Солнечные отопительные системы.Уравнение теплового баланса. Активные солнечные системы.

В странах с холодным климатом большая часть энергии расходуется на отопление зданий зимой. То, что понимается под комфортной температурой воздуха, зависит от влажности, приходящего потока солнечного излучения, скорости ветра и количества одежды на человеке. Когда температура наружного воздуха Т_а падает до 0⁰С и ниже, мы стремимся, используя определенное количество искусственного тепла Р_boost , поддержать в помещении комфортную температуру Т_r.

Тепловой баланс внутри здания описывается уравнением, аналогичным (2.1), а именно:

. (3.5)

В России для теплоснабжения зданий расходуется значительная часть всех потребляемых топливно-энергетических ресурсов. Использование солнечной энергии для отопления жилых и административных зданий позволит получить существенную экономию.

Различают активные и пассивные системы солнечного теплоснабжения зданий. Характерным признаком активных систем является наличие коллектора солнечной энергии, аккумулятора теплоты, дополнительного источника энергии, теплообменников, насосов, вентиляторов и системы автоматического контроля и управления. В пассивных системах роль солнечного коллектора и аккумулятора теплоты обычно выполняют сами ограждающие конструкции здания, а движение теплоносителя, в данном случае воздуха, осуществляется за счёт естественной конвекции без применения вентилятора.

Активные солнечные системы.В активных солнечных системах используются внешние нагреватели воздуха или воды. В жидкостных КСЭ в качестве теплоносителя могут использоваться вода или антифриз. Использование воздуха позволяет исключить проблемы замерзания и коррозии, снизить вес установки, но технические показатели воздушных систем менее эффективны, чем у жидкостных. Теплота в здании распределяется с помощью вентилятора и воздуховодов в воздушных системах или посредством излучающих панелей, радиаторов и конвекторов в жидкостных системах. Принципиальные схемы этих систем представлены на рисунке 3.8. Такие системы легче контролировать, чем чисто пассивные, кроме того, их можно устанавливать на существующие здания. Однако реконструкция зданий для использования солнечного тепла обычно менее предпочтительна, чем корректная разработка пассивных элементов на начальной стадии конструирования. В обоих случаях требуются большие накопительные системы (например, большие резервуары для воды, которые располагаются либо в подвале здания, либо в отдельной постройке). Использование водонагревательных систем требует наличия теплообменников, для воздухонагревательных систем необходимы системы воздухопроводов. Циркуляция теплоносителей осуществляется с помощью насосов или вентиляторов. Активные солнечные системы, так же как и пассивные, хорошо работают только при минимальных потерях тепла.

Рис. 3.8. Принципиальные схемы водяной (а) и воздушной (б) активных систем солнечного отопления:

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

На территории России, в Дагестане, построены четырёх - пятикомнатные дома с площадью застройки 125 м², отапливаемой площадью 95 м² и объёмом 264 м³. При площади солнечного коллектора 32 и 58 м² доля солнечной энергии в покрытии нагрузки теплоснабжения равна соответственно о,41 и 0,71, а экономия топлива в год 1,3 и 3,2 т условного топлива.

Рис. 3.9. Внешний вид (а) и оборудование (б) дома фирмы ‘‘Филипс’’:

1 - солнечный коллектор; 2 - аккумулятор теплоты; 3 - емкость для сточных вод; 4 - бак ГВ; 5 - тепловой насос; 6 - душ; 7 - отопительные приборы; 8 - ЭВМ; 9 - вентилятор; 10 - электросеть; 11 - вспомогательная стенка; Т1-Т6 - теплообменники; И и К - испаритель и конденсатор теплонасоса; ХВ и ГВ - холодная и горячая вода; ИВ - использованная вода;

В и УВ - свежий и удаляемый воздух; ВО - воздушное давление; Н1-Н3 - насосы

Солнечный дом германской фирмы “Филипс”, расположенный в г. Аахен на 50,5° северной широты, жилой площадью 116 м² и объёмом 290 м³ (рис.3.37, а) оборудован эффективной системой для использования солнечной энергии, теплоты грунта и утилизации теплоты сточных вод и удаляемого воздуха. Снижение теплопотерь в доме было достигнуто за счёт применения улучшенной теплоизоляции стен, двойного остекления окон с отражательным для инфракрасного излучения покрытием, уменьшения нерегулируемой инфильтрации воздуха и организации принудительной вентиляции. Благодаря изоляции стен слоем минеральной ваты толщиной 250 мм по сравнению со стандартным домом коэффициент теплопередачи через стены снизился с 1,23 до 0,14 Вт/(м²*К), а для окон площадью 23,5 м² - с 5,8 до 1,5 Вт/(м²*К). При этом годовая потребность в тепловой энергии для отопления уменьшилась в 6 раз и составила 8,3 Мвт*ч вместо 49,6 Мвт*ч. Дом оборудован гелиосистемой, тепловым насосом и теплоутилизационными устройствами (рис.3.37, б). Гелиосистема включает вакуумированный стеклянный трубчатый коллектор (рис. 2.18) солнечной энергии площадью 20 м², сезонный водяной аккумулятор теплоты ёмкостью 40 м³ для отопления и бак объёмом 4 м³ для подогрева воды. Вода, нагреваемая в коллекторе до 95° С, с помощью теплообменника Т1 передаёт теплоту воде в аккумуляторе. Тепловой насос использует теплоту сточных вод, собираемых в баке 3 ёмкостью 1 м³, в котором размещён испаритель И теплового насоса, а его конденсатор К расположен в баке 4 вместе с электродвигателем. Тепловой насос также отбирает теплоту от грунта с помощью теплообменника Т5, расположенного под домом в земле. Тепловой насос имеет два испарителя ( И и Т5), и его коэффициент преобразования равен 3,5-4 в диапазоне температур 15-50° С при мощности привода компрессора 1,2 кВт. При помощи насоса Н3 и трубопроводов аккумулятор теплоты соединяется с баком 4, а через него - с тепловым насосом 5 и баком 3. В доме предусмотрена вспомогательная стенка, которая имеет сообщение с грунтом и используется для подогрева зимой и охлаждения летом воздуха (В), поступающего в здание.

Для отопления здания тепло подаётся к радиаторам из сезонного аккумулятора посредством теплообменника Т2. Вода в аккумуляторе нагревается до температуры 95° С от солнечного коллектора через теплообменник Т1 или от теплового насоса. Вентиляция дома осуществляется воздухом (В), подогретым в утилизационном теплообменнике Т6, удаление воздуха (УВ) производится вентилятором. Для горячего водоснабжения вода, подаваемая в душ, вначале подогревается в теплообменнике Т3, размещённом в баке 3 утилизации теплоты сточных вод, а затем догревается до 55° С в теплообменнике Т4 в баке 4 за счёт теплоты, подводимой от коллектора солнечной энергии или от теплового насоса. Аккумулятор, баки, два насоса (Н2 и Н3) и тепловой насос размещены в подвале, а управляющая ЭВМ и насос (Н1) - в мансарде. Коллектор выполнен из 18 модулей и размещён на южном скате крыши. Охлаждённая использованная вода (ИВ) отводится в канализацию.

Система может работать в различных режимах и управление ею осуществляется с помощью мини-ЭВМ.

На практике так называемые пассивные дома обогреваются намного лучше, если в них имеются вентиляторы, благодаря которым воздух циркулирует между комнатами. Поэтому термин «пассивные» используется в тех случаях, когда солнечная энергия аккумулируется непосредственно в комнате, на стенах или вблизи окон, даже если в здании используется вентиляция. Термин «активные» означает, что тепло накапливается в нагревателях, расположенных вне отапливаемого помещения.