Системное проектирование солнечной установки

Опубликовано mensh - вс, 07/27/2003 - 06:22

Объединение в единую систему солнечного отопления всех необходимых компонентов порой представляет собой весьма непростую задачу.

Системное проектирование солнечного отопления

Содержание

Факторы, влияющие на сложность системы солнечного отопления

Сложность конструкции системы зависит от следующих факторов:

  • профессионального уровня проектировщика;
  • разработки и внедрения нового оборудования;
  • уровня и качества комфорта, требуемых потребителем;
  • размера объекта;
  • величины среднего КПД системы, который должен быть достигнут.

Простые системы

Обращенное на юг окно в сочетании с тепловой массой здания и изолирующими ставнями является потенциально самой простой и в то же время наиболее удобной системой солнечного отопления.

В ту же категорию попадают:

Простые системы нередко достаточно эффективны, кроме того, при продолжительном сроке службы они требуют меньшего расхода строительных материалов и меньше энергии для своего возведения, эксплуатации и ремонта.

Помимо вышеприведенных примеров простейшая система солнечного отопления использует термосифонные воздушные коллекторы, которые работают только во время солнечного сияния и когда здание нуждается в тепле. Такие коллекторы можно устанавливать в холодное время года на открытых площадках около дома, а летом демонтировать. Их можно прикреплять к стенам и крышам существующих зданий. В любом случае воздух из зданий подается в коллектор, нагревается солнечными лучами и затем снова поступает в помещение.

Вентилятор включается по сигналу разности двух температур. В процессе работы системы датчик, посылающий этот сигнал, определяет, светит ли солнце и достаточно ли нагрет коллектор, чтобы нагреть воздух до нужной температуры; второй прибор определяет, нуждается ли помещение в тепле или нет.

Этот прибор должен быть настроен на верхний предел термостата, поскольку солнечное тепло с воздухом должно поступать в помещение тогда, когда его температура достигнет такого уровня, чтобы воспользоваться преимуществом использования энергии солнца, когда оно светит (естественно, этот процесс может осуществляться вручную путем простого включения или выключения вентилятора).

Поскольку в этом режиме работы не предусматривается аккумулятора тепла, то здание само должно выполнять функцию контейнера теплоаккумулятора. Таким образом, оно должно нагреваться до такой температуры, которую могут выдержать находящиеся в нем люди. Чем массивнее здание, тем больше тепла оно может запасти, тем дольше оно может обходиться без тепла после захода солнца или появления облачности и тем выше будет общий КПД этой простой системы. Покрытые землей и подземные здания с изоляцией, находящейся между бетоном и грунтом, очень близки к этим простым системам, поскольку массивные бетонные конструкции хорошо аккумулируют тепло.

Система следующего уровня сложности накапливает солнечное тепло в аккумуляторе. Если помещение нуждается в тепле, хотя солнечная энергия на здание поступает, то включается накопившая тепло отопительная система. Однако в идеале приток солнечного тепла через окна должен удовлетворить потребность в отоплении и во время работы коллектора.

Дублирующая отопительная система совершенно отделена от системы сбора и распределения солнечного тепла в целях упрощения всего комплекса. Когда солнца нет и аккумулятор заряжен, потребность дома в тепле удовлетворяется в первую очередь за счет солнечного аккумулятора. Если этого недостаточно, то включается дублирующая система отопления.

На рисунке кратко описываются 4 режима работы воздушной системы отопления. Элемент, обозначенный как отопитель, независим от системы солнечного отопления и может работать на жидком топливе, газе, электричестве, дровах или любом другом топливе.

Режимы работы воздушной системы отопления

Различные режимы работы простой воздушной системы отопления:
а — коллектор нагревает аккумулятор;
б — аккумулятор нагревает помещение;
в — отопитель нагревает помещение, солнце нагревает аккумулятор;
г — отопитель нагревает помещение, солнце отсутствует, тепло не аккумулируется;
1 — жилое помещение; 2 — аккумулятор; 3 — коллектор; 4 — отопитель;
A — коллектор — аккумулятор — коллектор: светит солнце, коллектор горячее аккумулятора;
B — аккумулятор — здание — аккумулятор: коллектор не подводит тепло к аккумулятору (нет солнца или аккумулятор теплее помещения);
C — коллектор подводит тепло к аккумулятору (светит солнце) и помещение нуждается в отоплении;
D — коллектор не работает (нет солнца), в аккумуляторе недостаточно тепла.

Сложные системы

Система усложняется по мере того, как предпринимаются попытки объединить все элементы. Например, в больших установках в целом нежелательно иметь 2 системы подвода тепла: одну для солнечного, а другую для дублирующего. Объединение этих двух систем в одну систему воздуховодов (например, для систем принудительной подачи теплого воздуха) требует установки демпферов и вызывает другие сложности с управлением, но, в конечном счете, может снизить стоимость используемой тепловой энергии.

Воздушные системы

На рисунке приведен пример отдельной системы подвода тепла с воздухом в качестве теплоносителя. Если через 10 мин после начала работы температура аккумулятора не достигает заданной термостатом величины, то включается отопитель. При работе коллекторов нагретый воздух поступает только в аккумулятор, если в нем нуждается само здание.

Система солнечного отопления

Система солнечного отопления дома «Денвер дизайн»:
1 — теплораспределительный канал; 2 — водонагревательный змеевик; 3 — бак с горячей водой; 4 — демпферы; 5 — опорный экран; 6 — вспомогательный нагреватель; 7 — мотор вентилятора; 8 — насадка аккумулятора; 9 — гравий; 10 — тепло из аккумулятора; 11, 18 — под полом; 12 — аккумулированное тепло; 13 — фильтры; 14 — магистраль горячего воздуха; 15 — коллектор; 16 — стояк; 17 — возврат холодного воздуха.

Различные заслонки и демпферы, устанавливающие разные режимы работы, часто располагаются вблизи друг от друга и подвержены давлению, создаваемому вентиляторами. Поэтому, они должны быть сконструированы таким образом, чтобы давление воздуха заставляло их плотно закрываться во избежание утечки воздуха.

Главным образом из-за стоимости и необходимости в упрощении работы количество воздуховодов, заслонок и их приводных механизмов должно быть как можно меньше. Следует рассчитывать кинематику каждой заслонки так, что когда в определенном режиме работы системы требуется ее закрыть или открыть, то движение воздуха, создаваемое вентилятором в данном режиме, соответственно приводило бы ее в движение.

Однако если для привода заслонок требуются механизмы, то они должны располагаться рядом, для того, чтобы один механизм приводил в движение несколько заслонок одновременно. Это обычно означает, что некоторые воздуховоды должны проходить рядом с местами расположения заслонок, а они, в свою очередь, должны размещаться в линию, чтобы поворачиваться вокруг одной и той же оси. Привод заслонок может открывать один воздуховод и одновременно перекрывать другой.

Жидкостные системы

Жидкостные системы отопления индивидуальных жилых домов обычно не столь эффективны по стоимости, как воздушные. Однако с увеличением размеров объектов и ростом потребности в солнечном абсорбционном охлаждении выбор жидкостных систем становится более предпочтительным. Кроме того, легче объединить водяное отопление с жидкостной системой, чем с воздушной.

На рисунке приведена упрощённая схема такой жидкостной системы. Показаны 2 альтернативных метода отопления помещений. В первой системе отопления горячая жидкость циркулирует непосредственно через здание; в системе воздушного отопления охлажденный воздух прокачивается из помещения через теплообменник, по змеевикам которого циркулирует нагретая солнцем жидкость.

Схема трубопроводов системы солнечного отопления

Схема трубопроводов системы солнечного отопления помещений:
1 — солнечный коллектор; 2 — бак-аккумулятор; 3 — вспомогательный вентилятор; 4 — к отопительной системе; 5 — теплый воздух; 6 — альтернативные способы отопления; 7 — вспомогательный источник тепла; 8 — изоляция; 9 — теплообменник; 10 — насос; 11 — нагревательный или охлаждающий змеевик; 12 — вентилятор; 13 — фильтры; 14 — регулирующий клапан.

Следующая система кроме основных функций подогревает также воду для хозяйственных нужд, прежде чем она поступает в обычный водонагреватель.

Схема комбинированной системы солнечного отопления и горячего водоснабжения

Схема комбинированной системы солнечного отопления и горячего водоснабжения:
1 — солнечный коллектор; 2 — бак-аккумулятор; 3 — вспомогательный нагреватель; 4 — горячая вода; 5 — холодная вода; 6 — к отопительной системе; 7 — теплый воздух; 8 — альтернативные способы отопления.

На рисунке в схему добавлено солнечное абсорбционное кондиционирование воздуха. Холодная жидкость циркулирует по змеевикам теплообменника, а теплый, поступающий из здания воздух, обтекая их, охлаждается. Избыточное тепло от оборудования отводится через градирню.

Схема комбинированной системы солнечного отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения

Схема комбинированной системы солнечного отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения:
1 — солнечный коллектор; 2 — бак-аккумулятор; 3 — вспомогательный нагреватель; 4 — горячая вода; 5 — абсорбционный кондиционер; 6 — градирня; 7 — холодная вода; 8 — к отопительной системе; 9 — теплый воздух; 10 — альтернативные способы отопления; 11 — вспомогательный источник тепла; 12 — изоляция; 13 — теплообменник; 14 — насос; 15 — нагревательный или охлаждающий змеевик; 16 — вентилятор; 17 — фильтры; 18 — регулирующий клапан.

Проблемы сложных систем

Если бы солнечное кондиционирование помещений было в реальной практике таким же простым, как и на этих схемах, то его давно приняли бы на вооружение, и оно бы гораздо быстрее получило распространение, чем это происходит сейчас. К сожалению, на этих схемах не показаны многочисленные клапаны, системы управления, теплообменники, насосы, вентиляторы, трубы, воздуховоды и расширительные баки, необходимые для различных режимов работы.

Теплообменники

Согласно Даффи и Бекману, теплообменник повышает рабочую температуру коллектора на величину, соответствующую перепаду температуры на теплообменнике. Примерно на каждый °C K перепада температуры через теплообменник полезная теплоотдача коллектора уменьшается на 1–2%. Чем меньше теплообменников в системе, тем лучше рабочие характеристики коллектора (или тем меньше требуемая площадь коллектора).

Система управления

Система управления, необходимая для подвода тепла или прохлады к зданию из коллектора, теплоаккумулятора и дублирующей системы отопления (или охлаждения), определяется конечными энергетическими потребностями здания. Вообще говоря, термостат, сигнализирующий о необходимости подачи тепла из аккумулятора, может работать на другом температурном уровне по сравнению с обычным термостатом, который включает подвод тепла из дублирующей системы. Например, солнечный термостат можно установить на 21°С, а стандартный — на 18,5°С. Если теплоаккумулятор не может поддерживать температуру на уровне 21°С, то включается дублирующая система при падении температуры до 18,5°С. В других случаях отдельный термостат может сам вводить в действие дублирующую систему, если в аккумулирующем устройстве не предусмотрены средства для поддержания температуры.

Управление работой коллектора сравнительно несложно, а обслуживание доступно. Как для воздушных, так и для жидкостных систем влияние солнечной радиации на температуру коллектора можно измерить непосредственно на поверхности теплоприемника или на поверхности, аналогичной по своим тепловым характеристикам. Другой термочувствительный элемент должен находиться на выходе из аккумулирующего устройства.

Обычно насос коллектора включается, когда температура коллектора примерно на 3°С превышает температуру аккумулятора; для воздушных систем эта разность температур, при которой включается вентилятор, может составить 11°С. Задержка по времени 5 мин должна учитываться органами управления, чтобы не допустить включения и выключения системы при периодическом сиянии. После того как система начала работать, другая временная задержка гарантирует, что система не отключится, как только теплоноситель из аккумулятора охладит теплоприемник не менее чем на 3°С ниже температуры аккумулятора.

В жидкостных системах может потребоваться также выключатель, реагирующий на верхний предел температуры и предупреждающий повышение давления жидкости в трубах до неконтролируемого уровня.

Выводы

Важнейшим в решении трудной задачи оптимизации конструкции системы солнечного отопления является сравнение рабочих характеристик и стоимости. Эффективность работы системы измеряется количеством энергии, которое система может выработать, или же сэкономить при сравнении с традиционным вариантом в течение года; сравнение затрат производится по стоимости этой энергии и дополнительным расходам, связанным с ее получением.

Поделиться с друзьями