройствами		Плоские коллекторы, концентраторы, аккумуляторы	Компактность объема. Дома обычного типа без ограничений, связанных с использованием солнечного отопления	Наличие бойлеров, специальной системы разводки тепла. Механическое побуждение при разводке тепла

В пассивных системах используется непосредственное нагревание строительных элементов за счет теплоты, поступающей от прямой солнечной радиации, без применения технических средств. Пассивные отопительные системы рассчитаны на аккумулирование солнечного тепла в массивных конструкциях зданий естественным образом – через окна, обращенные на юг. Экономия энергии при этом на основе пассивной системы солнечного отопления составляет 25 – 30 %, а в перспективе они зависят от погодных условий.

Существует несколько основных способов пассивного использования солнечной энергии в архитектуре. Используя их, можно создать множество различных схем, тем самым получая разнообразные проекты зданий. Приоритетами при постройке здания с пассивным использованием солнечной энергии являются: удачное расположение дома; большое количество окон, обращенных к югу (в Северном полушарии), чтобы пропускать больше солнечного света в зимнее время (и наоборот, небольшое количество окон, обращенных на восток или запад, чтобы ограничить поступление нежелательного солнечного света в летнее время); правильный расчет тепловой нагрузки на внутренние помещения, чтобы избежать нежелательных колебаний температуры и сохранять тепло в ночное время, хорошо изолированная конструкция здания.  Расположение, изоляция, ориентация окон и тепловая нагрузка на помещения должны представлять собой единую систему. Для уменьшения колебаний внутренней температуры изоляция должна быть помещена с внешней стороны здания. Однако в местах с быстрым внутренним обогревом, где требуется немного изоляции, или с низкой теплоемкостью, изоляция должна быть с внутренней стороны. Тогда дизайн здания будет оптимальным при любом микроклимате. Стоит отметить и тот факт, что правильный баланс между тепловой нагрузкой на помещения и изоляцией ведет не только к сбережению энергии, но также и к экономии строительных материалов. 

К числу компонентов этих систем относятся: освещение помещений прямыми солнечными лучами: нагревание воды в резервуарах, расположенных в верхней части здания; использование трубопроводов, проложенных по наружным поверхностям стен, освещаемых солнцем; использование систем, в которых аккумуляторами тепловой энергии служат заполнения оконных проемов, жалюзийные устройства, наружные стены здания покрытия, а так же термосифонные системы вентиляции для охлаждения воздуха в калориферах.

Эффективность любой пассивной системы зависит от типа окон. Стекло или другие прозрачные материалы пропускают короткие волны и задерживают длинные волны теплового излучения внутри помещения. Окна регулируют энергетический поток двумя основными способами:  - зимой они обеспечивают дом теплом, пропуская солнечную энергию внутрь здания, благодаря чему температура воздуха внутри помещений превышает внешнюю температуру;  - летом способствуют охлаждению здания, снижая степень проникновения солнечных лучей при помощи удачного расположения окна и его затенения, а также использования вентиляции для охлаждения дома.  Если мы используем солнечное тепло, то необходимо обеспечить его проникновение в помещение именно в то время, когда оно полезнее всего. Как правило, в зимнее время солнечные лучи должны попадать в помещение в период с 9.00 до 15.00. Желательно, чтобы на их пути практически не было никаких препятствий. Так, деревья на участке могут затенять комнаты дома. Это необходимо учитывать при строительстве. Можно спланировать дом с окнами, выходящими на любую сторону. При этом здание будет иметь низкое энергопотребление. При проектировании большее значение имеет каркас здания, то есть стены, пол и потолок, чем расположение внутренних перегородок. Если нужно, чтоб окно было обращено на запад, необходимо правильно его затенить и выбрать соответствующий размер. 

Рисунок 2.2 – Рекомендуемая ориентация

зданий в северном полушарии

Стекло пропускает волны солнечной радиации в диапазоне 0,4-2,5 мкм. В результате поглощения света непрозрачными объектами, находящимися внутри помещения, и дальнейшего переизлучения, длина его волны увеличивается до 11 мкм. Стекло является непроницаемым барьером для электромагнитной волны этой длины. Свет, попадая в помещение, оказывается в ловушке. Количество света, проникающего сквозь стекло, зависит от угла падения. Оптимальный угол падения - 90o. Если солнечный свет падает на стекло под углом 30o или меньше, то большая часть солнечного света отражается. 

В пассивных системах коллекторами и аккумуляторами являются наружные ограждения зданий, которые обладают повышенной теплоемкостью.

Преобразование солнечной энергии в тепловую может быть осуществлено непосредственным обогревом солнечными лучами и накоплением тепла в массивном наружном ограждении, аккумулирующем это тепло и постепенно возвращающим его в помещение. К системам, использующим непосредственный обогрев помещений, относятся исторически возникшие традиционные типы солнцеприемников: солнечные окна, теплицы, оранжереи, фонари верхнего света.

Основными методами пассивного солнечного отопления широко распространенными на практике являются: прямое солнечное нагревание; метод остекленной массивной стены; метод присоединенного солнечного пространства.

а) с прямым улавливанием солнечной энергии; б) с пристроенной теплицей; в) с теплоаккумулирующей стеной

Рисунок 2.3 - Типы пассивных гелио систем отопления зданий

Для примера на рисунках 2.3…2.5 приведены схемы солнечного дома, в которой использованы все перечисленные методы улавливания солнечного излучения.

1 – солнцезащитное устройство; 2 – воздушный коллектор; 3 – черный металлический лист; 4 – камни; 5 – возврат воздуха; 6 – регулирование

потока воздуха; 7 – свежий воздух; 8 – теплый воздух

Рисунок 2.4 - Солнечный дом с прямым улавливанием солнечной энергии

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.

Рисунок 2.5 - Пассивная низкотемпературная система солнечного

отопления «стена-коллектор»

Активные системы использования энергии Солнца, называемые энергоактивными или гелиоконструкциями, совмещают с наружными ограждениями зданий. В активных солнечных системах теплоноситель перекачивается насосом.

Солнечный коллектор, включающий в свой состав теплоэлемент и теплоноситель, предназначен для непосредственного восприятия солнечных лучей, а так же передачи тепловой энергии в аккумулятор или потребителю.

Архитектура гелиоэнергетических зданий выражает существо гелиотехнических идей, заложенных в решения конструктивных элементов и соответственно определяющих формообразование объемно – пространственной структуры жилых и общественных зданий в соответствии с функциональным процессом, осуществляемым в здании.

Специфика определяется расположением и конструкцией гелиотехнических конструкций.

Использование солнечной энергии для энергоснабжения гражданских зданий вызывает значительные изменения его объемно - планировочной структуры и внешнего вида – “гелиоархитектуры”. Следствием является изменение психологических и социальных установок в отношении к естественным ресурсам земли, разумным способом их потребления и охраны окружающей природной среды.

1- солнечный коллектор; 2 – аккумулятор теплоты; 3 – теплообменник для подогрева воды; 4 – бак-аккумулятор горячей воды; 5 - теплообменник для подогрева воздуха; 6 - теплообменник для сброса избыточной теплоты; 7 – расширительный бак; 8 - теплообменник для нагрева воды

Рисунок 2.6 - Дом с активной гелиосистемой теплоснабжения

Одним из важных требований к проектированию энергоактивных гелиозданий является учет факторов окружающей среды, воздействующих на здание участвующих в формировании его внешнего объемно-пространственного решения.

Влияние общих требований на проектирование зданий на принципе взаимосвязи природного окружения и архитектуры энергоактивных зданий с учетом создания оптимальных экологических и микроклиматических условий обитания человека.

Тепловая характеристика здания зависит не только от аккумулируемых свойств его наружных ограждений, но и от структурной формы и размеров здания. Соответствующим формообразованием, возможно, изменять количество поступления тепла в помещения через ограждения.

Таким образом, пассивное использование солнечного света обеспечивает примерно 15% потребности обогрева помещений в стандартном здании и является важным источником энергосбережения. При проектировании здания необходимо учитывать принципы пассивного солнечного строительства для максимального использования солнечной энергии. Эти принципы можно применять везде и практически без дополнительных затрат.   Несмотря на некоторое преимущество пассивных систем, использование солнечной энергии для теплоснабжения идет по пути применения активных, то есть систем со специально установленным оборудованием для сбора, хранения и распределения преобразованной солнечной энергии.

Возможность применения активных солнечных систем (см. ниже), таких как солнечные коллекторы и фотоэлектрические батареи, необходимо учитывать при проектировании здания. Это оборудование устанавливается на южной стороне здания. Чтобы максимизировать количество тепла в зимнее время, солнечные коллекторы в Европе и Северной Америке должны устанавливаться с углом наклона более 50° от горизонтальной плоскости. Неподвижные фотоэлектрические батареи получают в течение года наибольшее количество солнечной радиации, когда угол наклона относительно уровня горизонта равняется географической широте, на которой расположено здание. Угол наклона крыши здания и его ориентация на юг являются важными аспектами при разработке проекта здания. Солнечные коллекторы для горячего водоснабжения и фотоэлектрические батареи должны быть расположены в непосредственной близости от места потребления энергии. Важно помнить, что близкое расположение ванной комнаты и кухни позволяет сэкономить на установке активных солнечных систем (в этом случае можно использовать один солнечный коллектор на два помещения) и минимизировать потери энергии на транспортировку. Главным критерием при выборе оборудования является его эффективность Активные системы солнечного теплоснабжения могут быть классифицированы по различным критериям:

• по назначению - горячего водоснабжения, отопления и комбинированные;

• по виду используемого теплоносителя – жидкостные и воздушные;

• по продолжительности работы - сезонные и круглогодичные;

• по техническому решению схемы - одно-, двух- и многоконтурные;

• по наличию и типу дублирующего контура.

Данная классификационная схема приведена на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Классификация систем солнечного теплоснабжения

Определяющим фактором выбора, очевидно, будут экономические показатели, которые должны опираться на предварительные тепловые расчеты системы, выполненные с учетом данных каждого конкретного объекта, его расположения, характеристик, климатического района и стоимости замещаемого энергоресурса.

От выбора схемы потребления энергии, вырабатываемой солнечным коллектором, зависит экономическая целесообразность использования солнечной энергии.

Традиционной схемой большинства ССТ является схема с использованием солнечных коллекторов (СК) с аккумуляцией полученной энергии в баке-накопителе.

Вне зависимости от варианта исполнения системы в мировой практике наиболее часто применяется градация систем по их производительности, которая определяет принципиальную схему и вариант конструктивного исполнения системы. Ориентировочные диапазоны производительности и применяемые для их реализации варианты систем приведены ниже.

Моноблок. Производительность по горячей воде в день - менее 150 л. Простейшая система, в которой СК, бак-аккумулятор (БА) и трубопроводы объединены в единую установку полной заводской готовности и, как правило, неразъемны. Применяется для сезонного горячего водоснабжения (ГВС) в бытовых целях и на объектах, действующих только в летнее время.

Малая безнасосная («термосифонная»). Производительность по горячей воде в день - 150–300 л. Система, в которой движение теплоносителя в коллекторном контуре осуществляется за счет разности плотности теплоносителя, нагреваемого в СК, и охлаждения его в БА. В таких системах БА всегда расположен выше СК и расстояние между ними мало. Наиболее часто применяется для сезонного ГВС.

Малая насосная. Производительность по горячей воде в день - 300–500 (750) л. Система с принудительной циркуляцией теплоносителя, в коллекторном контуре которой имеется насос и система автоматического управления им. Расположение БА относительно СК – произвольное. Может применяться как для сезонной (ГВС), так и круглогодичной эксплуатации (ГВС + отопление).

Большая многоконтурная («промышленная»). Производительность по горячей воде в день - более 1000 л. Системы с принудительной циркуляцией теплоносителя. Применяются для теплоснабжения объектов с большой тепловой нагрузкой в режиме сезонной или круглогодичной эксплуатации.

Системы типа «моноблок» и малые термосифонные системы часто именуют домашними или бытовыми солнечными водонагревателями. Эти установки могут быть как одно-, так и двухконтурными, устанавливаются на открытом воздухе и характеризуются повышенными теплопотерями накопительного бака-аккумулятора. В отличие от «моноблока» в малых системах СК и БА выполняются раздельно и могут устанавливаться как вместе на единой опорной конструкции, так и на расстоянии друг от друга, ограниченном гидравлическим сопротивлением коллекторного контура.

В 1970–80-х годах большинство солнечных водонагревательных систем как в нашей стране, так и за рубежом, были одноконтурными, то есть системами прямого нагрева водопроводной (сетевой) воды. Опыт эксплуатации показал, что при всей простоте и кажущейся дешевизне эти системы достаточно проблематичны в эксплуатации и имеют меньший срок службы в сравнении с двухконтурными системами, включающими промежуточный теплообменник между СК и БА.

По мере расширения применения солнечных систем также произошел постепенный переход от повсеместного применения «моноблоков» и небольших водонагревателей (с термосифонным движением теплоносителя через СК) к двухконтурным системам с принудительной насосной циркуляцией. Такая схема системы позволяет размещать БА в любом удобном месте здания. В настоящее время большая часть солнечных систем в Европе устроена по этому принципу.

Наиболее распространенной в Европе системой, применяемой сегодня для ГВС индивидуальных жилых зданий (коттеджей), является двухконтурная система с принудительной циркуляцией в коллекторном контуре теплоносителя-антифриза.

Отбор нагретой воды из БА производится с верхней точки бака методом вытеснения, то есть путем подачи холодной воды из водопровода (или иного источника) под давлением в нижнюю часть бака. Принципиальная схема такой системы не зависит от ее производительности и места установки.

За рубежом для односемейных домов обычно используются БА объемом от 300 до 700 л, а площадь солнечных коллекторов выбирается в зависимости от климатических условий пропорциональной требуемому объему БА и экономически обоснованной длительности сезона работы системы.

Обычно такие солнечные системы представляют собой комплект, состоящий из следующих основных элементов:

-солнечный коллектор; - система опор для крепления СК на крышах (наклонных или плоских) или стенах; - бак-аккумулятор со встроенными теплообменниками; - циркуляционный насос с комплектом измерительных приборов и клапанов; - мембранный бак для компенсации теплового расширения теплоносителя коллекторного контура; - блок управления работой насоса с датчиками температуры; - трубопроводы с теплоизоляцией; - запорно-регулирующая и предохранительная арматура; - фитинги; - теплообменники (для использования в комплекте с БА больших объемов).

В некоторых системах вместо СК применяется их основной узел – теплопоглощающие панели (ПП). Они используются, как правило, при новом строительстве объектов, когда имеется возможность создать так называемую горячую крышу, то есть вмонтировать в кровлю ПП, а для замены остальных узлов СК – корпуса, нижней и прозрачной изоляции – использовать элементы самой кровли. Это приводит к снижению затрат на создание, монтаж и эксплуатацию солнечной системы, но требует тщательного проведения всех работ по гидроизоляции мест установки ПП.

Размещение всех этих элементов на конкретном объекте для учета его особенностей требует выполнения проектных работ, в процессе которых определяется место и способ крепления СК. Особенно трудно это сделать, если ориентация здания не позволяет оптимизировать направление и наклон коллекторов. Также учитываются размещение БА, насоса, а главное – разводка трубопроводов и их стыковка с имеющимися магистралями здания.

Следовательно, для каждого объекта проекты размещения элементов солнечной системы будут отличаться в большей или меньшей степени друг от друга при сохранении общей принципиальной схемы.

В связи с этим невозможно привести исчерпывающий и законченный перечень комплектующих элементов системы, как это делается для бытовых солнечных водонагревателей, поэтому ниже приводится перечень и описание оборудования, из которых может быть скомпонована любая система произвольной производительности в пределах выбранного диапазона.

На основании анализа материалов, приведенных выше, можно сделать вывод, что наиболее применимой в условиях Казахстана является солнечная установка, действующая в режиме сезонного или круглогодичного горячего водоснабжения.

Учитывая климатические условия страны, ясно, что это должна быть двух контурная система, где в коллекторном контуре циркулирует незамерзающий теплоноситель (рис. 2.6).

Известно значительное количество принципиальных схем использования солнечной энергии для теплоснабжения с применением различного рода теплоносителей.

Согласно представленной схеме, все системы, которые нашли широкое применение на настоящий момент, можно по технологическому назначению разделить на системы отопления, системы горячего водоснабжения и комбинированные. Выбор технологического назначения гелио системы зависит в основном от климатических особенностей и географического расположения места установки системы.

По виду теплоносителя эти системы можно разделить на жидкостные и воздушные, характеристики и схемы которых будут рассмотрены ниже.

Принципиальные схемы жидкостной и воздушной активных систем солнечного отопления приведены на рис. 2.7.

Из-за своей универсальности, эффективности, гибкости и удобства, наибольшее распространение получили жидкостные системы (далее «гелиосистемы») с аккумулятором тепловой энергии (бак с водой или специальной жидкостью, бассейн, грунт), в которых есть отдельные элементы с четко обозначенными функциями: - солнечный коллектор – преобразование и поглощение энергии; - аккумулятор тепловой энергии – поглощение и сохранение энергии; - соединительный трубопровод – доставка с минимальными потерями тепловой энергии в аккумулятор.

Рисунок 2.8 - Принципиальная схема двухконтурного

термосифонного солнечного водонагревателя

В жидкостных системах в качестве теплоносителя используется жидкость (вода или антифриз), а в качестве аккумулирующей среды – воду. Преобразование падающей солнечной радиации в тепловую энергию осуществляется в плоских солнечных коллекторах. Эта энергия аккумулируется в баке-аккуму ляторе за счет теплоемкости жидкости и используется по мере необходимости для обеспечения тепловой нагрузки отопления и горячего водоснабжения.

Для передачи тепла от аккумулятора в здание используется водо-воздуш ный или водо-водяной теплообменник, а от аккумулятора в систему горячего водоснабжения дома – дополнительный водо-водяной теплообменник. Система горячего водоснабжения включает бак предварительного нагрева, в котором вода подогревается за счет солнечного тепла и подается затем в обыч ные водонагреватели. В качестве дублирующего источника энергии используют обычный котел, который обеспечивает отопление в тех случаях, когда запас энергии в баке - аккумуляторе истощается. В комплект оборудования системы солнечного теплоснабжения входят регуляторы, предохранительные клапаны, насосы и трубопроводы. В таблице 19 приведены рекомендации при проектировании жидкостных систем солнечного теплоснабжения.

На рис. 2.8 приведена схема жидкостной системы солнечного теплоснабжения с включением теплообменников.

а)

б)

1 – коллектор солнечной энергии; 2 – аккумулятор теплоты;

3 – дополнительный источник энергии; 4 – насос (вентилятор);

5 – регулирующий клапан; 6 – подача нагретого теплоносителя;

7 – возврат охлажденного теплоносителя.

Рисунок 2.9 - Принципиальные схемы жидкостной (а) и воздушной (б)

активных систем солнечного отопления

В воздушных системах в качестве теплоносителя используется воздух. На рис.2.9 приведены схема воздушной системы солнечного теплоснабжения.

В таблицах 2.2 и 2.3 представлены рекомендации по проектированию жидкостных и воздушных систем солнечного теплоснабжения.

Воздух нагревается в плоском коллекторе солнечной энергии и подается либо в помещение, либо в галечный аккумулятор. Энергия аккумулируется в слоевой насадке, которая нагревается циркуляционным горячим воздухом.

Ночью или в пасмурную погоду, когда приход солнечной радиации недостаточен для обеспечения тепловой нагрузки, воздух проходит через нагретую гальку в аккумуляторе и затем поступает в помещение. При истощении запа духом и водой из бака предварительного подогрева. При необходимости эта вода дополнительно подогревается обычным водонагревателем.

1 – солнечная радиация; 2 – предохранительный клапан; 3 – бак горячей воды; 4 – источник дополнительной энергии; 5 – здание; 6 – подача холодной воды; 7 – бак предварительного подогрева воды; 8 – бак-аккумулятор

Рисунок 2.10 - жидкостная система с теплообменниками

1 – коллектор; 2 – теплообменник; 3 – поток теплого воздуха в здание; 4 – источник дополнительной энергии; 5 – заслонка; 6 – вентилятор; 7 – галечный аккумулятор; 8 – подача рециркуляционного воздуха; 9 – водонагреватель; 10 – бак предварительного подогрева воды

Рисунок 2.11 - Воздушная система с теплообменниками

са тепла в аккумуляторе воздух дополнительно подогревается в котле. Энергия необходимая для нагрева воды на бытовые нужды как и в жидкостных системах, подводится путем теплообмена между нагретым в коллекторе воз

Таблица 2.2 - Рекомендации по проектированию жидкостных систем

солнечного теплоснабжения

Характеристика системы	Рекомендуемое значение
Расход жидкости через коллектор (50% раствор этиленгликоля в воде)	0.015 л./( м2 с)
Наклон коллектора к горизонту и ориентация	Оптимальны: южная ориентация и угол наклона, равный широте местности плюс 100 ; отклонение до 150 оказывает слабое влияние
Поправочный коэффициент, учитывающий влияние теплообменника	FR/ / FR 0.9
Вместимость основного бака-аккумулятора	50-100 л/ м2
Теплообменник системы отопления	1 cCmin/UA 5
Вместимость бака предварительного подогрева воды	В 1.5-2 раза больше вместимости стандартного водонагревателя

Таблица 2.3 - Рекомендации по проектированию воздушных систем

солнечного теплоснабжения

Характеристика системы	Рекомендуемое значение
Расход воздуха через коллектор	0.015 л./( м2 с)
Наклон коллектора к горизонту и ориентация	Оптимальны: южная ориентация и угол наклона, равный широте местности плюс 100;отклонение до150 оказывает слабое влияние
Вместимость аккумулятора	0.15-0.35 м3 гальки м2
Размер гальки	1-3 см
Высота аккумулятора в направлении потока воздуха	1.25-2.5 м
Вместимость бака предварительного подогрева воды	В 1.5-2 раза больше вместимости стандартного водонагревателя
Перепады давления: в аккумуляторе в коллекторе в воздухопроводах	25-75 Па 50-200 Па 10 Па на 15 м
Изоляция воздухопроводов	Слой стекловолокна толщиной 2.5 мм
Утечки	Соединения каналов должны быть уплотнены

Дадим краткое определение системам активного солнечного теплоснабжения.

Сезонные и круглогодичные системы. К таким системам можно отнести системы с естественной (термосифонная) и принудительной циркуляцией теплоносителя. Принцип работы систем с естественной циркуляцией теплоносителя (термосифонные системы ): разогретый теплоноситель (обладая более низкой плотностью) устремляется в верхнюю часть коллектора, в результате чего возникает разность гидростатических давлений; если коллектор подключить к баку, который находится выше него, то возникнет самопроизвольная циркуляция теплоносителя, скорость которой зависит от конструкции коллектора, интенсивности солнечного излучения и скорости охлаждения в теплообменнике. В системах с принудительной циркуляцией в контур коллекторного круга включается маломощный циркуляционный насос, который заставляет циркулировать теплоноситель. Его работой управляет специальный контроллер. Потребляемая мощность насоса, несравнимо мала с тепловой энергией, которая вырабатывается системой. Гелиосистемы как с естественной, так и с принудительной циркуляцией теплоносителя получили широкое распространение, но ключевыми факторами при выборе системы являются: возможная температура воздуха в самый холодный период года и количество ясных солнечных дней. Термосифонные системы получили распространение в странах с теплым климатом и большим количеством ясных дней (Турция, Греция, Египет, Израиль и т.д.), и используются, в основном, как индивидуальные. На всей территории Республики Казахстан рекомендуется использовать гелиосистемы с принудительной циркуляцией теплоносителя, т.к. достаточно большое количество облачных дней приводит к значительному снижению эффективности термосифонных систем (на 30%), а низкие температуры в зимний период года, вынуждают принимать меры по защите от замерзания, что бывает невозможно с точки зрения надежности. Те незначительные дополнительные затраты в системах с принудительной циркуляцией быстро окупаются своей эффективностью и безопасностью.

Также это утверждение верно с точки зрения экономической целесообразности использования гелиосистем. Т.к. стоимость гелиосистем превышает стоимость традиционных систем теплоснабжения и при действующих ценах на энергоносители имеет срок окупаемости - от 3 до 8 лет, выход из строя системы ранее 10 лет эксплуатации не даст экономического эффекта и достаточной энергетической прибыли потребителю. Следовательно, основные критерии при выборе гелиосистем – это высокая, долговременная эффективность и надежность.

Также при выборе систем солнечного теплоснабжения должны учитываться схемное решение систем, наличие дополнительного источника энергии.

Гелиосистемы могут быть одноконтурные или двухконтурные (может быть и больше контуров), с естественной или с принудительной циркуляцией теплоносителя (вода или специальная незамерзающая жидкость). В одноконтурных системах в солнечные коллекторы поступает и нагревается именно та вода, которая расходуется из бака-аккумулятора.

На рис.2.10а представлена схема с естественной циркуляцией теплоносителя. Вода нагревается в гелиоколлекторе и поднимается (так как горячая вода легче холодной) по трубе, ведущей в бак-теплообменник; оттуда отдавшая свое тепло (охлажденная) вода самотеком возвращается в гелиоколлектор, опять нагревается и т. д. В результате многократной циркуляции вода в теплообменном баке нагревается и поступает в систему горячего водоснабжения дома. Площадь гелиоколлекторов в таких установках не превышает 10 кв. м.

а)

в)

а — одноконтурная схема с естественной циркуляцией;

б — принудительная двухконтурная схема; 1 — солнечный коллектор; 2 — теплообменник; 3 — гидроаккумулятор; 4 — резервный источник

нагрева воды в бессолнечный период; 5 — циркуляционный насос.

Рисунок 2. 12 - Гелиоустановки горячего водоснабжения

(принципиальная схема)

Преимущества одноконтурных схем: - простота; - возможность получить самый высокий КПД системы в целом. К недостаткам следует отнести: - высокие требования к качеству воды (желательно низкая жесткость и высокая степень очистки). На стенках каналов солнечного коллектора интенсивно оседают соли, каналы могут засориться намываемой грязью, это приводит к значительному ухудшению эффективности или даже к полному выходу из строя (если вовремя не прочистить каналы, что бывает очень затруднительно); - повышенная коррозия, из-за воздуха, который растворен в воде; - практически полная невозможность нормальной работы при минусовых температурах (опасность разрыва труб); - низкий эффективный срок эксплуатации (из практики – не более 3-5 лет). В двухконтурных системах в контуре солнечных коллекторов находится специальный теплоноситель (обычно незамерзающая нетоксичная жидкость с антикоррозионными и антивспенивающими присадками или подготовленная вода), при этом тепловая энергия от теплоносителя передается воде с помощью теплообменника.

Такие схемы используются для более мощных гелиоустановок, которые имеют замкнутый насосный циркуляционный контур первичного теплоносителя и через теплообменник отдает тепло вторичному водяному контуру (рис. 2.10б).

Рассмотрим подробнее принципиальную схему двухконтурной системы солнечного теплоснабжения (рис. 2).

Рисунок 2.13 - Принципиальная схема системы

солнечного водоснабжения

Коллекторный контур системы является замкнутым и заполняется каким-либо незамерзающим и нетоксичным теплоносителем. Нетоксичность теплоносителя является обязательным требованием, которое дает возможность при создании схемы установки обойтись более простыми техническими решениями и избежать «правила двух стенок», разделяющих токсичный теплоноситель и питьевую воду. Низкие температуры замерзания теплоносителя позволяют не сливать его из солнечного коллектора в зимнее время, что также удешевляет эксплуатацию и повышает коррозионную устойчивость системы.

В настоящее время в связи с развернувшимся строительством на рынке появилось большое количество систем отопления для индивидуальных односемейных зданий.

Теплоносители систем соответствуют требованиям, предъявляемым к теплоносителям солнечных систем. Эти теплоносители, как зарубежные, так и разработанные в России, имеют сбалансированный набор ингибиторов коррозии для основных конструкционных металлов коллекторов. Выбор теплоносителя осуществляется по их теплофизическим свойствам и стоимости.

Коллекторы устанавливаются, как правило, на кровле здания, хотя в каждом конкретном случае возможны и другие места установки. Условия размещения и ориентации СК (солнечного коллектора) выбираются в соответствии с нормативными документами.

На выходе из СК в верхней точке контура устанавливается автоматический клапан-воздухоотводчик. Затем нагретый в СК теплоноситель проходит через опускной трубопровод и поступает в нижний теплообменник БА, где охлаждается, передавая тепло расходной воде бака. После выхода из бака теплоноситель по трубопроводу поступает через насос в нижнюю часть СК.

Верхний теплообменник БА подключен к отопительному котлу, соединенному с отопительным контуром здания. Циркуляция горячей воды из котла для нагрева БА осуществляется с помощью отдельного насоса.

Отбор расходной горячей воды из БА выполняется в верхней точке бака подачей снизу в бак холодной воды (то есть всегда расходуется самая горячая вода, имеющаяся в баке). Эта вода по магистрали подается к точкам отбора. Для обеспечения постоянного наличия в точках отбора горячей воды в систему может быть включена циркуляционная магистраль со своим насосом.

Фактически бак-аккумулятор всегда находится под давлением водопроводной сети.

Включение циркуляционного насоса коллекторного контура производится блоком управления, который по своей функции является дифференциальным реле, сравнивающим показания двух датчиков температуры: датчика, установленного на выходе теплоносителя из СК, и датчика, установленного в БА. Место установки датчика в баке может быть различным по высоте, и это влияет на параметры работы регулятора, а следовательно, на теплопроизводительность системы и ее безопасность.

Если температура теплоносителя на выходе из СК выше, чем температура воды в баке, то включается циркуляционный насос и тепло передается воде в баке. При использовании современных насосов при работе может производиться регулировка частоты вращения насоса, чтобы, по возможности, поддерживать постоянной установленную разность температур управляющих датчиков.

Многие зарубежные блоки управления имеют функции защиты установки от перегрева. Так, если температура солнечного коллектора превышает установленный уровень, то блок управления принудительно включает насос, пока температура коллекторов не понизится на 10°С, несмотря на то что сам бак будет разогреваться выше установленной предельной температуры. Но при достижении в баке максимальной температуры 95°С насос выключается обязательно.

Преимущества: - значительное увеличение надежности работы системы (солнечные коллекторы всегда в хорошем состоянии, т.к. нет выпадения солей и намывания грязи); - возможность безопасной работы системы при минусовых температурах; - солнечные коллекторы не трпилют дополнительного обслуживания; - более длительный гарантированный эффективный срок эксплуатации (10-50 лет). Недостатки:

- незначительное снижение эффективности работы системы из-за наличия дополнительных тепловых потерь в коллекторах и трубопроводе, а также из-за необходимости применения теплообменника (порядка 2-5%); - если применяется незамерзающий теплоноситель, то также незначительно ухудшается эффективность системы из-за более низкой его теплопроводности (по сравнению с водой); - необходимость периодической замены теплоносителя (проверка состояния каждые 6-7 лет с возможной заменой). Именно двухконтурные системы могут длительно эффективно и надежно работать при температурах до -10… - 20°С.

Если система была разморожена или каналы коллекторов практически полностью забились солями, то в большинстве случаев, это приводит к необходимости полной замены гелиоколлекторов, т.к. на месте устранить такого рода неисправности практически невозможно. Снижение эффективности двухконтурных систем происходит незначительное, чтобы, предпочитая одноконтурную систему, жертвовать надежностью. Назначение дублирующего источника теплоты – полное обеспечение объекта теплотой в случае недостатка или отсутствия солнечной радиации. Выбор источника зависит от местных условий: им может быть ТЭН или водогрейный котел на органическом топливе.

а) непосредственно в бак-аккумулятор; б) к горячей воде

на выходе из бака-аккумулятора; в) к линии холодной воды

Рисунок 2.14 - Схемы включения дублирующего источника энергии

По экономическим соображениям за счет солнечной энергии целесообразно покрывать до 80% нагрузки горячего водоснабжения, поэтому необходимо использовать наряду с коллектором солнечной энергии также и дополнительный источник энергии. различают несколько схем подвода энергии от ДИЭ, которые приведены на рис.2.14:

1) непосредственно в бак-аккумулятор;

2) к линии горячей воде на выходе из бака – аккумулятора;

3) к линии холодной воде на байпасной линии.

Наиболее эффективно подключение ДИЭ по 2 схеме.