Солнечная энергия в системах теплоснабжения. Системы активного солнечного теплоснабжения. Масштабы использования солнечных систем теплоснабжения

Доктор технических наук Б.И.Казанджан
Московский Энергетический Институт
(технический университет), Россия
Журнал Энергия, №12, 2005.

1. Введение.

Основными причинами, побудившими человечество заняться широкомасштабным промышленным освоением возобновляемых источников энергии являются:
-климатические изменения обусловленные увеличением содержания СО2 в атмосфере;
-сильная зависимость многих развитых стран, особенно европейских, от импорта топлива;
-ограниченность запасов органического топлива на Земле.
Недавнее подписание Киотского протокола большинством развитых стран мира поставило на повестку дня ускоренное развитие технологий способствующих сокращению выбросов СО2 в окружающую среду. Стимулом для развития этих технологий является не только осознание угрозы изменения климата и связанных с этим экономических потерь, но и тот факт, что квоты на выброс парниковых газов стали товаром, имеющим вполне реальную стоимость. Одной из технологий, позволяющей снизить расход органического топлива и уменьшить выбросы СО2, является производство низкопотенциального тепла для систем горячего водоснабжения, отопления, кондиционирования воздуха, технологических и иных нужд за счет солнечной энергии. В настоящее время более 40% первичной энергии расходуемой человечеством приходится на покрытие именно этих потребностей, и именно в этом секторе технологии использования солнечной энергии являются наиболее зрелыми и экономически приемлемыми для широкого практического использования. Для многих стран использование солнечных систем теплоснабжения - это еще и способ уменьшить зависимость экономики от импорта ископаемых топлив. Эта задача особенно актуальна для стран Европейского Союза, экономика которого уже сейчас на 50% зависит от импорта ископаемых энергоресурсов, а до 2020 года эта зависимость может возрасти до 70%, что является угрозой экономической независимости этого региона

2.Масштабы использования солнечных систем теплоснабжения

О масштабах современного использования солнечной энергии для нужд теплоснабжения свидетельствуют следующие статистические данные .
Общая площадь солнечных коллекторов установленных в странах ЕС к концу 2004 года достигла 13960000 м2, а в мире превысила 150000000 м2. Ежегодный прирост площади солнечных коллекторов в Европе в среднем составляет 12% , а в отдельных странах достигает уровня 20-30% и более. По количеству коллекторов на тысячу жителей населения мировым лидером является Кипр, где 90% домов оборудованы солнечными установками (на тысячу жителей здесь приходится 615,7 м2 солнечных коллекторов), за ним следуют Израиль, Греция и Австрия. Абсолютным лидером по площади установленных коллекторов в Европе является Германия - 47%, далее следуют Греция - 14%, Австрия - 12%, Испания - 6%, Италия - 4%, Франция - 3%. Европейские страны являются бесспорными лидерами в разработке новых технологий систем солнечного теплоснабжения, однако сильно уступают Китаю в объемах ввода в эксплуатацию новых солнечных установок. Статистические данные по увеличению количества вводимых в эксплуатацию солнечных коллекторов в мире по итогам 2004 года дают следующее распределение: Китай - 78%, Европа - 9%, Турция и Израиль - 8%, остальные страны - 5%.
По экспертной оценке ESTIF (Европейская Федерация промышленности солнечных тепловых установок) технико-экономический потенциал по использованию солнечных коллекторов в системах теплоснабжения только в странах ЕС составляет более 1,4 млрд.м2 способных производить более 680 000 ГВтч тепловой энергии в год. Планы на ближайшую перспективу предусматривают установку в этом регионе 100 000000 м2 коллекторов к 2010 году.

3. Солнечный коллектор - ключевой элемент солнечной системы теплоснабжения

Солнечный коллектор является основным компонентом любой солнечной системы теплоснабжения. Именно в нем происходит преобразование солнечной энергии в тепло. От его технического совершенства и стоимости зависит эффективность работы всей системы солнечного теплоснабжения и ее экономические показатели.
В системах теплоснабжения используются в основном два типа солнечных коллекторов: плоский и вакуумный.

Плоский солнечный коллектор состоит из корпуса, прозрачного ограждения, абсорбера и тепловой изоляции (фиг.1).

Фиг. 1 Типичная конструкция плоского солнечного коллектора

Корпус является основной несущей конструкцией,.прозрачное ограждение пропускает солнечную радиацию внутрь коллектора, защищает абсорбер от воздейсквия внешней среды и уменьшает тепловые потери с лицевой стороны коллектора. Абсорбер поглощает солнечную радиацию и по трубкам соедененным с его теплоприемной поверхностью передает тепло теплоносителю. Тепловая изоляция уменьшает тепловые потери с тыльной и боковой поверхностей коллектора.
Теплоприемная поверхность абсорбера имеет селективное покрытие, имеющее высокий коэффициент поглощения в видимой и ближней инфракрасной области солнечного спектра и низкий коэффициент излучения в области спектра соответствующего рабочим температурам коллектора. У лучших современных коллекторов коэффициет поглощения находитвя в пределах 94-95%, коэффициет излучения 3-8%, а кпд в области рабочих температур типичных для систем теплоснабжения превышает 50% Неселективное черное покрытие абсорбера в современных коллекторах используется редко из-за высоких потерь на излучение. На рис 2 показаны примеры современных плоских коллекторов.

В вакуумных коллекторах (рис 3) каждый элемент абсорбера помещается в отдельную стеклянную трубу, внутри которой создается вакуум, благодаря чему потери тепла за счет конвекции и теплопроводности воздуха подавяются практически полностью. Селективное покрытие на поверхности абсорбера позволяет минимизировать потери на излучение. В результате к.п.д вакуумного коллектора получается существенно выше чем у плоского коллектора, на и стоимость его заначительно выше.

аб

Рис 2 Плоские солнечные коллектры

а) фирма Вагнер, б) фирма Ферон

а б

Рис 3 Вакуумный коллектор фирмы Виссман
а) общий вид, б) монтажная схема

3. Тепловые схемы солнечных систем теплоснабжения

В мировой практике наиболее широко распространены малые системы солнечного теплоснабжения. Как правило, такие системы включают в себя солнечные коллекторы общей площадью 2-8м2, бак аккумулятор, емкость которого определяется площадью используемых коллекторов, циркуляционный насос или насосы (в зависимости от типа тепловой схемы) и другое вспомогательное оборудование. В небольших системах, циркуляция теплоносителя между коллектором и баком-аккумулятором может осуществяться и без насоса, за счет естественной конвекции (термосифонный принцип). В этом случае бак-аккумулятор должен располагаться выше коллектора. Простейшим типом таких установок является коллектор, спаренный с баком аккумулятором, расположенным на верхнем торце коллектора (рис.4). Системы такого типа используются обычно для нужд горячего водоснабжения в небольших односемейных домах коттеджного типа.

Рис.4 Термосифонная солнечная система теплоснабжения.

На Рис. 5 показан пример активной системы большего размера, в которой бак аккумулятор расположен ниже коллекторов и циркуляция теплоносителя осуществляется с помощью насоса. Такие системы используются для нужд и горячего водоснабжения и отопления. Как правило, в активных системах, участвующих в покрытии части нагрузки отопления, предусматривается дублирующий источник тепла, использующий электроэнергию или газ.

Рис 5 Тепловая схема активной солнечной системы горячего водоснабжения и отопления

Сравнительно новым явлением в практике использования солнечного теплоснабжения являются крупные системы способные обеспечить нужды горячего водоснабжения и отопления многоквартирных домов или целых жилых кварталов. В таких системах используется либо суточное, либо сезонное аккумулирование тепла.
Суточное аккумулирование предполагает возможность работы системы с использованием накопленного тепла в течение нескольких суток, сезонное - в течение нескольких месяцев.
Для сезонного аккумулирования тепла используют большие подземные резервуары, наполненные водой, в которые сбрасываются все излишки тепла, получаемого от коллекторов в течение лета. Другим вариантом сезонного аккумулирования является прогрев грунта с помощью скважин с трубами, по которым циркулирует горячая вода, поступающая от коллекторов.

В таблице 1. приведены основные параметры крупных солнечных систем с суточным и сезонным аккумулированием тепла в сравнении с малой солнечной системой для односемейного дома.

Солнечное теплоснабжение – способ отопления жилого дома, который с каждым днем становится все более популярным во многих, в основном развитых, государствах мира. Наибольшими успехами в области солнечной тепловой энергетики на сегодняшний день могут похвастаться в странах западной и центральной Европы. На территории Евросоюза на протяжении последнего десятилетия наблюдается ежегодный рост отрасли возобновляемой энергетики на 10–12%. Такой уровень развития – это очень существенный показатель.

Солнечный коллектор

Одна из наиболее очевидных областей применения солнечной энергетики – это ее использование в целях подогрева воды и воздуха (как теплоносителей). В климатических областях, где преобладает холодная погода, для комфортного проживания людей обязательны расчет и организация систем отопления каждого жилого дома. В них должно присутствовать горячее водоснабжение для различных нужд, к тому же дома необходимо отапливать. Конечно, лучшим вариантом здесь будет применение схемы, где работают автоматизированные системы теплоснабжения.

Больших объемов ежедневного поступления горячей воды в процессе производства требуют промышленные предприятия. В качестве примера можно привести Австралию, где на подогрев жидкого теплоносителя до температуры, не превышающей 100 o C, затрачивается практически 20 процентов всей расходуемой энергии. По этой причине в части развитых стран запада, а в большей мере в Израиле, Северной Америке, Японии и, конечно же, в Австралии, очень быстро происходит расширение производства солнечных отопительных систем.

В ближайшем будущем развитие энергетики, несомненно, будет направлено в пользу использования солнечного излучения. Плотность солнечной радиации на земной поверхности составляет в среднем 250 Вт на один метр квадратный. И это притом, что для обеспечения хозяйственных нужд человека в наименее индустриальных районах достаточно двух Ватт на квадратный метр.

Выгодное отличие солнечной энергии от других отраслей энергетики, использующих процессы сжигания ископаемого топлива, это экологичность получаемой энергии. Работа солнечного оборудования не влечет за собой выделения вредных выбросов в атмосферу.

Выбор схемы применения оборудования, пассивные и активные системы

Существует две схемы использования солнечного излучения в качестве системы отопления для дома. Это активные и пассивные системы. Пассивные системы отопления на солнечной радиации – те, в которых элементом, непосредственно абсорбирующим солнечную радиацию и образующим из нее теплоту, служит сама конструкция дома либо его отдельные части. Этими элементами могут служить забор, кровля, отдельные части здания, построенные на основе определенной схемы. В пассивных системах не используются механические движущиеся части.

Активные системы работают на основе противоположной схемы отопления дома, в них активно используются механические устройства (насосы, двигатели, при их использовании также производят расчет необходимой мощности).

Наиболее простыми по своей конструкции и менее затратными в финансовом плане при монтаже схемы являются системы пассивного действия. Такие схемы отопления не нуждаются в установке дополнительных устройств для абсорбции и последующего распределения солнечного излучения в системе отопления дома. Работа таких систем основана на принципе прямого обогрева жилого помещения прямо через пропускающие свет стены, расположенные на южной стороне. Дополнительную функцию обогрева осуществляют внешние поверхности элементов ограждения дома, которые оборудуются слоем прозрачных экранов.

Для запуска процесса преобразования солнечной радиации в тепловую энергию применяют систему конструкций, основанную на использовании гелиоприёмников с прозрачной поверхностью, где основную функцию играет «парниковый эффект», используются возможности стекла удерживать тепловое излучение, благодаря чему и повышают температуру внутри помещения.

Стоит отметить, что применение только одного из видов систем может быть не совсем оправдано. Зачастую тщательный расчет показывает, что добиться значительного снижения потерь тепла и уменьшения потребностей здания в энергии можно путем применения интегрированных систем. Общая работа и активной, и пассивной системы путем сочетания положительных качеств даст максимальный эффект.

Обычно проводимый расчет эффективности показывает, что пассивное использование излучения солнца обеспечит потребности вашего дома в отоплении приблизительно на 14–16 процентов. Такая система будет важной составляющей процесса получения тепла.

Однако, невзирая на определенные положительные качества пассивных систем, основные возможности для полного обеспечения потребностей здания в тепле все-таки необходимо применение активного отопительного оборудования. Системы, функцией которых является непосредственно поглощение, аккумуляция и распределение солнечной радиации.

Планирование и расчет

Произвести расчет возможности монтажа активных отопительных систем, использующих солнечную энергию (кристаллические солнечные фотоэлементы, солнечные коллекторы), желательно на стадии проектирования здания. Но все же этот момент не носит обязательного характера, установка такой системы возможна и на уже существующее задание независимо от года его постройки (основа для успеха – правильный расчет всей схемы).

Монтаж оборудования осуществляют на южную сторону дома. Такое расположение создает условия для максимального поглощения поступающей солнечной радиации зимой. Фотоэлементы, преобразующие энергию солнца и установленные на неподвижную конструкцию, наиболее эффективны при их монтаже относительно поверхности земли под углом равным географической локации отапливаемого здания. Угол наклона крыши, градус поворота дома к югу – это значимые моменты, которые в обязательном порядке надо учитывать, производя расчет всей схемы отопления.

Солнечные фотоэлементы и коллекторы на солнечном излучении необходимо устанавливать максимально близко к месту энергопотребления. Помните, что чем ближе вы построите ванную и кухню, тем меньше будут потери тепла (в таком варианте можно обойтись и одним солнечным коллектором, который будет обогревать оба помещения). Основным критерием оценки при подборе необходимого вам оборудования является его коэффициент полезного действия.

Отопительные солнечные системы активного действия, делятся на следующие группы по следующим критериям:

1. Применение дублирующего контура;
2. Сезонность работы (на протяжении всего года или в определенный сезон);
3. Функционального назначения – отопительные, снабжение горячей водой и комбинированные системы;
4. Применяемый теплоноситель – жидкость или воздух;
5. Примененное техническое решение количества контуров (1, 2 или более).

Общие экономические данные будут служить основным фактором выбора в пользу одного из типов оборудования. Правильно определиться вам поможет грамотный тепловой расчет всей системы. Расчет необходимо выполнять, учитывая показатели каждого конкретного помещения, где намечена организация солнечного отопления и (или) горячего водоснабжения. Стоит учитывать месторасположение строения, климатические природные условия, размер стоимости вытесняемого энергетического ресурса. Правильный расчет и удачный выбор схемы организации теплоснабжения – залог экономической целесообразности применения оборудования солнечной энергетики.

Солнечная система теплоснабжения

Самой распространенной из используемых схем отопления является установка солнечных коллекторов, в которых предусмотрена функция накопления абсорбированной энергии в специальной емкости – аккумуляторе.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили двухконтурные схемы отопления жилых помещений, в которых установлена принудительная система циркуляции теплоносителя в коллекторе. Принцип его работы следующий. Подача горячей воды осуществляется из верхней точки накопительного бака, процесс происходит автоматически согласно законам физики. Холодная проточная вода напором подается в нижнюю часть бака, эта вода вытесняет собирающуюся в верхней части бака нагретую, которая далее поступает в систему горячего водоснабжения дома для удовлетворения его хозяйственных нужд и нужд отопления.

Для односемейного дома обычно устанавливают бак накопитель вместимостью от 400 до 800 литров. Для разогрева теплового носителя таких объемов в зависимости от природных условий требуется правильно рассчитать площадь поверхности солнечного коллектора. Также необходимо обосновать использование оборудование экономически.

Стандартный набор оборудования для монтажа отопительной системы на солнечном излучении следующий:

• Непосредственно сам солнечный коллектор;
• Крепежная система (опоры, балки, держатели);
• Накопительный бак;
• Бак компенсирующих избыточное расширение теплового носителя;
• Устройство контроля работы насоса;
• Насос (комплектом клапанов);
• Температурные датчики;
• Теплообменные устройства (применяют в схемах с большими объемами);
• Теплоизолированные трубы;
• Предохранительная и регулирующая арматура;
• Фитинги.

Система на основе теплопоглощающих панелей. Такие панели, как правило, применяют на этапе нового строительства. Для их монтажа необходимо построить специальную конструкцию, называемую горячей крышей. Это означает, что панели необходимо вмонтировать непосредственно в конструкцию крыши, при этом используя элементы кровли в качестве составных элементов корпуса оборудования. Такая установка снизит ваши затраты на создание системы отопления, однако потребует высококачественной работы по гидроизоляции стыков устройств и кровли. Такой способ установки оборудования потребует от вас тщательного проектирования и планирования всех этапов работы. Надо решить много задач по разводке труб, размещению накопительного бака, установке насоса, регулировке уклонов. Достаточно много проблем при монтаже придется решить в случае, если здание не самым удачным образом повернуто к югу.

В целом проект солнечных систем отопления будет отличным от других в той или иной степени. Неизменными останутся только базовые принципы системы. Поэтому привести точный перечень необходимых деталей для полного монтажа всей системы невозможно, так как в процессе установки может возникнуть необходимость применения дополнительных элементов и материалов.

Жидкостные отопительные системы

В системах, работающих на основе жидкого теплоносителя, в качестве аккумулирующего вещества применяют обычную воду. Абсорбция энергии происходит в солнечных коллекторах плоской конструкции. Энергия аккумулируется в баке накопителе и расходуется по мере возникновения надобности.

Для передачи энергии от накопителя в здание применяют водо-водяной или водовоздушный теплообменник. Система горячего водообеспечения оборудована дополнительным баком, который называют баком предварительного нагрева. Вода нагревается в нем за счет солнечного излучения и далее поступает в обычный водонагреватель.

Воздушная отопительная система

Такая система в качестве носителя тепла использует воздух. Разогревание теплоносителя осуществляется в плоском солнечном коллекторе, а далее нагретый воздух попадает в отапливаемое помещение либо в специальный накопительный прибор, где абсорбированная энергия накапливается в специальной насадке, которая обогревается поступающим горячим воздухом. Благодаря этой особенности система продолжает снабжать дом теплом даже ночью, когда солнечное излучение не доступно.

Системы с принудительной и естественной циркуляцией

Основа работы систем с естественной циркуляцией состоит в самостоятельном движении теплоносителя. Под воздействием повышающейся температуры он теряет плотность и поэтому стремиться в верхнюю часть устройства. Возникающая разница в величине давлений и заставляет функционировать оборудование.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Что могут предложить современные технологии

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

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

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

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

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

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

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

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

Плюсы и минусы от использования энергии солнца

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

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

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

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

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

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

Открытые солнечные коллекторы

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

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

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

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

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

Трубчатые солнечные коллекторы

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

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

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

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

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

По конструкции трубок различают перьевые и коаксиальные солнечные коллекторы.

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

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

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

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

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

Термотрубка представляет собой запаянную емкость с легкоиспаряющейся жидкостью.

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

В качестве легкоиспаряющейся жидкости часто применяется вода при низком давлении.

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

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

Прямоточные системы более эффективны так как сразу нагревают теплоноситель.

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

Плюсы и недостатки трубчатых коллекторов

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

Достоинства:

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

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

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

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

Плоские закрытые солнечные коллекторы

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

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

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

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

В перечне преимуществ закрытых плоских панелей числятся:

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

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

К недостаткам можно отнести:

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

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

Сравнение характеристик солнечных коллекторов

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

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

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

Для солнечных коллекторов есть несколько важных характеристики:

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

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

Способы подключения к системе отопления

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

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

Схема подключении теплового коллектора

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

1. Летний вариант для горячего водоснабжения
2. Зимний вариант для отопления и горячего водоснабжения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Схема подключения солнечной батареи

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

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

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

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

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

Как посчитать необходимую мощность коллектора

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

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

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

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

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

Пример расчета:

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

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928м2

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

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86кВт*ч

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

В среднем по году, в зависимости от климатических условий и широты местности, поток солнечного излучения на земную поверхность составляет от 100 до 250 Вт/м 2 , достигая пиковых значений в полдень при ясном небе, практически в любом (независимо от широты) месте, около 1 000 Вт/м 2 . В условиях средней полосы России солнечное излучение «приносит» на поверхность земли энергию, эквивалентную примерно 100-150 кг условного топлива на м 2 в год.

Математическое моделирование простейшей солнечной водонагревательной установки, проведенное в Институте высоких температур Российской академии наук с использованием современных программных средств и данных типичного метеогода показало, что в реальных климатических условиях средней полосы России целесообразно использование сезонных плоских солнечных водонагревателей, работающих в период с марта по сентябрь. Для установки с отношением площади солнечного коллектора к объему бака-аккумулятора 2 м 2 /100 л вероятность ежедневного нагрева воды в этот период до температуры не менее чем 37 ° С составляет 50-90%, до температуры не менее чем 45°С — 30-70%, до температуры не менее чем 55 ° С — 20-60%. Максимальные значения вероятности относятся к летним месяцам.

«Ваш Солнечный Дом» разрабатывает, комплектует и поставляет , как с пассивной, так и с активной циркуляцией теплоносителя. Описание этих систем вы можете найти в соответствующих разделах нашего сайта. Заказ и покупка осуществляется через .

Очень часто задается вопрос, можно ли использовать солнечные нагревательные установки для отопления в условиях России. По этому поводу написана отдельная статья — «Солнечная поддержка отопления»

Продолжить чтение