Использование солнечной радиации для отопления и теплоснабжения зданий.

Характеристика возобновляемых источников энергии.

Наметившийся в последние годы дефицит топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и значительное повышение их стоимости требуют новых технических решений, направленных как на экономию ТЭР, так и на замену их другими, возобновляемыми источниками энергии.

К возобновляемым источникам энергии, потенциал которых может быть использован для генерации теплоты и электроэнергии в системах теплоэнергоснабжения зданий, относятся: солнечная радиация, геотермальные воды, энергия ветра, органические отходы растениеводства и животноводства, а также источники низкопотенциальной теплоты – наружный воздух, поверхностные и подземные воды, грунт.

Использование солнечной радиации для отопления и теплоснабжения зданий.

Работа гелиосистем отопления и теплоснабжения основана на улавливании солнечной радиации и преобразовании ее в тепловую энергию.

Использование солнечной энергии связано с разработкой мероприятий, превращающих здание в объект, активно воспринимающий внешнюю рассеянную низкопотенциальную энергию и использующий ее для теплоснабжения.

Для эффективной реализации гелиосистем необходимо учитывать качественные свойства энергетического поля солнечной радиации:

— спектральный состав электромагнитных волн, соответствующий излучению высокотемпературного источника, основная энергия которого переносится в диапазоне от 0,3 до 3,0мкм;

— анизатропность поля излучения;

— периодичность и изменчивость направления и энергетического уровня потоков радиации во времени и пространстве;

— взаимодействие с облучаемой конструкцией по поверхности облучения и в пределах глубины лучепрозрачности;

— способность поглощаться веществами и материалами, в том числе строительными, с выделением теплоты.

Именно эти свойства солнечного излучения лежат в основе гелиотехнического конструирования установок, систем и энергоактивных зданий в целом.

Наряду с качественными характеристиками потока солнечной радиации, важное значение имеют и его количественные характеристики.

Плотность потока солнечной радиации у верхней границы атмосферы на поверхность, расположенную перпендикулярно направлению солнечных лучей равна солнечной постоянной: = 1,353 кВт/м². Среднее количество энергии, поступающей на 1 м² этой поверхности в течение 1 часа равно =4,87 МДж/(м² ч). Последняя величина устанавливает верхнее предельное значение удельного часового количества энергии, которое может быть использовано в результате утилизации потока солнечной радиации.

Территория Юга России характеризуется среднесуточной интенсивностью потока излучения в пределах 200 Вт/м², количество солнечной энергии, поступающей за год на 1 м² горизонтальной поверхности, — около 1,3 МВт/ч. Число часов солнечного сияния в год составляет в среднем 2000, причем их основное количество приходится на май- сентябрь.

Принцип преобразования солнечной радиации в теплоту основан на способности солнечных лучей проникать через светопрозрачные материалы, например, стекло и поглощаться на поверхности ограждающих конструкций и предметов с выделением теплоты.

Принципиально возможно два способа использования солнечной радиации для теплоснабжения зданий – пассивный и активный.

Пассивное солнечное отопление.

При пассивном гелиотеплоснабжении здание представляет собой объект, улавливающий, преобразующий и использующий солнечную энергию для отопления помещений. Пассивное гелиотеплоснабжение используется только для отопления и не может быть использовано для горячего водоснабжения потребителей.

Пассивные системы солнечного отопления являются неразрывной частью самого здания, архитектурное и планировочное решения которого должны отвечать наиболее эффективному использованию солнечной энергии для отопления. Основные задачи, которые необходимо решать при пассивных системах солнечного отопления жилых зданий заключаются в следующем: выборе оптимальной ориентации здания, степени остекления наружных ограждений; поиске наиболее целесообразного местоположения светового проема и оптимального соотношения его размеров; нахождении эффективных материалов для ограждающих конструкций здания. Для обеспечения максимальных поступлений теплоты солнечной радиации в холодный период года световые проемы необходимо ориентировать на юг, для защиты от солнечной радиации в теплый период — оборудовать их солнцезащитными устройствами. Оптимальным соотношением размеров световых проемов — это такое, при котором его ширина больше высоты. Пассивные системы технически просты, но для их эффективной работы требуются различные устройства, управляющие солнцезащитными устройствами, заслонками и дросселями, регулирующими движение воздуха, циркулирующего в системе отопления.

Как показывает опыт проектирования и эксплуатации систем с прямым улавливанием солнечной энергии, дляих эффективной работы необходимо соблюдать следующие условия:

— оптимальная ориентация дома — широтная или с отклонением до 30 ^О от этой оси;

— не менее половины площади световых проемов сосредоточено на южной стороне, они должны иметь двойное остекление;

— на северную сторону обращены световые проемы с суммарной площадью не более 10% от их общей площади, при этом они должны иметь трехслойное остекление;

— планировка дома должна обеспечивать расположение жилых комнат с южной стороны, а вспомогательных помещений — с северной;

— внутренние стены и пол выполнены из материалов с хорошей аккумулирующей способностью;

— здание имеет хорошую теплоизоляцию и минимальную инфильтрацию наружного воздуха.

Реализуется пассивное солнечное отопление зданий посредством использования архитектурных и конструктивных средств, без применения специальных инженерных систем и установок.

Пример организации прямого поступления солнечной радиации в помещение показан на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Пассивное солнечное отопление дома с прямым поступлением солнечной радиации в помещение. 1 – поток солнечной радиации; 2 - светопрозрачное ограждение; 3 – теплоемкая конструкция пола.

Для организации поступления солнечной радиации в помещение устроен светопрозрачный проем 2, через который солнечные лучи поступают в помещение и поглощаются на внутренних поверхностях ограждающих конструкций с выделением теплоты. Для аккумулирования теплоты облучаемые ограждения содержат теплоемкие массивные элементы 3, которые нагреваются в период облучения их солнцем и отдают теплоту при отсутствии солнечной радиации.

Несмотря на принципиальную возможность реализации пассивного отопления по схеме, приведенной на рис. 12.1, ей присущи недостатки, которые ограничивают возможности ее применения. Прежде всего, это связано с необходимостью устройства световых проемов с большой площадью остекления, что вызывает дополнительные теплопотери помещений и снижает егоэнергоэффективность дома. Поэтому пассивное солнечное отопление с прямым поступлением солнечной радиации применяется в основном для отопления зимних садов, атриумов и других подобных помещений.

Для отопления жилых помещений применяются специальные конструкции стен, которые позволяют утилизировать солнечную энергию без ухудшения теплотехнических характеристик конструкций. Пример подобной конструкции стены приведен на рис. 12.2.

Рис. 12.2. Пассивное солнечное отопление посредством стены Тромба-Мишеля. 1 – солнечная радиация; 2 – остекление; 3 – наружная стена; 4 – отапливаемое помещение; 5 – нижний проем; 6 – верхний проем.

Солнечная радиация 1 проникает через остекление 2 и нагревает массивную стену 3 в результате чего повышается температура наружной поверхности стены. Вследствие этого нагревается воздух и в воздушной прослойке между остеклением и наружной поверхностью стены образуется восходящий конвективный воздушный поток. Для притока воздуха из помещения 4 устроен нижний проем 5, а для поступления нагретого воздуха в помещение - верхний проем 6. Таким образом, образуется воздушный циркуляционный контур «помещение - нижний проем – воздушная прослойка – верхний проем – помещение», в котором циркулирующий воздух нагревается в воздушной прослойке и отдает теплоту в помещение. Часть теплоты, выделившейся на наружной поверхности стены, в результате процесса теплопроводности передается к внутренней поверхности и повышает ее температуру. Стена Тромба-Мишеля выполняет функцию не только преобразования солнечной радиации в теплоту, но и аккумулятора тепловой энергии. Поэтому, при отсутствии солнечной радиации воздух продолжает нагреваться от нагретой стены, как при контакте с наружной поверхностью стены, так и внутри помещения.

Необходимо отметить, что область применения пассивного отопления зданий довольно ограничена вследствие малого количества солнечных дней в холодный период года. Например, для Ростова-на-Дону в среднем за отопительный период насчитывается всего 3-4 солнечных дня в месяц. Поэтому пассивное солнечное отопление может применяться только как дополнение к другим способам отопления помещений.

Активные гелиосистемы.

В активные гелиосистемы представляют собой установки, предназначенные для улавливания, преобразования солнечной энергии в теплоту и нагрева теплоносителя.

Гелиоустановки горячего водоснабжения с естественной циркуляцией.

Наиболее просты в конструктивном отношении гелиоустановки с естественной циркуляцией, предназначенные для горячего водоснабжения в теплый период года, рис. 12.3.

Обязательными элементами данных установок служит коллектор солнечной энергии (КСЭ) 1 и бак-аккумулятор горячей воды 2. Назначение коллектора солнечной энергии состоит в приеме солнечной радиации, и ее использовании для нагрева воды. Бак-аккумулятор горячей воды предназначен для создания резерва горячей воды в часы наибольшей интенсивности потока солнечной радиации. Коллектор солнечной энергии и бак-аккумулятор связаны трубопроводами горячей воды 3 и охлажденной воды 4. Для выпуска воздуха из системы предусмотрено специальное устройство 5, расположенное в высшей точке установки.

Рис. 12.3. Схема системы солнечной водонагревательной установки с естественной циркуляцией: 1 — коллектор солнечной энергии; 2 — бак-аккумулятор горячейводы, 3 – трубопровод горячей воды; 4 - трубопровод охлажденной воды; 5 - отвод воздуха из системы.

Работа установки происходит следующим образом. Вода нагревается в солнечном коллекторе и по трубопроводу горячей воды поступает в бак-аккумулятор, причем подача горячей воды осуществляется в верхнюю часть бака. Это делается для того, чтобы предотвратить смешивание горячей воды с менее горячей водой, заполняющей бак-аккумулятор. Смешению препятствует также действие естественной конвекции, обеспечивающее подъем в верхнюю часть бака горячей воды и опускание в нижнюю часть бака менее нагретой воды. Так как отбор воды на горячее водоснабжение осуществляется из верхней части бака-аккумулятора, к потребителю всегда поступает вода, имеющая максимальную температуру, а на нагрев в солнечный коллектор по трубопроводу охлажденной воды направляется вода с наименьшей температурой, заполняющая нижнюю часть бака-аккумулятора. В нижнюю часть бака осуществляется также подпитка бака холодной водопроводной водой.

Для повышения надежности системы горячего водоснабжения в периоды с малой интенсивностью солнечной радиации в установках можно использовать дублеры нагрева воды, в качестве которых используются преимущественно электронагреватели.

Компоновочной особенностью установок с естественной циркуляцией является более высокое расположение бака-аккумулятора относительно солнечного коллектора. Это условие принципиально важно для обеспечения циркуляции воды по контуру «солнечный коллектор – бак-аккумулятор» и нормальной работы установки. Минимальное превышение два бака-аккумулятора над верхней точкой коллектора составляет 0,5 м.

Подобные установки можно использовать только в период года с гарантированным отсутствием отрицательных температур наружного воздуха, так как в противном случае, даже при кратковременном понижении температуры наружного воздуха ниже нуля, циркулирующая в гелиоконтуре вода может замерзнуть и установка выйдет из строя.

Примеры устройства гелиоустановок горячего водоснабжения с естественной циркуляцией воды приведены на рис. 12.4 – 12.5.

На рис.12.4 приведен пример размещения элементов гелиоустановки горячего водоснабжения на кровле одноэтажного дома. Установка представляет собой компактный моноблочный агрегат, состоящий из солнечного коллектора и расположенного над ним бака-аккумулятора теплоты, имеющего цилиндрическую форму. Над баком-аккумулятором расположен расширительный сосуд, предназначенный для компенсации теплового расширения воды и выпуска воздуха из системы.

Крепится установка к несущим элементам кровли дома. При этом особое внимание уделяется предотвращению протекания кровли в местах прохода элементов крепления гелиоустановки и надежному креплению ее элементов с учетом ветровой нагрузки.

На рис. 12.5 приведен вариант устройства гелиоустановки с естественной циркуляцией воды для квартирного жилого дома.

Для обеспечения потребителей горячей водой на кровле здания размещено девять моноблочных гелиоустановок с естественной циркуляцией воды, каждая из которых состоит из солнечного коллектора и бака-аккумулятора. Исходя из конструктивного решения здания, размещения на кровле вентиляционных каналов и дымоходов систем отопления, гелиоустановки скомпонованы в три блока, каждый из которых включает три гелиоустановки.

Рис. 12.4. Гелиоустановка горячего водоснабжения с естественной циркуляцией воды одноэтажного дома.

Рис. 12.5. Гелиоустановка горячего водоснабжения естественной циркуляцией теплоносителя квартирного жилого дома.

Очевидно, что наряду с основными достоинствами солнечной установки горячего водоснабжения с естественной циркуляцией, заключающимися в конструктивной простоте и отсутствии потребления электроэнергии, ей присущ и ряд недостатков, к которым следует отнести необходимость крепления на кровле массивных баков-аккумуляторов горячей воды и заметное влияние конструктивных элементов установки на архитектуру здания.

Приведенных выше недостатков гелиоустановок можно избежать, если убрать бак-аккумулятор с кровли, и разместить его в малоценном, с точки зрения зрительного восприятия здания месте, например, в подвале, цокольном этаже или на прилегающей территории. Подобное изменение взаимного вертикального расположения солнечного коллектора и бака-аккумулятора устранит также необходимость его крепления на кровле здания, что представляет в ряде случаев серьезную проблему.

Однако при размещении бака-аккумулятора ниже солнечного коллектора величина естественного циркуляционного давления снижается до нуля, поэтому для обеспечения циркуляции воды в контуре «солнечный коллектор – бак-аккумулятор теплоты» необходимо установить насос, обеспечивающий в установке принудительную циркуляцию воды. Подобное решение существенно расширяет функциональные возможности гелиоустановки, но делает ее работу зависимой от наличия электроэнергии. Необходимо отметить, что расход электроэнергии насосом относительно мал и не оказывает существенного влияния на электропотребление здания.

Гелиоустановки горячего водоснабжения с насосной циркуляцией.

Основные схемы солнечных установок горячего водоснабжения с насосной циркуляцией воды приведены на рис. 12.6 и рис. 12.7.

Гелиоустановка, схема которой приведена на рис. 12.6, включает минимальное количество элементов и отличается конструктивной простотой.

Схема гелиоустановки, представленная на рис. 12.6, применяется в том случае, если бак-аккумулятор размещается выше солнечного коллектора. Принцип работы установки аналогичен описанному выше принципу работы гелиоустановки с естественной циркуляцией воды, за исключением того, что циркуляция воды в контуре «солнечный коллектор – бак-аккумулятор» осуществляется циркуляционным насосом. Это позволяет уменьшить диаметры трубопроводов горячей и охлажденной воды и устранить ограничения по взаимному размещению солнечного коллектора и бака-аккумулятора.

Для повышения надежности работы установки возможно размещение в баке-аккумуляторе дублера нагрева, например электрического нагревателя, который осуществляет нагрев воды в баке-аккумуляторе при отсутствии или недостаточной мощности потока солнечной радиации, например при сильной облачности.

Рис. 12.6. Схема системы солнечной водонагревательной установки с насосной циркуляцией: 1 — коллектор солнечной энергии; 2 — бак-аккумулятор горячей воды; 3 — трубопровод горячей воды; 4 — трубопровод охлажденной воды; 5 – устройство для выпуска воздуха; 6 – циркуляционный насос.

Гелиоустановка горячего водоснабжения, схема которой приведена на рис. 12.6, предназначена для работы только в теплый период года. При необходимости круглогодичной эксплуатации используют двух и многоконтурные установки. На рис. 12.7 представлена двухконтурная схема насосной гелиоустановки горячего водоснабжения. Ее характерной особенностью является наличие в ней отдельного циркуляционного контура, образованного солнечным коллектором 1, водо-водяным теплообменником 2 и циркуляционным насосом 5. По данному контуру циркулирует первичный теплоноситель, в качестве которого используется вода или незамерзающая жидкость. Последний вариант применяется в том случае, если установка предназначена для работы не только в летний период года, но и в месяцы, когда возможно понижение температуры наружного воздуха ниже нуля.

Рис. 12.7. Схема двухконтурной насосной гелиоустановки горячего водоснабжения. 1 — коллектор солнечной энергии; 2 — бак-аккумулятор горячей воды; 3 — трубопровод горячей воды; 4 — трубопровод охлажденной воды; 5 – устройство для выпуска воздуха; 6 – циркуляционный насос, 7 – теплообменник типа «вода-вода»

В данной установке первичный теплоноситель нагревается в солнечном коллекторе 1, транспортируется по трубопроводам к теплообменнику 2, в котором осуществляется передача теплоты от первичного теплоносителя к водопроводной воде, заполняющей бак-аккумулятор теплоты 3. От теплообменника охлажденный первичный теплоноситель возвращается по трубопроводам в солнечный коллектор. Движение первичного теплоносителя по циркуляционному контуру обеспечивается циркуляционным насосом 5. Отбор воды на горячее водоснабжение осуществляется из верхней части бака-аккумулятора. Подпитка бака-аккумулятора осуществляется водопроводной водой в его нижнюю часть. Для нагрева воды в периоды отсутствия или недостаточной интенсивности солнечной радиации в бак вмонтирован резервный электрический водонагреватель. Бак-аккумулятор теплоты и все другие элементы, относящиеся непосредственно к контуру горячего водоснабжения должны размещаться в отапливаемом помещении. Пример размещения элементов гелиоустановки горячего водоснабжения с насосной циркуляцией приведен на рис.12.8.

Рис. 12.8. Здание, оборудованное гелиоустановкой горячего водоснабжения с насосной циркуляцией.

Наилучшей ориентацией солнечных коллекторов является южная.При отклонении солнечных коллекторов от южной ориентации до 15° количество поглощенной радиации снижается на 5%, при отклонении до 30° - на 10%.

Ориентировочная площадь КСЭ установок, предназначенных для горячего водоснабжения, F_k,м², составляет:

, (12.1)

где n - число потребителей.

Оптимальный угол наклона КСЭ систем круглогодичного действия равен широте местности, φ, ^О с.ш. а для систем, работающих только в летний период - (φ - 15⁰).

Требуемый объем бака-аккумулятора, V_ak ,м³, определяется в зависимости от суммарной площади солнечных коллекторов установки:

. (12.2)