azh4 000

 

Статья подготовлена к научно-практической конференции «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий» Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 19–20 марта 2013 г.

 

Для практического использования солнечной энергии в отоплении зданий необходимо знать климатические параметры места строительства. Это, в первую очередь, средняя температура наружного воздуха и количество солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность. Эти данные должны быть, хотя бы, среднемесячные, лучше, если они будут подекадными.

azh4 001

 

azh4 002

 

Для определения оптимального угла наклона солнечных коллекторов пересчитывают количество солнечной энергии поступающей на горизонтальную поверхность, на наклонную поверхность.

azh4 003

Производительность солнечных коллекторов сильно зависит от их коэффициента полезного действия и температуры теплоносителя.

Характеристика солнечного коллектора описывается следующей формулой:

? = ?o ? Kкy.

где: ?o – оптический КПД;

Кк – коэффициент тепловых потерь;

y = (Tж - То)/Iк;

Тж – температура теплоносителя, °С;

То – температура окружающей среды, °С;

Iк – плотность потока солнечной энергии, Вт/м 2 . [1]

 

Тип коллектора

Расчетная

формула

Жидкостной со стальной крашенной панелью (однослойное остекление)* ? = 0,79 - 8,3 y
Жидкостной со стальной крашенной панелью (двухслойное остекление) ? = 0,73 - 3,7 y
Жидкостной алюминиевый с селективным покрытием (Сокол-А) ? = 0,81 - 4,1 y
Жидкостной алюминиевый с селективным покрытием (Сокол-А) + одно стекло ? = 0,75 - 2,54 y
Жидкостной медный с селективным покрытием (Vitosol 100)  

? = 0,81 - (3.48 +
0,0164(Тж - То))y

Жидкостной вакуумированый стеклянный ? = 0,75 - 2 y

* Солнечный коллектор СКС [2]

При добавлении к существующим коллекторам дополнительной металлической рамы с одинарным остеклением сопротивление теплопередачи коллекторов увеличивается на 0,15 м 2 ?°С/Вт [3], но снижается оптический КПД.

azh4 004

 

 

На приведённом ниже графике показаны значения КПД различных коллекторов в течение года при средних температурах теплоносителя Тк = 50; 75 и 25°С. Угол наклона коллекторов к горизонту составляет 60° ? оптимальное значение для условий Северобайкальска при круглогодичном использовании. Ориентация – южная.

azh4 005

 

azh4 006

 

azh4 007

 

Из графиков и таблиц значений можно сделать следующие основные выводы:

• Средняя температура теплоносителя сильно влияет на КПД солнечных коллекторов. Средняя температура теплоносителя 75°С (радиаторная система отопления) может быть обеспечена только вакуумными коллекторами. При этом, КПД коллекторов в отопительный период составляет 0,14?0,46.

• Средняя температура теплоносителя 50°С (напольная система отопления) может быть обеспечена только вакуумными коллекторами и коллекторами с селективным покрытием типа «Сокол-А» с дополнительным остеклением. КПД коллекторов в отопительный период составляет 0,30?0,54 и 0,18?0,49 соответственно.

• Средняя температура теплоносителя 25°С (источник тепла для работы теплового насоса) может быть обеспечена как вакуумными, так и коллекторами с селективным покрытием, и даже коллекторами с неселективным чёрным покрытием с двойным остеклением. КПД коллекторов в отопительный период может составлять от 0,21 до 0,67.

• Так же из приведённых выше результатов (КПД и средняя температура наружного воздуха) видно, что на КПД солнечных коллекторов сильно влияет температура окружающей среды.

Одним из вариантов эффективного применения солнечных коллекторов является их установка не снаружи дома, а внутри солнечной теплицы ? зимнего сада. Этот вариант реализуется в строящемся доме в городе Северобайкальске. В солнечной теплице дома будут располагаться 4 коллектора «Сокол-А» общей площадью 7,6 м 2 . Коллекторы будут встроены в наклонную стену теплицы так, что солнечный свет через двойное остекление будет проходить на адсорбер с селективным покрытием, а сам коллектор будет находиться внутри теплицы.

azh4 008

 

На графике приведены результаты расчёта для строящегося экспериментального дома в г. Северобайкальске. Средняя температура теплоносителя принята 50 °С.

У графиков получения тепловой энергии и расчётной потребности на отопление и горячее водоснабжение экстремумы прямо противоположны. То есть, там, где расчётная потребность имеет максимум (январь), кривые выработанного коллекторами тепла имеют свои минимумы (декабрь).

Повышение минимума у графиков получения тепловой энергии от солнца в основном зависит от повышения КПД коллекторов и понижения температуры теплоносителя.

Понижение максимума потребления тепловой энергии зависит от сокращения тепловых потерь здания.

С мая по сентябрь выработанное тепло солнечными коллекторами значительно превышает его потребность, то есть, имеется явный переизбыток полученного тепла.

При определении процента замещения полученного тепла от солнечных кол- лекторов этот избыток не принимается во внимание.

Процент замещения расчётной годовой тепловой нагрузки полученным теплом от солнечных коллекторов составляет: для коллекторов «Сокол-А», установленных снаружи – 23,0%; для коллекторов «Сокол-А», установленных внутри теплицы – 34,4%; и для вакуумных коллекторов, установленных снаружи – 39,5%. Разница между этими вариантами составляет: 11,4% и 5,1%.

azh4 009

 

Зависимость процента замещения годовой тепловой нагрузки от площади уста- новленных коллекторов носит нелинейный характер. То есть, например, при увеличе- нии площади установленных коллекторов в 10 раз (с 1,9 до 19 м 2 ), процент замещения увеличивается только в пределах от 27,7% до 54,5%.

Для использования солнечной энергии для отопления необходимо:

• Максимально минимизировать тепловые потери здания

• Использовать пассивное солнечное отопление

• Использовать высокоэффективные солнечные коллекторы (с селективным покрытием поглощающей панели или вакуумированные)

• Максимально уменьшить разность температур между теплоносителем и ок- ружающим солнечный коллектор воздухом – встроить солнечные коллектора (с селек- тивным покрытием) в конструкцию здания.

• Использовать низкотемпературную систему отопления

• Использовать аккумуляторы тепла.

В качестве иллюстрации этих выводов может служить пример комплексного подхода реализуемого в строящемся экспериментальном доме в г. Северобайкальске.

Среднегодовая температура наружного воздуха – минус 3,1 °С.

Продолжительности отопительного периода 258 суток.

Средняя температура отопительного периода – минус 9,6 °С.

Площадь отапливаемых помещений составляет 91 м 2 .

Максимальная тепловая нагрузка в самую холодную пятидневку (минус 33 °С) составляет: 2,4 кВт.

В доме используется рекуператор тепла вытяжного воздуха и напольная систе- ма отопления.

Потребление дополнительной энергии из вне составляет 2268 кВт-ч/год, или 24,8 кВт-ч/м 2 в год, что соответствует стандарту «Пассивный дом» (15?25 кВт-ч/м 2 в год для условий Германии).

В качестве дублирующего источника тепловой энергии используется дровяной котёл-камин. Котёл-камин используется в течение 4 самых холодных месяцев в году (120 суток). Максимальное использование дров в самый холодный период составит не более 9 кг в сутки. Годовое потребление дров составляет 680 кг (1,4 м 3 ).

azh4 010

 

На приведённом графике виден вклад каждого элемента системы солнечного теплоснабжения и суммарное значение выработанного тепла.

Избыточное тепло от пассивной системы отопления (теплица, окна и фонарь) будет рассеиваться в окружающее пространство системой вентиляции.

Избыточное тепло от жидкостных солнечных коллекторов будет использовать- ся в системе очистки «серых» стоков и аккумулироваться в грунте.

Процентный вклад используемого (полезного) тепла от каждого элемента сис- темы солнечного теплоснабжения приведён в таблице.

Наименование элемента системы

Процентный вклад

используемого тепла

Теплица 24,0
Окно 18,0
Фонарь 8,9
Итого - пассивная система 50,9
Жидкостные коллекторы 24,9
Итого - всей системой 75,8

 

Литература

1. Н.В. Харченко. Индивидуальные солнечные установки. М.Энергоиздат, 1991.

2. Коллектор солнечный СКС ТУ 21-26-322-88.

3. ПОСОБИЕ 2.91 к СНиП 2.04.05-91. Расчет поступления теплоты солнечной радиации в помещения. Таблица 2.

 

У Вас недостаточно прав для добавления комментариев и вопросов. Возможно, Вам необходимо зарегистрироваться на сайте.
Регистрация находится на главной странице, "кликнуть" по трем полоскам вверху слева.

Яндекс.Метрика