Энергия (стр. 3 из 4)
Необходимость аккумулирования теплоты в гелиосистемах обусловлена несоответствием во времени и по количественным показателям поступления солнечной радиации и теплопотребления. Поток солнечной энергии изменяется в течение суток от нуля в ночное время до максимального значения в солнечный полдень. Поскольку тепловая нагрузка отопления максимальна в декабре - январе, а поступление солнечной энергии в этот период минимально, для обеспечения теплопотребления необходимо улавливать солнечной энергии больше, чем требуется в данный момент, а избыток накапливать в аккумуляторе теплоты.
Аккумуляторы можно классифицировать по характеристике физико-химических процессов, протекающих в теплоаккумулирующих материалах (ТАМ):
аккумуляторы емкостного типа, в которых используется теплоемкость нагреваемого (охлаждаемого) аккумулирующего материала без изменения его агрегатного состояния (природный камень, галька, вода, водные растворы солей и др.);
аккумуляторы фазового перехода вещества, в которых используется теплота плавления (затвердевая) вещества;
аккумуляторы энергии, основанные на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических и фотохимических реакциях.
Солнечные установки коммунально-бытового назначения
Солнечные водонагревательные установки
Сейчас во всем мире в эксплуатации находится более 5 млн. солнечных водонагревательных установок, используемых в индивидуальных жилых домах, централизованных системах горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, включая гостиницы, больницы, спортивно-оздоровительные учреждения и т.п. Налажено промышленное производство солнечных водонагревателей в таких странах, как Япония, Израиль, Кипр, США, Австралия, Индия, Франция, ЮАР и др.
На отопление, горячее водоснабжение и кондиционирование воздуха в жилых , общественных и промышленных зданиях расходуется 30-35 % общего годового энергопотребления.
В районах, имеющих более 1800 ч солнечного сияния в год, целесообразно использовать солнечную энергию для теплоснабжения зданий. Солнечные водонагревательные установки получили довольно широкое распространение благодаря простоте их конструкции, надежности, быстрой окупаемости.
По принципу работы солнечные водонагревательные установки можно разделить на два типа: установки с естественной и принудительной циркуляцией теплоносителя. В последние годы все больше производится пассивных водонагревателей, которые работают без насоса, а следовательно, не потребляют электроэнергию. Они проще в конструктивном отношении, надежнее в эксплуатации, почти не требуют ухода, а по своей эффективности практически не уступают солнечным водонагревательным установкам с принудительной циркуляцией.
Солнечная водонагревательная установка с естественной циркуляцией содержит коллектор солнечной энергии, бак-аккумулятора подводится холодная вола (ХВ), и из его верхней части отводится потребителям горячая вода (ГВ). Перечисленные элементы образуют контур естественной циркуляции воды. По подъемной трубе горячая вода из коллектора солнечной энергии поступает а бак-аккумулятор, а по отпускной трубе из бака в коллектор поступает более холодная вода для нагрева за счет поглощенной солнечной энергии. Поскольку средняя температура воды в подъемной трубе выше, чем в отпускной, плотность воды, напротив, ниже во второй трубе. И вследствие этого возникает разность давлений (Па), вызывающая движение воды в контуре циркуляции: Dp=gH (p1 -p2), где g -ускорение свободного падения, равное для равниных районов 9,81 м/с2 ; H- разность отметок низа солнечного коллектора (нулевой уровень) и места подвода горячей воды в бак-аккумулятор, м; p1 - плотность воды в подъемной трубе при температуре Т2 кг/м3.
Очевидно, что чем больше разность температур воды, тем больше разность давлений и интенсивнее движение воды, Аналогичное влияние оказывает увеличение разности отметок H.
Непременным условием эффективной работы солнечной водонагревательной установки термосифонного типа является тепловая изоляция всех нагретых поверхностей - прежде всего бака-аккумулятора, подъемной и отпускной труб, патрубка для отвода горячей воды к водоразборным кранам или душу и воздушника.
В условиях холодного климата в солнечном коллекторе следует использовать незамерзающий теплоноситель - смесь воды с этилен- или пропеленглиголем, глизантин (смесь воды с глицерином) и др.
Солнечные водонагревательные установки с естественной циркуляцией теплоносителя являются саморегулирующимися системами, и расход жидкости в них полностью определяется интенсивностью поступающего солнечного излучения, а также теплотехническими и гидравлическими характеристиками солнечного коллектора, бака-аккумулятора и соединительных трубопроводов.
Установки с принудительной циркуляцией теплоносителя целесообразно использовать для горячего водоснабжения крупных объектов. В них солнечный коллектор представляет собой большой массив модулей КСЭ. Эти установки имеют большую термопроизводительность, но, как правило, они довольно сложны.
Принципиальная схема установки с циркуляцией воды в контуре КСЭ с помощью насоса подачей холодной воды в бак-аккумулятор и регулированием температуры горячей воды, поступающей к потребителю, путем подмешивания холодной воды в смесительном клапане показана на рисунке.
Солнечные водонагреватели могут использоваться в качестве первой ступени для предварительного подогрева воды в обычных топливных системах горячего водоснабжения.
По экономическим соображениям за счет солнечной энергии целесообразно покрывать до 80 % нагрузки горячего водоснабжения, поэтому необходимо использовать наряду с коллекторами солнечной энергии (КСЭ) также дополнительные источники энергии (ДИЭ).
В качестве ДИЭ может использоваться электронагреватель или топливный котел. Для индивидуальных потребителей следует рекомендовать использовать водонагреватели с естественной циркуляцией воды или компактные устройства, поскольку они имеют хорошую эффективность при невысокой цене и просты в конструктивном отношении, а следовательно, и надежны.
Система солнечного теплоснабжения зданий
Различают активные и пассивные системы солнечного теплоснабжения зданий. Характерным признаком активных систем является наличие коллектора солнечной энергии, аккумулятора теплоты, дополнительного источника энергии, трубопроводов, теплообменников, насосов или вентиляторов и устройств для автоматического контроля и управления. В пассивных системах роль солнечного коллектора и аккумулятора теплоты обычно выполняют сами ограждающие конструкции здания, а движение теплоносителя (воздуха) осуществляется за счет естественной конверции без применения вентилятора. В странах ЕЭС в 2000 г. пассивные гелиосистемы будут давать экономию 50 млн. т нефти в год.
В зданиях, в которых предусматривается эффективное использование солнечной энергии, должен быть обеспечен высокий уровень сохранения энергии, особенно в условиях холодного климата. При этом мощность гелиосистемы и дополнительного источника энергии, а также их размеры и стоимость будут минимальными.
Пассивные гелиосистемы отопления зданий
Для отопления зданий используются следующие типы пассивных гелиосистем:
С прямым улавливанием солнечного излучения, поступающего через здания или через примыкающую к южной стене здания солнечную теплицу (зимний сад, оранжерею).
С непрямым улавливанием солнечного излучения, т.е. с теплоаккумулирующей стеной, расположенной за остеклением южного фасада;
С контуром конвективной циркуляции воздуха и галечным аккумулятором теплоты. Кроме того, могут использоваться гибкие системы, включающие элементы пассивной и активной гелиосистемы.
Пассивные системы составляют интегральную часть самого здания, которое должно проектироваться таким образом, чтобы обеспечивать наиболее эффективное использование солнечной энергии для отопления. Наряду с окнами и остекленными поверхностями южного фасада для улавливания солнечного излучения также используются остекленные проемы в крыше и дополнительные окна в верхней части здания, которые повышают уровень комфорта человека, так как исключают прямое попадание солнечных лучей в лицо. Одно из важнейших условий эффективности работы пассивной гелиосистемы заключается в правильном выборе местоположения и ориентации здания на основе критерия максимального поступления и улавливания солнечного излучения в зимние месяцы.
Прямое улавливание солнечной энергии может эффективно осуществляться при соблюдении следующих условий:
1) оптимальная ориентация дома - вдоль оси восток-запад или с отклонением до 30о от этой оси;
2) на южной стороне 50-70 % всех окон, а на северной - не более 10%, причем южные окна должны иметь двухслойное остекление, а северные окна - трехслойное;
3) здание должно иметь улучшенную тепловую изоляцию и низкие теплопотери вследствие инфильтрации наружного воздуха;
4) внутренняя планировка здания должна обеспечивать расположение жилых комнат с этой стороны, а вспомогательных помещений - с северной;