Солнечные отопительные системы. Солнечное тепло: горячее водоснабжение и отопление. Эффективное использование солнечной энергии
На базе использования гелиоустановок могут быть решены задачи отопления, охлаждения и горячего водоснабжения жилых, административных зданий, промышленных и сельскохозяйственных объектов. Гелиоустановки имеют следующую классификацию:
- по назначению: системы горячего водоснабжения; системы отопления; комбинированные установки для целей теплохладоснабжения;
- по виду используемого теплоносителя: жидкостные; воздушные;
- по продолжительности работы: круглогодичные; сезонные;
- по техническому решению схемы: одноконтурные; двухконтурные; многоконтурные.
Наиболее часто применяемыми теплоносителями в системах солнечного теплоснабжения являются жидкости (вода, раствор этиленгликоля, органические вещества) и воздух. Каждый из них имеет определенные преимущества и недостатки. Воздух не замерзает, не создает больших проблем, связанных с утечками и коррозией оборудования. Однако из-за низкой плотности и теплоемкости воздуха размеры воздушных установок, расходы мощности на перекачку теплоносителя выше, чем у жидкостных систем. Поэтому в большинстве эксплуатируемых систем солнечного теплоснабжения предпочтение отдается жидкостям. Для жилищно-коммунальных нужд основной теплоноситель - вода.
При работе солнечных коллекторов в периоды с отрицательной температурой наружного воздуха необходимо либо использовать в качестве теплоносителя антифриз, либо каким-то способом избегать замерзания теплоносителя (например, своевременным сливом воды, нагревом ее, утеплением солнечного коллектора).
Гелиоустановками горячего водоснабжения круглогодичного действия с дублирующим источником теплоты могут быть оборудованы дома сельского типа, многоэтажные и многоквартирные дома, санатории, больницы и другие объекты. Сезонные установки, такие как, например, душевые установки для пионерских лагерей, пансионатов, передвижные установки для геологов, строителей, чабанов функционируют обычно в летние и переходные месяцы года, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дублирующий источник теплоты или обходиться без него в зависимости от типа объекта и условий эксплуатации.
Стоимость гелиоустановок горячего водоснабжения может составлять от 5 до 15% стоимости объекта и зависит от климатических условий, стоимости оборудования и степени его освоенности.
В гелиоустановках, предназначенных для систем отопления, в качестве теплоносителей используют как жидкости, так и воздух. В многоконтурных гелиоустановках в разных контурах могут быть использованы различные теплоносители (например, в гелиоконтуре - вода, в распределительном - воздух). У нас в стране преобладающее распространение получили водяные гелиоустановки для теплоснабжения.
Площадь поверхности солнечных коллекторов, необходимая для систем отопления, обычно в 3-5 раз превышает площадь поверхности коллекторов для систем горячего водоснабжения, поэтому коэффициент использования этих систем ниже, особенно в летний период года. Стоимость установки для системы отопления может составлять 15-35% стоимости объекта.
К комбинированным системам могут быть отнесены установки круглогодичного действия для целей отопления и горячего водоснабжения, а также установки, работающие в режиме теплового насоса и тепловой трубы для целей тепло-хладоснабжения. Эти системы пока не применяются широко в промышленности.
Плотность потока солнечной радиации, приходящей на поверхность коллектора, в значительной степени определяет теплотехнические и технико-экономические показатели систем солнечного теплоснабжения.
Плотность потока солнечной радиации изменяется в течение дня и в течение года. Это является одной из характерных особенностей систем, использующих солнечную энергию, и при проведении конкретных инженерных расчетов гелиоустановок вопрос о выборе расчетного значения Е является определяющим.
В качестве расчетной схемы системы солнечного теплоснабжения рассмотрим схему, представленную на рис.3.3, которая дает возможность учесть особенности работы различных систем. Солнечный коллектор 1 преобразует энергию солнечного излучения в теплоту, которая передается в бак-аккумулятор 2 через теплообменник 3. Возможно расположение теплообменника в самом баке- аккумуляторе. Циркуляция теплоносителя обеспечивается насосом. Нагретый теплоноситель поступает в системы горячего водоснабжения и отопления. В случае недостатка или отсутствия солнечной радиации в работу включается дублирующий источник теплоты горячего водоснабжения или отопления 5.
Рис.3.3. Схема системы солнечного теплоснабжения: 1 - солнечные коллекторы; 2 -
бак-аккумулятор горячей воды; 3 - теплообменник; 4 - здание с напольным отоплением;
5 - дублер (источник дополнительной энергии); 6 - пассивная солнечная система; 7 -
галечный аккумулятор; 8 - заслонки; 9 -вентилятор; 10 - поток теплого воздуха в
здание; 11- подача рециркуляционного воздуха из здания
В системе солнечного отопления использованы солнечные коллекторы нового поколения "Радуга" НПП "Конкурент" с улучшенными теплотехническими характеристиками за счет использования селективного покрытия на теплопоглощающей панели из нержавеющей стали и светопрозрачного покрытия из особо прочного стекла с высокими оптическими характеристиками.
В системе в качестве теплоносителя используют: воду при плюсовых температурах или антифриз в отопительный период (солнечный контур), воду (второй контур напольного отопления) и воздух (третий контур воздушного солнечного отопления).
В качестве дублирующего источника использован электрокотел.
Повышение эффективности систем гелиоснабжения может быть достигнуто за счет использования различных методов аккумулирования тепловой энергии, рационального сочетания гелиосистем с тепловыми котельными и теплонасосными установками, сочетания активных и пассивных систем разработки эффективных средств и методов автоматического управления.
Почти половина всей производимой энергии используется для обогрева воздуха. Солнце светит и зимой, но его излучение обычно недооценивается.Декабрьским днем недалеко от Цюриха физик А. Фишер генерировал пар; это было, когда солнце находилось в своей самой низкой точке, а температура воздуха была 3°С. Днем позже солнечный коллектор площадью 0,7 м2 нагрел 30 л холодной воды из садового водопровода до +60°С.
Солнечная энергия зимой может легко использоваться для обогрева воздуха в помещениях. Весной и осенью, когда часто бывает солнечно, но холодно, солнечный обогрев помещений позволит не включать основное отопление. Это дает возможность сэкономить часть энергии, а соответственно и деньги. Для домов, которыми редко пользуются, или для сезонного жилья (дачи, бунгало), обогрев солнечной энергией особенно полезен зимой, т.к. исключает чрезмерное охлаждение стен, предотвращая разрушение от конденсации влаги и плесени. Таким образом, ежегодные эксплуатационные расходы в основном снижаются.
При отоплении домов с помощью солнечного тепла необходимо решать проблему теплоизоляции помещений на основе архитектурно-конструктивных элементов, т.е. при создании эффективной системы солнечного отопления следует возводить дома, имеющие хорошие теплоизоляционные свойства.
Стоимость тепла
Вспомогательное отопление
Солнечный вклад в отопление дома
К сожалению, период поступления тепла от Солнца далеко не всегда совпадает по фазе с периодом появления тепловых нагрузок.
Большая часть энергии, которая имеется в нашем распоряжении в течение летнего периода, теряется из-за отсутствия постоянного спроса на нее (на самом деле коллекторная система является до некоторой степени системой саморегулирующейся: когда температура носителя достигает равновесного значения, тепловосприятие прекращается, поскольку тепловые потери от солнечного коллектора становятся равными воспринимаемому теплу).
Количество полезного тепла, поглощенного солнечным коллектором, зависит от 7 параметров:
1. величины поступающей солнечной энергии;
2. оптических потерь в прозрачной изоляции;
3. поглощающих свойств тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора;
4. эффективности теплоотдачи от теплоприемника (от тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора к жидкости, т.е. от величины эффективности теплоприемника);
5. пропускательной способности прозрачной теплоизоляции, которая определяет уровень тепловых потерь;
6. температуры тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора, которая в свою очередь зависит от скорости теплоносителя и температуры теплоносителя на входе в солнечный коллектор;
7. температуры наружного воздуха.
Эффективность солнечного коллектора, т.е. отношение использованной энергии и падающей, будет определяться всеми этими параметрами. При благоприятных условиях она может достичь 70%, а при неблагоприятных снизиться до 30%. Точное значение эффективности можно получить при предварительном расчете только путем полного моделирования поведения системы с учетом всех факторов, перечисленных выше. Очевидно, что такая задача может быть решена только с применением компьютера.
Поскольку плотность потока солнечной радиации постоянно меняется, то для расчетных оценок можно пользоваться полными суммами радиации за день или даже за месяц.
В табл. 1 в качестве примера приведены:
Таблица 1. Месячные суммы прихода солнечной радиации для Кью (близ Лондона)
Из таблицы видно, что поверхность с оптимальным углом наклона получает (в среднем в течение 8 зимних месяцев) примерно в 1,5 раза больше энергии, чем горизонтальная поверхность. Если известны суммы прихода солнечной радиации на горизонтальную поверхность, то для пересчета на наклонную поверхность их можно умножить на произведение этого коэффициента (1,5) и принятого значения эффективности солнечного коллектора, равного 40%, т.е.
1,5*0,4=0,6
При этом получится количество полезной энергии, поглощенной наклонной тепловоспринимающей поверхностью в течение данного периода.
Для того, чтобы определить эффективный вклад солнечной энергии в теплоснабжение здания даже путем ручного подсчета, необходимо составить по крайней мере месячные балансы потребностей и полезного тепла, получаемого от Солнца. Для наглядности рассмотрим пример.
Если использовать приведенные выше данные и рассмотреть дом, для которого интенсивность тепловых потерь составляет 250 Вт/°C, местоположение характеризуется годовым числом градусо-дней равным 2800 (67200°C*ч). а площадь солнечных коллекторов составляет, например, 40 м2, то получается следующее распределение по месяцам (см. табл. 2).
Таблица 2. Расчет эффективного вклада солнечной энергии
| Месяц | °C*ч/мес | Сумма радиации на горизонтальной поверхности, кВт*ч/м2 | Полезное тепло на единицу площади коллектора (D*0,6), кВт*ч/м2 | Суммарное полезное тепло (E*40 м2), кВт*ч | Солнечный вклад, кВт*ч/м2 | |
| A | B | C | D | E | F | G |
| Январь | 10560 | 2640 | 18,3 | 11 | 440 | 440 |
| Февраль | 9600 | 2400 | 30,9 | 18,5 | 740 | 740 |
| Март | 9120 | 2280 | 60,6 | 36,4 | 1456 | 1456 |
| Апрель | 6840 | 1710 | 111 | 67,2 | 2688 | 1710 |
| Май | 4728 | 1182 | 123,2 | 73,9 | 2956 | 1182 |
| Июнь | - | - | 150,4 | 90,2 | 3608 | - |
| Июль | - | - | 140,4 | 84,2 | 3368 | - |
| Август | - | - | 125,7 | 75,4 | 3016 | - |
| Сентябрь | 3096 | 774 | 85,9 | 51,6 | 2064 | 774 |
| Октябрь | 5352 | 1388 | 47,6 | 28,6 | 1144 | 1144 |
| Ноябрь | 8064 | 2016 | 23,7 | 14,2 | 568 | 568 |
| Декабрь | 9840 | 2410 | 14,4 | 8,6 | 344 | 344 |
| Сумма | 67200 | 16800 | 933 | 559,8 | 22392 | 8358 |
Стоимость тепла
Подсчитав количество тепла, обеспечиваемого за счет Солнца, необходимо представить его в денежном выражении.
Стоимость выработанного тепла зависит от:
Полученные таким образом эксплуатационные расходы можно затем сравнить с капитальными затратами на солнечную отопительную систему.
В соответствии с этим, если считать, что в рассмотренном выше примере солнечная отопительная система используется вместо традиционной системы отопления, потребляющей, например, газовое топливо и вырабатывающей тепло стоимостью 1,67 руб/кВт*ч, то, чтобы определить полученную годовую экономию, надо 8358 кВт*ч, обеспечиваемых за счет солнечной энергии (согласно расчетам табл. 2 для площади коллектора 40 м2), умножить на 1,67 руб/кВт*ч, что дает
8358*1,67 = 13957,86 руб.
Вспомогательное отопление
Одним из вопросов, наиболее часто задаваемых людьми, которые хотят понять использование солнечной энергии для отопления (или другой цели), является вопрос: «Что делать, когда солнце не светит?» Поняв концепцию запасания энергии, они задают следующий вопрос: «Что делать, когда в аккумуляторе не остается больше тепловой энергии?» Вопрос закономерен, и необходимость в дублирующей, часто традиционной системе является серьезным камнем преткновения для широкого принятия солнечной энергии в качестве альтернативы существующим источникам энергии.
Если мощности системы солнечного теплоснабжения недостаточно, чтобы продержать здание в течение периода холодной, пасмурной погоды, то последствия, даже один раз за зиму, могут быть достаточно серьезными, заставляющими предусматривать в качестве дублирующей обычную полномерную систему отопления. Большинство зданий, отапливаемых солнечной энергией, нуждаются в полномерной дублирующей системе. В настоящее время в большинстве районов солнечная энергия должна рассматриваться в качестве средства снижения расхода традиционных видов энергии, а не как полный их заменитель.
Обычные отопители являются подходящими дублерами, но существует немало и других альтернатив, например:
Камины;
- дровяные печи;
- дровяные калориферы.
Предположим, однако, что нам захотелось сделать систему солнечного теплоснабжения достаточно большой, чтобы обеспечить теплом помещение в наиболее неблагоприятных условиях. Поскольку сочетание очень холодных дней и долгих периодов облачной погоды случается редко, то дополнительные размеры солнечной энергетической установки (коллектор и аккумулятор), которые потребуются для этих случаев, обойдутся слишком дорого при сравнительно небольшой экономии топлива. Кроме того, большую часть времени система будет работать при мощности ниже номинальной.
Система солнечного теплоснабжения, рассчитанная на обеспечение 50% отопительной нагрузки, может дать достаточно тепла только на 1 день очень холодной погоды. При удвоении размеров солнечной системы дом будет обеспечен теплом в течение 2 холодных пасмурных дней. Для периодов более 2 дней последующее увеличение размеров будет столь же неоправданным, как и предыдущее. Кроме того, будут периоды мягкой погоды, когда второе увеличение не потребуется.
Теперь, если увеличить площадь коллекторов отопительной системы еще в 1,5 раза, чтобы продержаться 3 холодных и облачных дня, то теоретически она будет достаточной для обеспечения 1/2 всей потребности дома в течение зимы. Но, разумеется, на практике этого может не быть, поскольку случается иногда 4 (и более) дня подряд холодной облачной погоды. Чтобы учесть этот 4-ый день, нам потребуется система солнечного отопления, которая теоретически может собрать в 2 раза больше тепла, чем это необходимо зданию в течение отопительного сезона. Ясно, что холодные и облачные периоды могут быть более продолжительными, чем предусмотрено в проекте системы солнечного теплоснабжения. Чем больше коллектор, тем менее интенсивно используется каждое дополнительное приращение его размеров, тем меньше энергии экономится на единицу площади коллектора и тем меньше окупаемость капиталовложений на каждую дополнительную единицу площади.
Тем не менее, предпринимались смелые попытки накопить достаточное количество тепловой энергии солнечного излучения для покрытия всей потребности в отоплении и отказаться от вспомогательной системы отопления. За редким исключением таких систем, как солнечный дом Г. Хэя, долговременное аккумулирование тепла является, пожалуй, единственной альтернативой вспомогательной системе. Г. Томасон близко подошел к 100%-ному солнечному отоплению в своем первом доме в Вашингтоне; только 5% отопительной нагрузки покрывалось за счет стандартного отопителя на жидком топливе.
Если вспомогательная система покрывает лишь небольшой процент всей нагрузки, то есть смысл использовать электроотопление, несмотря на то, что оно требует производства значительного количества энергии на электростанции, которая затем преобразуется в тепло для обогрева (на электростанции расходуется 10500...13700 кДж для производства 1 кВт*ч тепловой энергии в здании). В большинстве случаев электрообогреватель будет дешевле нефтяной или газовой печи, а сравнительно небольшое количество электроэнергии, необходимой для обогрева здания, может оправдать его применение. Кроме того, электронагреватель - менее материалоемкое устройство благодаря сравнительно небольшому количеству материала (по сравнению с отопителем), идущему на изготовление электроспиралей.
Так как КПД солнечного коллектора существенно возрастает, если эксплуатировать его при низких температурах, то отопительная система должна рассчитываться на использование как можно более низких температур - даже на уровне 24...27°C. Одно из достоинств системы Томасона, использующей теплый воздух, заключается в том, что она продолжает извлекать полезное тепло из аккумулятора при температурах, почти равных температуре помещения.
В новом строительстве отопительные системы можно рассчитывать на использование более низких температур, например, путем удлинения трубчато-ребристых радиаторов с горячей водой, увеличения размеров радиационных панелей или увеличения объема воздуха более низкой температуры. Проектировщики чаще всего останавливают свой выбор на отоплении помещения с помощью теплого воздуха или на применении увеличенных радиационных панелей. В системе воздушного отопления лучше всего используется низкотемпературное запасенное тепло. Лучистые отопительные панели имеют длительное запаздывание (между включением системы и нагревом воздушного пространства) и обычно требуют более высоких рабочих температур теплоносителя, чем системы с горячим воздухом. Поэтому тепло из аккумулирующего устройства не используется в полной мере при более низких температурах, которые приемлемы для систем с теплым воздухом, да и общий КПД такой системы ниже. Превышение размеров системы из радиационных панелей для получения результатов, аналогичных результатам при использовании воздуха, может повлечь за собой значительные дополнительные затраты.
Для повышения общего КПД системы (солнечного отопления и вспомогательной дублирующей системы) и одновременного снижения общих затрат путем ликвидации простоя составных частей, многие проектировщики избрали путь интегрирования солнечного коллектора и аккумулятора со вспомогательной системой. Общими являются такие составные элементы, как:
Вентиляторы;
- насосы;
- теплообменники;
- органы управления;
- трубы;
- воздуховоды.
На рисунках статьи Системное проектирование показаны различные схемы таких систем.
Ловушкой при проектировании стыковых элементов между системами является увеличение органов управления и движущихся частей, что повышает вероятность механических поломок. Искушение увеличить на 1...2% КПД путем добавления еще одного устройства на стыке систем является почти непреодолимым и может быть наиболее распространенной причиной выхода из строя солнечной отопительной системы. Обычно вспомогательный обогреватель не должен нагревать отсек аккумулятора солнечного тепла. Если это происходит, то фаза сбора солнечного тепла будет менее эффективной, так как почти всегда этот процесс будет протекать при более высоких температурах. В других системах снижение температуры аккумулятора благодаря использованию тепла зданием повышает общий КПД системы.
Причины других недостатков этой схемы объясняются большой потерей тепла из аккумулятора из-за его постоянно высоких температур. В системах, в которых вспомогательное оборудование не нагревает аккумулятор, последний будет терять значительно меньше тепла при отсутствии солнца в течение нескольких дней. Даже в спроектированных таким путем системах потери тепла из контейнера составляют 5...20% всего тепла, поглощенного системой солнечного отопления. С аккумулятором, обогреваемом вспомогательным оборудованием, потеря тепла будет значительно выше и может быть оправдана только в том случае, если контейнер аккумулятора находится внутри отапливаемого помещения здания
Для чего используются тепловые солнечные коллекторы? Где можно их использовать - сферы применения, варианты применения, плюсы и минусы коллекторов, технические характеристики, эффективность. Можно ли сделать самому и насколько это оправдано. Схемы применения и перспективы.
Назначение
Коллектор и солнечная батарея два разных устройства. Батарея использует преобразование солнечной энергии в электрическую, накапливающуюся в аккумуляторах и применяющуюся для бытовых нужд. Солнечные коллекторы, как и тепловой насос, предназначены для сбора и накапливания экологически чистой энергии Солнца, преобразование которой используется для нагрева воды либо отопления. В промышленных масштабах стали широко использоваться солнечные тепловые электростанции, преобразующую тепло в электроэнергию.
Устройство
Коллекторы состоят из трех основных частей:
- панели;
- аванкамера;
- накопительный бак.
Панели представлены в виде трубчатого радиатора, помещенного в короб с наружной стенкой из стекла. Их необходимо располагать на любом хорошо освещенном месте. В радиатор панели поступает жидкость, которая затем нагревается и передвигается в аванкамеру, где холодная вода замещается горячей, что создает постоянное динамическое давление в системе. При этом холодная жидкость поступает в радиатор, а горячая в накопительный бак.
Стандартные панели легко приспособить к любым условиям. При помощи специальных монтажных профилей их можно устанавливать параллельно друг другу в ряд в неограниченном количестве. В алюминиевых монтажных профилях просверливают отверстия и крепят к панелям снизу на болты или заклепки. После завершения работы панели солнечных абсорберов вместе с монтажными профилями представляют собой единую жесткую конструкцию.
Система солнечного теплоснабжения делится на две группы: с воздушным и с жидкостным теплоносителем. Коллекторы улавливают и поглощают излучение, и, совершая преобразование ее в тепловую энергию, передают в накопительный элемент, из которой тепло распределяется по помещению. Любая из систем может дополняться вспомогательным оборудованием (циркуляционный насос, датчики давления, предохранительные клапаны).
Принцип работы
В дневное время тепловое излучение передается теплоносителю (вода или антифриз), циркулирующему через коллектор. Нагретый теплоноситель передает энергию в бак водонагревателя, расположенного выше его и собирающего воду для горячего водоснабжения. В простой версии циркуляция воды осуществляется естественным образом благодаря разности плотности горячей и холодной воды в контуре, а для того, чтобы циркуляция не прекращалась, используется специальный насос. Циркуляционный насос предназначен для активной прокачки жидкости по конструкции.
В усложненном варианте коллектор включен в отдельный контур, наполненный водой или антифризом. Насос помогает им начать циркулировать, передавая при этом сохраненную солнечную энергию в теплоизолированный бак-аккумулятор, который позволяет запасать тепло и брать его в случае необходимости. Если энергии недостаточно, предусмотренный в конструкции бака электрический или газовый нагреватель, автоматически включается и поддерживает необходимую температуру.
Виды
Тем, кто хочет, чтобы в его доме была система солнечного теплоснабжения, для начала следует определиться с наиболее подходящим типом коллектора.
Коллектор плоского типа
Представлен в виде коробки, закрытой закаленным стеклом, и имеющий особый слой, поглощающий солнечное тепло. Этот слой соединен с трубками, по которым ведется циркуляция теплоносителя. Чем больше энергии он будет получать, тем выше его эффективность. Уменьшение тепловых потерь в самой панели и обеспечение наибольшего поглощения тепла на пластинах абсорбера позволяет обеспечить максимальный сбор энергии. При отсутствии застоя плоские коллекторы способны нагреть воду до 200 °C. Они предназначены для подогрева воды в бассейнах, бытовых нужд и отопления дома.
Коллектор вакуумного типа
Представляет собой стеклянные батареи (ряд полых трубок). Наружная батарея имеет прозрачную поверхность, а внутренняя батарея покрыта специальным слоем, который улавливает излучение. Вакуумная прослойка между внутренними и внешними батареями помогает сохранить около 90% поглощаемой энергии. Проводниками тепла являются специальные трубки. При нагревании панели происходит преобразование жидкости, находящейся в нижней части батареи в пар, который поднимаясь, предает тепло в коллектор. Этот тип системы имеет больший КПД по сравнению с коллекторами плоского типа, так как его можно использовать при низких температурах и в условиях плохой освещенности. Вакуумная солнечная батарея позволяет нагреть температуру теплоносителя до 300 °C, при использовании многослойного стеклянного покрытия и создании в коллекторах вакуума.
Тепловой насос
Системы солнечного теплоснабжения наиболее эффективно работают с таким устройством, как тепловой насос. Предназначен для сбора энергии из окружающей среды вне зависимости от погодных условий и может устанавливаться внутри дома. В качестве источника энергии здесь могут выступать вода, воздух либо грунт. Тепловой насос может работать, используя лишь солнечные коллекторы, если достаточно солнечной электроэнергии. При использовании комбинированной системы «тепловой насос и солнечный коллектор», не имеет значения тип коллектора, однако наиболее подходящим вариантом будет солнечная вакуумная батарея.
Что лучше
Система солнечного теплоснабжения может устанавливаться на крышах любого вида. Более прочными и надежными считаются плоские коллекторы, в отличие от вакуумных, конструкция которых более хрупкая. Однако при повреждении плоского коллектора придется заменить всю абсорбирующую систему, тогда как у вакуумного замене подлежит лишь поврежденная батарея.
Эффективность вакуумного коллектора гораздо выше, чем плоского. Их можно использовать в зимнее время и они производят больше энергии в пасмурную погоду. Достаточно большое распространение получил тепловой насос, несмотря на свою высокую стоимость. Показатель выработки энергии у вакуумных коллекторов зависит от величины трубок. В норме размеры трубок должны составлять в диаметре 58 мм при длине от 1,2-2,1 метра. Достаточно сложно установить коллектор своими руками. Однако обладание определенными знаниями, а также следование подробным инструкциям по монтажу и выбору места системы, указанными при покупке оборудования существенно упростит задачу и поможет принести в дом солнечное теплоснабжение.
МИНИСТЕРСТВО ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СССР
ГЛАВНОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ
УПРАВЛЕНИЕ
ЭНЕРГЕТИКИ И ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ
УКАЗАНИЯ
ПО РАСЧЕТУ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ
СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
РД 34.20.115-89
СЛУЖБА ПЕРЕДОВОГО ОПЫТА ПО «СОЮЗТЕХЭНЕРГО»
Москва 1990
РАЗРАБОТАНО Государственным ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательским энергетическим институтом им. Г.М. Кржижановского
ИСПОЛНИТЕЛИ М.Н. ЕГАЙ, О.М. КОРШУНОВ, А.С. ЛЕОНОВИЧ, В.В. НУШТАЙКИН, В.К. РЫБАЛКО, Б.В. ТАРНИЖЕВСКИЙ, В.Г. БУЛЫЧЕВ
УТВЕРЖДЕНО Главным научно-техническим управлением энергетики и электрификации 07.12.89 г.
Начальник В.И. ГОРИЙ
Срок действия устанавливается
с 01.01.90
до 01.01.92
Настоящие Методические указания устанавливают порядок выполнения расчета и содержат рекомендации по проектированию систем солнечного теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений.
Методические указания предназначены для проектировщиков и инженерно-технических работников, занимающихся разработкой систем солнечного теплоснабжения и горячего водоснабжения.
. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
где f - доля полной среднегодовой тепловой нагрузки, обеспечиваемой за счет солнечной энергии;
где F - площадь поверхности СК, м 2 .
где Н - среднегодовая суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность, кВт · ч/м 2 ; находится из приложения ;
а, b - параметры, определяемые из уравнения () и ()
где r - характеристика теплоизолирующих свойств ограждающих конструкций здания при фиксированном значении нагрузки ГВС, представляет собой отношение суточной нагрузки отопления при температуре наружного воздуха равной 0 °С к суточной нагрузке ГВС. Чем больше r , тем больше доля отопительной нагрузки по сравнению с долей нагрузки ГВС и тем менее совершенной является конструкция здания с точки зрения тепловых потерь; r = 0 принимается при расчете только системы ГВС. Характеристика определяется по формуле
где λ - удельные тепловые потери здания, Вт/(м 3 · °С);
m - количество часов в сутках;
k - кратность вентиляционного обмена воздуха, 1/сут;
ρ в - плотность воздуха при 0 °С, кг/м 3 ;
f - коэффициент замещения, ориентировочно принимается от 0,2 до 0,4.
Значения λ , k , V , t в , s закладываются при проектировании ССТ.
Значения коэффициента α для солнечных коллекторов II и III типов
|
Значения коэффициентов |
|||||||||
|
α 1 |
α 2 |
α 3 |
α 4 |
α 5 |
α 6 |
α 7 |
α 8 |
α 9 |
|
|
607,0 |
80,0 |
1340,0 |
437,5 |
22,5 |
1900,0 |
1125,0 |
25,0 |
||
|
298,0 |
148,5 |
61,5 |
150,0 |
1112,0 |
337,5 |
700,0 |
1725,0 |
775,0 |
|
Значения коэффициента β для солнечных коллекторов II и III типов
|
Значения коэффициентов |
|||||||||
|
β 1 |
β 2 |
β 3 |
β 4 |
β 5 |
β 6 |
β 7 |
β 8 |
β 9 |
|
|
1,177 |
0,496 |
0,140 |
0,995 |
3,350 |
5,05 |
1,400 |
|||
|
1,062 |
0,434 |
0,158 |
2,465 |
2,958 |
1,088 |
3,550 |
4,475 |
1,775 |
|
Значения коэффициентов а и b находятся из табл. .
Значения коэффициентов а и b в зависимости от типа солнечного коллектора
|
Значения коэффициентов |
||
|
0,75 |
||
|
0,80 |
||
где q i - удельная годовая теплопроизводительность СГВС при значениях f , отличных от 0,5;
Δq - изменение годовой удельной теплопроизводительности СГВС, %.
Изменение значения удельной годовой теплопроизводительности Δq от годового поступления солнечной радиации на горизонтальную поверхность H и коэффициента f
. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГОТЕПЛОСНАБЖЕНИЯгде З с - удельные приведенные затраты на единицу вырабатываемой тепловой энергии ССТ, руб./ГДж; З б - удельные приведенные затраты на единицу вырабатываемой тепловой энергии базовой установкой, руб./ГДж. где С c - приведенные затраты на ССТ и дублер, руб./год; где к с - капитальные затраты на ССТ, руб.; к в - капитальные затраты на дублер, руб.; E н - нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитальных вложений (0,1); Э с - доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на ССТ; Э в - доля эксплуатационных расходов от капитальных затрат на дублер; Ц - стоимость единицы тепловой энергии, вырабатываемой дублером, руб./ГДж; N д - количество тепловой энергии, вырабатываемой дублером в течение года, ГДж; к э - эффект от снижения загрязнения окружающей среды, руб.; к п - социальный эффект от экономии зарплаты персонала, обслуживающего дублер, руб. Удельные приведенные затраты определяются по формуле где С б - приведенные затраты на базовую установку, руб./год; |
Определение термина |
|
Солнечный коллектор |
Устройство для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую и другие виды энергии |
|
Часовая (суточная, месячная и т.д.) теплопроизводительность |
Количество тепловой энергии, отводимой от коллектора за час (сутки, месяц и т.д.) работы |
|
Плоский солнечный коллектор |
Нефокусирующий солнечный коллектор с поглощающим элементом плоской конфигурации (типа «труба в листе», только из труб и т.п.) и плоской прозрачной изоляцией |
|
Площадь тепловоспринимающей поверхности |
Площадь поверхности поглощающего элемента, освещенная солнцем в условиях нормального падения лучей |
|
Коэффициент тепловых потерь через прозрачную изоляцию (днище, боковые стенки коллектора) |
Поток тепла в окружающую среду через прозрачную изоляцию (днище, боковые стенки коллектора), отнесенный к единице площади тепловоспринимающей поверхности, при разности средних температур поглощающего элемента и наружного воздуха в 1 °С |
|
Удельный расход теплоносителя в плоском солнечном коллекторе |
Расход теплоносителя в коллекторе, отнесенный к единице площади тепловоспринимающей поверхности |
|
Коэффициент эффективности |
Величина, характеризующая эффективность переноса тепла от поверхности поглощающего элемента к теплоносителю и равная отношению фактической теплопроизводительности к теплопроизводительности при условии, что все термические сопротивления передачи тепла от поверхности поглощающего элемента к теплоносителю равны нулю |
|
Степень черноты поверхности |
Отношение интенсивности излучения поверхности к интенсивности излучения черного тела при той же температуре |
|
Пропускательная способность остекления |
Пропускаемая прозрачной изоляцией доля солнечного (инфракрасного, видимого) излучения, падающего на поверхность прозрачной изоляции |
|
Дублер |
Традиционный источник тепловой энергии, обеспечивающий частичное или полное покрытие тепловой нагрузки и работающий в сочетании с системой солнечного теплоснабжения |
|
Система солнечного теплоснабжения |
Система, обеспечивающая покрытие нагрузки отопления и горячего водоснабжения за счет солнечной энергии |
Приложение 2
Теплотехнические характеристики солнечных коллекторов
|
Тип коллектора |
|||
|
Общий коэффициент тепловых потерь U L , Вт/(м 2 · °С) |
|||
|
Поглощательная способность тепло-приемной поверхности α |
0,95 |
0,90 |
0,95 |
|
Степень черноты поглощательной поверхности в диапазоне рабочих температур коллектора ε |
0,95 |
0,10 |
0,95 |
|
Пропускательная способность остекления τ п |
0,87 |
0,87 |
0,72 |
|
Коэффициент эффективности F R |
0,91 |
0,93 |
0,95 |
|
Максимальная температура теплоносителя, °С |
|||
|
Примечани е. I - одностекольный неселективный коллектор; II - одностекольный селективный коллектор; III - двухстекольный неселективный коллектор. |
|||
Приложение 3
Технические характеристики солнечных коллекторов
|
Изготовитель |
||||
|
Братский завод отопительного оборудования |
Спецгелиотепломонтаж ГССР |
КиевЗНИИЭП |
Бухарский завод гелиоаппаратуры |
|
|
Длина, мм |
1530 |
1000 - 3000 |
1624 |
1100 |
|
Ширина, мм |
1008 |
|||
|
Высота, мм |
70 - 100 |
|||
|
Масса, кг |
50,5 |
30 - 50 |
||
|
Тепловоспринимающая поверхность, м |
0,6 - 1,5 |
0,62 |
||
|
Рабочее давление, МПа |
0,2 - 0,6 |
|||
Приложение 4
Технические характеристики проточных теплообменников типа ТТ
|
Диаметр наружный/внутренний, мм |
Проходное сечение |
Поверхность нагрева одной секции, м 2 |
Длина секции, мм |
Масса одной секции, кг |
||||
|
внутренней трубы, см 2 |
кольцевого канала, см 2 |
|||||||
|
внутренней трубы |
||||||||
|
ТТ 1-25/38-10/10 |
25/20 |
38/32 |
3,14 |
1,13 |
1500 |
|||
|
ТТ 2-25/38-10/10 |
25/20 |
38/32 |
6,28 |
6,26 |
1500 |
|||
Приложение 5
Годовой приход суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность (Н), кВт · ч/м 2
|
Азербайджанская ССР |
||||||||||||
|
Баку |
1378 |
|||||||||||
|
Кировобад |
1426 |
|||||||||||
|
Мингечаур |
1426 |
|||||||||||
|
Армянская ССР |
||||||||||||
|
Ереван |
1701 |
|||||||||||
|
Ленинакан |
1681 |
|||||||||||
|
Севан |
1732 |
|||||||||||
|
Нахичевань |
1783 |
|||||||||||
|
Грузинская ССР |
||||||||||||
|
Телави |
1498 |
|||||||||||
|
Тбилиси |
1396 |
|||||||||||
|
Цхакая |
1365 |
|||||||||||
|
Казахская ССР |
||||||||||||
|
Алма-Ата |
1447 |
|||||||||||
|
Гурьев |
1569 |
|||||||||||
|
Форт-Шевченко |
1437 |
|||||||||||
|
Джезказган |
1508 |
|||||||||||
|
Ак-Кум |
1773 |
|||||||||||
|
Аральское море |
1630 |
|||||||||||
|
Бирса-Кельмес |
1569 |
|||||||||||
|
Кустанай |
1212 |
|||||||||||
|
Семипалатинск |
1437 |
|||||||||||
|
Джаныбек |
1304 |
|||||||||||
|
Колмыково |
1406 |
|||||||||||
|
Киргизская ССР |
||||||||||||
|
Фрунзе |
1538 |
|||||||||||
|
Тянь-Шань |
1915 |
|||||||||||
|
РСФСР |
||||||||||||
|
Алтайский край |
||||||||||||
|
Благовещенка |
1284 |
|||||||||||
|
Астраханская область |
||||||||||||
|
Астрахань |
1365 |
|||||||||||
|
Волгоградская область |
||||||||||||
|
Волгоград |
1314 |
|||||||||||
|
Воронежская область |
||||||||||||
|
Воронеж |
1039 |
|||||||||||
|
Каменная степь |
1111 |
|||||||||||
|
Краснодарский край |
||||||||||||
|
Сочи |
1365 |
|||||||||||
|
Куйбышевская область |
||||||||||||
|
Куйбышев |
1172 |
|||||||||||
|
Курская область |
||||||||||||
|
Курск |
1029 |
|||||||||||
|
Молдавская ССР |
||||||||||||
|
Кишинев |
1304 |
|||||||||||
|
Оренбургская область |
||||||||||||
|
Бузулук |
1162 |
|||||||||||
|
Цимлянск |
1284 |
|||||||||||
|
Гигант |
1314 |
|||||||||||
|
Саратовская область |
||||||||||||
|
Ершов |
1263 |
|||||||||||
|
Саратов |
1233 |
|||||||||||
|
Ставропольский край |
||||||||||||
|
Ессентуки |
1294 |
|||||||||||
|
Узбекская ССР |
||||||||||||
|
Самарканд |
1661 |
|||||||||||
|
Тамдыбулак |
1752 |
|||||||||||
|
Тахнаташ |
1681 |
|||||||||||
|
Ташкент |
1559 |
|||||||||||
|
Термез |
1844 |
|||||||||||
|
Фергана |
1671 |
|||||||||||
|
Чурук |
1610 |
|||||||||||
|
Таджикская ССР |
||||||||||||
|
Душанбе |
1752 |
|||||||||||
|
Туркменская ССР |
||||||||||||
|
Ак-Молла |
1834 |
|||||||||||
|
Ашхабад |
1722 |
|||||||||||
|
Гасан-Кули |
1783 |
|||||||||||
|
Кара-Богаз-Гол |
1671 |
|||||||||||
|
Чарджоу |
1885 |
|||||||||||
|
Украинская ССР |
||||||||||||
|
Херсон |
1335 |
|||||||||||
|
Аскания Нова |
1335 |
|||||||||||
|
Сумская область |
||||||||||||
|
Конотоп |
1080 |
|||||||||||
|
Полтавская область |
||||||||||||
|
Полтава |
1100 |
|||||||||||
|
Волынская область |
||||||||||||
|
Ковель |
1070 |
|||||||||||
|
Донецкая область |
||||||||||||
|
Донецк |
1233 |
|||||||||||
|
Закарпатская область |
||||||||||||
|
Берегово |
1202 |
|||||||||||
|
Киевская область |
||||||||||||
|
Киев |
1141 |
|||||||||||
|
Кировоградская область |
||||||||||||
|
Знаменка |
1161 |
|||||||||||
|
Крымская область |
||||||||||||
|
Евпатория |
1386 |
|||||||||||
|
Карадаг |
1426 |
|||||||||||
|
30,8 |
39,2 |
49,8 |
61,7 |
70,8 |
75,3 |
73,6 |
66,2 |
55,1 |
43,6 |
33,6 |
28,7 |
|
|
28,8 |
37,2 |
47,8 |
59,7 |
68,8 |
73,3 |
71,6 |
64,2 |
53,1 |
41,6 |
31,6 |
26,7 |
|
|
26,8 |
35,2 |
45,8 |
57,7 |
66,8 |
71,3 |
69,6 |
62,2 |
51,1 |
39,6 |
29,6 |
24,7 |
|
|
24,8 |
33,2 |
43,8 |
55,7 |
64,8 |
69,3 |
67,5 |
60,2 |
49,1 |
37,6 |
27,6 |
22,7 |
|
|
22,8 |
31,2 |
41,8 |
53,7 |
62,8 |
67,3 |
65,6 |
58,2 |
47,1 |
35,6 |
25,6 |
20,7 |
|
|
20,8 |
29,2 |
39,8 |
51,7 |
60,8 |
65,3 |
63,6 |
56,2 |
45,1 |
33,6 |
23,6 |
18,7 |
|
|
18,8 |
27,2 |
37,8 |
49,7 |
58,8 |
63,3 |
61,6 |
54,2 |
43,1 |
31,6 |
21,6 |
16,7 |
|
|
16,8 |
25,2 |
35,8 |
47,7 |
56,8 |
61,3 |
|||||||
|
Температура кипения, °С |
106,0 |
110,0 |
107,5 |
105,0 |
113,0 |
|||||||
|
Вязкость, 10 -3 Па · с: |
||||||||||||
|
при температуре 5 °С |
5,15 |
6,38 |
||||||||||
|
при температуре 20 °С |
7,65 |
|||||||||||
|
при температуре -40 °С |
7,75 |
35,3 |
28,45 |
|||||||||
|
Плотность, кг/м 3 |
1077 |
1483 - 1490 |
||||||||||
|
Теплоемкость кДж/(м 3 · °С): |
||||||||||||
|
при температуре 5 °С |
3900 |
3524 |
||||||||||
|
при температуре 20 °С |
3340 |
3486 |
||||||||||
|
Коррозионная способность |
Сильная |
Средняя |
Слабая |
Слабая |
Сильная |
|||||||
|
Токсичность |
Нет |
Средняя |
Нет |
Слабая |
Нет |
Примечани е. Теплоносители на основе углекислого калия имеют следующие составы (массовая доля):
Рецептура 1 Рецептура 2
Калий углекислый, 1,5-водный 51,6 42,9
Натрий фосфорнокислый, 12-водный 4,3 3,57
Натрий кремнекислый, 9-водный 2,6 2,16
Натрий тетраборнокислый, 10-водный 2,0 1,66
Флуоресцоин 0,01 0,01
Вода До 100 До 100
Основным элементом систем активного теплоснабжения является солнечный коллектор (СК) В современных низкотемпературных системах теплоснабжения (до 100 °С), применяющихся для преобразования солнечной энергии в низкопотенциальное тепло для горячего водоснабжения, отопления и других тепловых процессов, используют так называемый плоский коллектор, представляющий собой гелиоприемный абсорбер, по которому циркулирует теплоноситель; конструкция теплоизолирована с тыльной и застеклена с лицевой стороны.
В системах высокотемпературного теплоснабжения (выше 100 °С) применяют высокотемпературные солнечные коллекторы. В настоящее время наиболее эффективным из них считается концентрирующий солнечный коллектор Луза, представляющий собой параболический желоб с черной трубкой в центре, на которую концентрируется солнечное излучение. Такие коллекторы очень эффективны в случаях, когда необходимо создавать температурные условия выше 100 °С для промышленности или ятя производства пара в электроэнергетике. Они используются на некоторых солнечных тепловых станциях в Калифорнии; для северной Европы они являются недостаточно эффективными, так как не могут использовать рассеянную солнечную радиацию.
Мировой опыт . В Австралии на надеван не жидкости до температуры ниже 100 °С расходуется около 20 % общей потребляемой энергии. Установлено, что для обеспечения теплой водой 80 % сельских жилых домов на 1 человека необходимо 2…3 м2 поверхности солнечного коллектора и бак для воды емкостью 100… 150 литров. Широким спросом пользуются установки с площадью 25 м2 и бойлером для воды на 1000…1500 л, обеспечивающие теплой водой 12 человек.
В Великобритании жители сельской местности на 40…50 % удовлетворяют потребности в тепловой энергии за счет использования излучения Солнца.
В Германии на исследовательской станции под Дюссельдорфом апробирована активная солнечная водонагревательная установка (площадь коллекторов 65 м2), позволяющая получать в среднем за год 60 % необходимого тепла, а летом 80…90 %. В условиях Германии семья, состоящая из 4-х человек, может полностью обеспечить себя теплом при наличии энергетической крыши площадью 6…9 м2.
Наиболее широко тепловая энергия Солнца применяется для обогрева теплиц и создания в них искусственного климата; несколько способов использования солнечной энергии в таком направлении испытано в Швейцарии.
В Германии (г. Ганновер) в Институте техники, садоводства и сельского хозяйства исследуется возможность использования солнечных коллекторов, размещенных рядом с теплицей или вмонтированных в ее конструкцию, а также самих теплиц как солнечного коллектора с использованием подкрашенной жидкости, пропускающейся через двойное покрытие теплицы и нагревающейся солнечным излучением Результаты исследований показали, что в климатических условиях Германии нагрев с использованием только солнечной энергии на протяжении всего года не полностью удовлетворяет потребности в тепле. Современные солнечные коллекторы в условиях Германии могут обеспечить потребности сельского хозяйства в теплой воде летом на 90 %, зимой на 29…30 % и в переходный период - на 55…60 %.
Активные солнечные отопительные системы наиболее распространены в Израиле, Испании, на острове Тайвань, в Мексике и Канаде. Только в Австралии более 400 000 домов имеют солнечные водонагреватели. В Израиле больше 70 % всех односемейных домов (около 900 000) оборудованы солнечными водонагревателями с солнечными коллекторами общей площадью 2,5 млн м2, что обеспечивает возможность ежегодной экономии топлива в количестве около 0,5 млн т н.э.
Конструктивное усовершенствование плоских СК происходит по двум направлениям:
- поиск новых неметаллических конструкционных материалов;
- усовершенствование оптико-тепловых характеристик наиболее ответственного узла абсорбер-светопроницаемый элемент.
