Солнечный аккумулятор тепла – Солнечный аккумулятор тепла

Содержание

Солнечный аккумулятор тепла

Изобретение относится к гелиотехнике и предназначено для преобразования солнечной энергии в тепловую и аккумулирования ее с целью последующего использования в бытовых условиях, например, для обогрева туристских палаток, юрт, различного рода помещений. В солнечном аккумуляторе тепла, содержащем корпус, светопрозрачный защитный экран, теплоприемную панель, наполнитель аккумулятора тепла и теплоизоляцию, наполнитель аккумулятора тепла помещен в съемный герметичный контейнер, установленный в корпусе с поджатием к теплоприемной панели откидывающейся крышкой через теплоизоляцию. Наполнителем аккумулятора тепла является вещество с фазовым превращением. Изобретение должно обеспечить удобство в эксплуатации. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к гелиотехнике и предназначено для преобразования солнечной энергии в тепловую и аккумулирования ее с целью последующего использования в бытовых условиях, например, для обогрева туристских палаток, юрт, различного рода помещений.

Известен солнечный коллектор — нагреватель жидкости, содержащий корпус в виде заполненного жидкостью бака с патрубками, светопрозрачную для лучей теплоизоляцию, поглощающую энергию солнечных лучей крышку бака (см. патент РФ 2108520, F 24 J 2/04, 1996).

Известен также солнечный воздухонагреватель, включающий коллектор, светопрозрачное покрытие, двухслойный аккумулятор тепла (наиболее близкий аналог, см. патент РФ 2193147, F 24 J 2/24, 2/34, 2001).

Недостатком приведенных конструкций является недостаточная эффективность действия и неудобство в эксплуатации, особенно в случае выполнения солнечного аккумулятора переносным. Двухслойный (песчано-гравийный) аккумулятор медленнее и не в полной мере воспринимает поступающую солнечную радиацию и обладает более низкими теплоинерционными характеристиками по сравнению с веществами с фазовым переходом.

Целью предлагаемого технического решения является устранение указанного недостатка.

Указанная цель достигается тем, что в солнечном аккумуляторе тепла, содержащем корпус, светопрозрачный защитный экран, теплоприемную панель, наполнитель аккумулятора тепла, теплоизоляцию, согласно изобретению наполнитель аккумулятора тепла помещен в съемный герметичный контейнер, установленный в корпусе с поджатием к теплоприемной панели откидывающейся крышкой через теплоизоляцию.

При этом в солнечном аккумуляторе наполнителем аккумулятора тепла может является вещество с фазовым превращением.

Корпус съемного герметичного контейнера изготовлен из материала с высокой теплопроводностью, например из металла (сплавов алюминия), что позволяет эффективно передавать тепло от нагретой солнечным излучением теплоприемной панели к наполнителю аккумулятора тепла.

Крышка корпуса солнечного аккумулятора тепла выполнена откидывающейся для извлечения нагретого герметичного контейнера и использования его в бытовых условиях.

Установленная между герметичным контейнером и откидывающейся крышкой теплоизоляция сокращает утечки тепла через крышку корпуса. В качестве теплоизоляции использован пенопласт (пенополистирол и т.п.) или подобный ему материал с малым коэффициентом теплопроводности.

При этом толщина теплоизоляции выбрана немного больше — на 3-5% от номинального размера для поджатия контейнера с наполнителем аккумулятора тепла к теплоприемной панели откидывающейся крышкой. Таким образом обеспечен надежный контакт между теплоприемной панелью и контейнером и, следовательно, малое термическое сопротивление между ними.

Для повышения эффективности действия предложенного устройства в качестве наполнителя аккумулятора использовано вещество с фазовым превращением в диапазоне температур ~20-100°С. Применение такого наполнителя позволяет аккумулировать в герметичном контейнере в несколько раз (2-3) больше тепла по сравнению с обычным наполнителем, поглощающим тепловую энергию за счет теплоемкости. Конструкция контейнера выполнена герметичной, т.к. наполнитель при нагреве меняет фазовое состояние — из твердого превращается в жидкое, а при охлаждении — наоборот.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом.

В корпусе 1 с откидывающейся крышкой 2 и светопрозрачным защитным экраном 3 установлена теплоприемная панель 4, герметичный контейнер 5 с наполнителем 6 аккумулятора тепла и теплоизоляция 7.

Функционирование предложенного устройства происходит следующим образом. Солнечное излучение, проходя через светопрозрачный защитный экран, нагревает теплоприемную панель и герметичный контейнер с наполнителем аккумулятора тепла. Наполнитель аккумулятора, нагреваясь, переходит из твердого состояния в жидкое и накапливает при этом тепловую энергию. При интенсивном солнечном излучении контейнер с аккумулятором тепла нагревается в течение 1,5-2 часов. После этого контейнер извлекают из корпуса и используют в бытовых условиях, например, для подогрева палатки, юрты и т.п. На место извлеченного контейнера ставится запасной.

Следует отметить, что контейнер с наполнителем аккумулятора тепла можно нагревать любым источником тепла (печь и т.п.).

В рамках данного изобретения авторами разработан, выполнен в металле и испытан солнечный коллектор-аккумулятор со всеми описанными признаками.

Корпус герметичного контейнера изготовлен из нержавеющей стали Х18Н10Т. В качестве наполнителя аккумулятора тепла использован парафиносодержащий состав с температурой плавления ~60°С. Поверхность теплоприемной панели со стороны солнечных лучей покрыта селективным покрытием с высоким значением коэффициента поглощения солнечного излучения и малым значением степени черноты.

Технико-экономическая эффективность представленного устройства заключается в том, что солнечный коллектор-аккумулятор удобен в эксплуатации — герметичный контейнер с наполнителем аккумулятора тепла занимает небольшой объем, быстро нагревается, легко извлекается из корпуса и продолжительное время служит для обогрева различных помещений.

1. Солнечный аккумулятор тепла, содержащий корпус, светопрозрачный защитный экран, теплоприемную панель, наполнитель аккумулятора тепла, теплоизоляцию, отличающийся тем, что наполнитель аккумулятора тепла помещен в съемный герметичный контейнер, установленный в корпусе с поджатием к теплоприемной панели откидывающейся крышкой через теплоизоляцию.

2. Солнечный аккумулятор тепла по п.1, отличающийся тем, что наполнителем аккумулятора тепла является вещество с фазовым превращением.

findpatent.ru

Тепловой аккумулятор :: Дом солнечного энергетика

Тепловой аккумулятор

Для каркасного дома нужно иметь тепловой аккумулятор (ТА) для снижения скачков температуры днем и ночью. О сезонном аккумулировании тепла — отдельная тема, пока рассмотрим суточное или многосуточное тепловое аккумулирование.

Реальных вариантов для материала для ТА всего 3:

вода
бетон или бетонные блоки (в крайнем случае кирпич, но у него теплоемкость меньше)
грунт

Для аккумуляторов одинаковой тепловой емкости масса воды для водяного аккумулятора примерно в 4 раза меньше. Однако, исходя из объема, разница между водяным и бетонным ТА получается не 4, а около 2 раз, т.к. бетон тяжелее воды.

Удельная теплоёмкость воды 4.19 кДж/(кг*K), при плотности 1000 кг/м.куб, у бетона удельная теплоёмкость 1.13 кДж/(кг*K), плотность 2242 кг/м.куб. Соответственно теплоёмкость воды на м. куб 4190, у бетона 2533. Отсюда получаем коэффициент 1.65, соответственно 200 м. куб бетона по теплоемкости соответствует 121.2 м3 воды.

Есть расчеты, что по стоимости ТА из воды процентов на 10-15 дешевле, чем ТА из бетона. Скорее всего эта разница не включает расходы на усиление фундамента.

Преимущества водяного ТА

Меньшие масса и объем
Возможность использовать температурную стратификацию
Возможность установки нескольких теплообменников на разной высоте

Недостатки водяного ТА:

Вода все-таки может протечь
Вода может замерзнуть, поэтому нужно размещать водяной ТА таким образом, чтобы исключалась возможность его замерзания. Как вариант — размещение его под землей
В конструкции водяного ТА можно применять пластиковые емкости, которые не боятся замораживания. Если разместить их горизонтально с небольшим недоливом, то разрыв из-за замерзания будет исключен. Тут нужно продумать конструкцию, чтобы можно было легко заменять воду и проводить техническое обслуживание.

Идеи с forumhouse.ru

#458 Я так понял надо иметь три ТА. Длительный типа 5 кубов бетона с залитыми трубками под домом, суточный с водой и теплообменником, моментальный где при кристаллизации хим вещества выделяется тепло (принять душ, помыть посуду).

#459 Тоже думаю о ТА.
1 Бетон и грунт- фундамент утепленный. Сброс излишков от СК, нагрев воздухом летом.
2 ТА низкотемпературный (+28С — +35С) для СК, когда пасмурно и сезонные емкости нагретые летом(«длительные»). Использовать для нагрева фасадных стен (конечно внури дома) и холодной воды.
3 Возможно и еще более низкотемпературный ТА (+5С -+10С) утилизации уже после рекуператора ТО и канализации, такие температуры любит ТН. Догрев после ГК.
4 Конечно высокотемпературный ТА (+60С-+90С), для котла, ГВС, СК.

По поводу большого ТА под домом — закапывать емкость с водой — опасно и недолговечно. Пластиковые баки дорогие — 10 кубов стоят около 73 тыр. Хотя, на avito.ru нашел кубовые пластиковые емкости в металлическом каркасе за 2,5 тыр. Они не для высоких температур — материал еврокубов HDPE (полиэтилен высокой плотности), температура плавления 130-135 градусов. Температура размягчения, 80-100 градусов для разных марок. #254, #260

Если делать металлический бак — возникает проблема коррозии. Водяной бак надо периодически чистить, следить, чтобы флора-фауна всякая не завелась. С форума подсказали, что можно делать бак из кровельной меди, она не ржавеет и бактерицидна, но на такой большой объем даже не представляю цену.

Вопрос — нужен ли отдельный фундамент для таких емкостей под домом? Как вписать эту конструкцию в УШП? Не будет ли потом сожалений из-за того, что или баки потекут-покосятся, или, еще хуже, УШП вокруг и на них прогнется-вспухнет-поломается?

Бетон десятками кубов заливать — неоправданно дорого.

Поэтому еще раз нужно внимательно посмотреть в сторону грунтового ТА. У меня под домом будет глина не несколько метров глубиной, вода через нее не проходит, УГВ низкий (на 5-6 метрах воды точно нет). Огородить объем грунта теплоизоляцией из ЭППС с организацией дренажа вокруг него — наверняка дешевле, чем заливать почти такой же объем бетоном.

Остается вопрос о тепловой стратификации, которая является большом преимуществом водяного ТА — но в грунтовом она тоже в какой-то мере должна быть.

Нужно продумать размещение труб теплообменника. Наверное, проще решать вопрос отбора тепла из различных зон установкой нескольких контуров теплообменника (например, внешние и внутренние петли) и тепловым насосом.

Нагревать ТА в грунте и бетоне более 20 градусов вряд ли получится, поэтому без ТН не обойтись.

Такой грунтовый ТА нужен не для сезонного аккумулирования тепла — его, даже полностью заряженного, все равно хватит только на несколько недель, — а для многосуточного аккумулирования излишков солнечной энергии и для сброса излишков тепла от СК летом.

С учетом вышесказанного, пока рабочий вариант такой:

1. Небольшой ТА на 500 л с несколькими теплообменниками и температурной стратификацией — для ГВС. Излишки из него идут во второй ТА. Также, можно предусмотреть переключение контура СК (или его части) на второй ТА после нагрева первого до 80С — это усложнит систему, но может повысить эффективность СК за счет уменьшения разницы между температурами окружающей среды и теплоносителя. Можно увеличить этот ТА до 700-1000 л, чтобы иметь запас ГВС на несколько пасмурных дней, чтобы уменьшить потребление электроэнергии. #273

Также, переключение или разделение СК необходимо будет при увеличении количества СК больше 5-4 шт. #278 , т.к. мощности теплообменника в баке не будет хватать для полного отбора тепла от большого СК.

2. Многосуточный ТА для накопления солнечной энергии и как буферный ТА для пеллетной или дровяной печи. Думаю, кубов на 5-8. Разместить под домом на этапе строительства фундамента. Сделать бетонную или металлическую коробку размером примерно 2,5*2,5*2 м, утеплить ее снаружи немного пенопластом (максимум 10 см. С него скидывать излишки тепловой энергии от СК летом. Не думаю, что вода там будет сильно греться, максимум до 60-70 градусов.

Другой вариант реализации многосуточного ТА — галечный по образцу, описанного в книге Андерсона «Солнечное проектирование».

В этом варианте появляется возможность использования воздушных солнечных коллекторов. При этом в зимнее время галечный ТА будет служить аккумулятором солнечной энергии и энергии от пеллетного камина. В летнее время можно использовать его для охлаждения помещения.

В ТА нужно сделать несколько воздухозаборов/отверстия для выхода

1. забор воздуха

— в верхней части ТА — для подачи горячего воздуха от СК на стене и из чердака.

— в верхней части помещений — для забора горячего воздуха летом из помещений

— в нижней части со стороны столовой, со стороны кухни — для создания тяги через теплый ТА и выброса теплого воздуха из помещения наружу, для охлаждения ТА ночью, чтобы днем он мог охлаждать помещение.

2. выход воздуха — из нижней части ТА, прогретый СК воздух передается в помещение через ТА.

Летний режим. Запасать тепло внутри дома не нужно, а наоборот, нужно ночную прохладу. Вокруг ТА можно сделать теплоизоляцию, но скорее всего она не нужна. Если ночью нужно дополнительное тепло, можно запасать его днем, так как ТА имеет большую инерционность, то как раз к вечеру он прогреется от СК и можно будет от него забирать тепло. Если же ночью нужна прохлада, то в дневное время воздух от СК через этот ТА не прокачивается, а направляется на чердак в теплообменник грунтового или большого водяного ТА.

3. Грунтовый ТА под домом. Сделать несколько петель из ПНД в рамках периметра дома, вокруг второго ТА. Потери от второго ТА будут нагревать грунт, плюс, на эти петли можно летом скидывать тепло от фанкойлов. По периметру дома сделать вертикальную теплоизоляцию из ЭППС 10-15 см на глубину до 2-3 м. С учетом того, что большая часть земляных работ все равно должна производиться при обустройстве УШП, добавка к стоимости на такой ГТА должна быть небольшой — стоимость пары сотен метров ПНД с их укладкой, стоимость ЭППС для теплоизоляции периметра на глубину 2-3 м, стоимость траншеи по периметру для размещения этой теплоизоляции.

4. Ну и, конечно, тепловым аккумулятором будет ФП. Она должна обеспечить охлаждение летом и отопление зимой.

По материалу второго ТА — т.к. он будет самодельным, то важен выбор материала. #275

❏ Pазличные виды пластиковых поверхностей, в первую очередь на основе полиэтилена, полипропилена, ПВХ, способствуют образованию на внутренней поверхности биопленок, в которых крайне охотно селится легионелла, особенно полиэтилены, некоторые пригодны для тепловой профилактики, хотя применяемые в ХВС типы как правило не рассчитаны на t 70-80 °С, уязвимы перед гиперхлорированием и озонированием и УФ (уязвимы не означает немедленной аварии после применения процедуры, а означает сокращение, а в некоторых случаях существенное, срока службы),
при снижении t до 50 °С демонстрируют высокие темпы вторичного расселения и роста легионеллы.
❏ Hержавеющая сталь в некоторой мере бактериостатична, в малой степени подвержена зарастанию и образованию биопленок, пригодна для всех видов профилактики, но сложна в монтаже и дорогостояща, а при снижении температуры до 50 °С демонстрирует эффект вторичного расселения и
роста колоний легионеллы.
❏ Mедные поверхности:
ярко выраженное бактериостатическое и бактерицидное действие — при сравнительных экспериментах при t = 25 °С KIWA лишь с пятой попытки сумела высадить на медной поверхности колонию легионелл), безусловно препятствуют росту колоний Л при t < 25 °С, после «теплового удара» при охлаждении до 50 °С единственные, на поверхности которых легионелла не восстанавливается. В наиболее опасном диапазоне t 38-42 °С колонии легионелл, тем не менее, размножаются, хотя их количество и темпы роста наименьшие, причем на два порядка, по сравнению с пластиками и оцинкованной сталью.

Взято тут — http://www.c-o-k.com.ua/content/view/1344Получается, что пластиковый бак с точки зрения развития легионелл и прочей живности — не вариант. Хотя воду оттуда пить не будут, но периодически его нужно обеззараживать, а пластик к химии слабостоек. Учитывая, что бак закапывается в грунт практически навсегда, то такая экономия может выйти боком.

Основное отопление будет грунтовым ТН. Пока не решил — будет ли это многоэтажка или несколько скважин метров по 8-10 глубиной. Говорят, 20 таких скважин хватает на отопление дома 200 м2 (хорошо утепленный, но без фанатизма, каркасник).

См. также #313

Стена Тромба

Большие окна — это хорошо с точки зрения поступления света. Но зачастую (особенно летом) слишком много света «напрягает», а излишняя открытость солнечному свету приводит к выцветанию мебели, тканей, ковров и т.п., находиться на ярком солнце тоже некомфортно. Есть вариант размещения тепплоаккумулирующей массы внутри дома пере окнами

В этом случае полезная солнечная энергия улавливается стеной, но яркий свет не проникает вглубь помещений.

Ссылки по теме

Phase Change Material Trombe Wall

Масса и место размещения теплоаккумулятора

Еще интересная информация по тепловым аккумуляторам

Немецкий ТА с использованием энергии замораживания воды. Энергия кристаллизации 1 л воды — 0.8 кВт*ч, что равнозначно энергии нагрева 1 л воды с 0 до 80С.

Демонстрационный дом в Мичигане, США. Построен в 1994 году.

Грунтовый ТА из песка, изолирован от фундаментной плиты 5 см ЭППС. Тепло сохраняется несколько месяцев. На 42 минуте видео показана таблица переключения кранов для перераспределения солнечной энергии между грунтовым ТА (ГТА), фундаментной плитой (ФП) и т.п. Солнечная система — drainback, одноконтурная, одна и та же вода проходит через коллекторы и через ГТА и ФП.

На 49 минуте говорится о том, что для разогрева даже такого суперутепленного дома необходимо минимум полдня, т.к. дом имеет большую термическую массу в виде фундамента и дровяной печи. Что, в принципе, подтверждается цитатой #229

«… конструктор каркасников советовал держать круглогодичную температуру не ниже +7…+10грЦ, если хозяева собираются периодически приезжать на выходные зимой. (Если зимой совсем не пользоваться, то можно без проблем консервировать) Он же предупреждал, что ТП в плите прогревает помещение не за пару- тройку часов, а сутки- двое.»

Дом не имеет кондиционеров, летом не бывает жарко. В восточной части дома 2 спальни, соединенные с солярием, который позволяет также иметь комфортную температуру в течение всего года.

На 54 минуте показаны трубы, которые были использованы в ГТА и в ФП. На 56 минуте говорится о том, что нужно делать теплоизолированую дверь и хорошо теплоизолировать помещение, где расположены баки и т.п., т.к. иначе тепло проникает в помещения и летом нагревает их, что нежелательно.

Фотоэлектрическая система старая, силовая электроника тоже. СБ были установлены б/у с какой то большой станции.

Thermal Storage Solutions — Roy House В этом доме применен водяной ТА примерно на 9 кубов, который может запасать до 440 кВт*ч энергии. В системе гликолевая петля от СК, через теплообменник отдает тепло теплым полам (вода). Также есть аварийная петля с насосом постоянного тока для сброса излишков тепла от СК в землю. Контроллеры и аварийный насос питаются от АБ 12В.

Тепловой аккумумулятор на 50 м3
Еще ТА на 130 м3

04.07.2019

dom.solarhome.ru

Подключение солнечных батарей для отопления частного дома. Солнечный аккумулятор тепла

расчет, цена, отзывы, использование коллекторов

В современных условиях вопрос об экономном ведении хозяйства более чем актуален, что напрямую связано с постоянным удорожанием привычных энергоносителей, периодическими экономическими кризисными явлениями и нарушением экологического равновесия на нашей планете. Переход на альтернативные источники, например, солнечные водонагреватели, воздушно солнечное отопление, — это способ экономии и забота о будущих поколениях.

Сегодня для монтажа соответствующего оборудования можно воспользоваться услугами профессионалов или установить воздушное солнечное отопление своими руками. Второй вариант экономически выгоднее в 4 раза, поскольку цена — это немаловажный фактор для принятия решений, последствия которого будут давать результат на протяжении многих лет.

Усовершенствование существующих ранее технологий играет непосредственную роль в процессе интегрирования в современную систему хозяйствования альтернативных источников обогрева жилых и промышленных помещений.

Поэтому для экономически и технологически правильного проектирования системы, выполнения монтажа ее элементов необходимо иметь наиболее полную картину возможностей отопления дома солнечными батареями.

Самодельные системы: как используется солнечная энергия

Солнечная система отопления помещений.

Оборудовать солнечное отопление своими руками можно даже начинающему мастеру, но работа с разными типами устройств имеет некоторые отличия. Речь идет о солнечных батареях и солнечном коллекторе.

Солнечные батареи позволяют аккумулировать энергию, а затем использовать ее и для обогрева, и для подогрева теплоносителей, и для питания электрических приборов. Фотоэлементы, которые являются основой батарей, сделать самостоятельно трудно. Поэтому их покупают, соединяют в цепь и фиксируют в отдельном корпусе, правильно устанавливая все элементы.

Солнечными коллекторами (гелиосистемами) обогревают частные дома, организуя дополнительно и горячее водоснабжение. Фотоэлементы для коллектора не требуются. Отзывы свидетельствуют, что организовать солнечное отопление из подручных материалов под силу и начинающему мастеру.

Плоские гелиосистемы представляют собой остекленные и утепленные короба с теплоносителем внутри. Основным элементом вакуумных коллекторов являются трубки, в которых преобразуется энергия.

Итак, отличие состоит в том, что с помощью батареи можно производить электроэнергию, а с помощью коллектора нагревать воду.

Схема солнечной системы.

Экономическая эффективность использования солнечного генератора энергии

Солнечные батареи для отопления генерируют электрическую энергию в результате фотоэлектрических реакций. В среднем один модуль имеет мощность от 50 до 300 Вт при коэффициенте полезного действия до 30%, что является невысоким показателем. Экономическая выгода кроется в другом — эффективном — производстве энергии, что позволяет окупить затраты уже за 3 года эксплуатации системы. Один раз обустроив отопление на солнечных батареях, можно забыть о проблеме на 25 лет, поскольку именно такой срок устанавливают производители для работы оборудования.

К выгодным параметрам такого вида отопления можно отнести экономию внутреннего полезного пространства, что достигается установкой батареи для отопления на крыше здания. При этом следует придерживаться определенных правил:

Генератор.

Оборудование, обеспечивающее солнечное отопление, устанавливается на южной стороне, поскольку именно здесь сосредоточено наибольшее количество тепла.
Крыша должна быть не горизонтальная, а под наклоном — ориентировочно 45°.
Солнечные батареи довольно тяжелые, поэтому стропильная система крыши дома должна быть прочной. Угроза обрушения наиболее вероятна в зимнее время, когда на крыше скапливается снег.
Во дворе, на стороне дома, где располагаются батареи, не должно быть деревьев или зданий, создающих тень.

Расчет площади необходимого для батарей пространства производится индивидуально, но можно сориентироваться, учитывая такие параметры: для средней полосы для отопления дома, площадь которого составляет 100 кв.м, понадобится около 30 кв.м батарей. Следует учесть необходимость изолированного места в доме, в котором будет установлено оборудование, использующееся в пасмурную погоду или в темноте.

Экономическая выгода также определяется типом системы, которую подключают к электрическому котлу, в частности:

электрическая;
водяная.

Первая имеет наибольшую популярность благодаря эффективности при небольшом нагреве больших участков дома, допустим, пола с подогревом. Электрическую систему легче настраивать в соответствии с погодными условиями, количеством человек в доме. Оборудование электрического отопления легче монтировать, при этом отсутствуют громоздкие трубы и радиаторы под окнами.

Составные элементы системы.

Уязвимость альтернативной системы отопления

Расчет эффективности работы солнечной батареи для отопления дома позволяет определить период ее окупаемости. Как уже было сказано, это 3 года, но при соблюдении нескольких условий.

Во-перв

10i5.ru

солнечные коллекторы и батареи, принцип действия и эффективность

С ростом цен на энергоносители все актуальнее становится использование альтернативных источников энергии. А так как отопление у многих основная статья расходов, то об отоплении речь в первую очередь: платить приходится практически круглый год и немалые суммы. При желании сэкономить, первым на ум приходит солнечное тепло: мощный и совершенно бесплатный источник энергии. И использовать его вполне реально. Причем оборудование стоит хоть и дорого, но в разы дешевле, чем тепловые насосы. О том, как может быть использована энергия солнца для отопления дома, поговорим подробнее.

Отопление от солнца: за и против

Если говорить об использовании солнечной энергии для отопления, то нужно иметь в виду, что существуют два разных устройства для преобразования солнечной энергии:

Солнечные батареи. Они вырабатывают исключительно электрический ток. А вот его уже вы можете использовать для обеспечения работоспособности любого электрооборудования, в том числе и не работу отопительных приборов.
Солнечные коллекторы. Эти устройства нагревают жидкость (теплоноситель) и их можно напрямую подключать к системе отопления, а также с их помощью греть воду для бытовых нужд.
Так можно обеспечить дом горячей водой и частично отоплением при помощи солнечной энергии

Оба варианта имеют свои особенности. Хотя сразу нужно сказать, какой бы из их вы ни выбрали, не спешите отказываться от той системы отопления, которая у вас есть. Солнце встает, конечно, каждое утро, но вот не всегда на ваши солнечные элементы будет попадать достаточно света. Самое разумное решение — сделать комбинированную систему. Когда энергии солнца достаточно, второй источник тепла работать не будет. Этим вы и обезопасите себя, и жить будете в комфортных условиях, и сэкономите.

Если желания или возможности ставить две системы нет, ваше солнечное отопление должно иметь, как минимум, двукратный запас по мощности. Тогда точно можно сказать, что тепло у вас будет в любом случае.

Достоинства использования солнечной энергии для отопления:

Безопасный и абсолютно «чистый» источник энергии.
Снижение затрат на отопление и ГВС.
Вы независимы от состояния экономики: солнце светит всегда, и в кризис, и в период расцвета.
Денег солнце за свою энергию не требует. Другое дело, что государство может обложить налогами владельцев гелиоустановок. Но пока такого не случилось — солнечная энергия бесплатна.
Солнце постоянно посылает на землю тепло. И им можно воспользоваться для обогрева дома

Недостатки:

Зависимость количества поступающего тепла от погоды и региона.
Для гарантированного отопления потребуется система, которая может работать параллельно с гелиосистемой отопления. Многие производители отопительного оборудования предусматривают такую возможность. В частности европейские производители настенных газовых котлов предусматривают совместную работу с солнечным отоплением (например, котлы Baxi). Даже если у вас установлено оборудование, у которого такой возможности нет, можно согласовать работу отопительной системы при помощи контролера.
Солидные финансовые вложения на стартовом.
Периодичное обслуживание: трубки и панели нужно очищать от налипшего мусора и мыть от пыли.
Некоторые из жидкостных солнечных коллекторов не могут работать при очень низких температурах. В преддверии сильных морозов жидкость приходится сливать. Но это касается не всех моделей и не всех жидкостей.

Теперь рассмотрим подробнее каждый из типов солнечных нагревательных элементов.

Солнечные коллекторы

Для солнечного отопления используют именно гелиоколлекторы. Эти установки при помощи тепла солнца нагревают жидкость-теплоноситель, которую потом можно использовать в системе водяного отопления. Специфика в том, что солнечный водонагреватель для отопления дома выдает только температуру 45-60^оС, а самую высокую эффективность показывает при 35^оС на выходе. Потому рекомендованы такие системы для использования в паре с теплыми водяными полами. Если отказываться от радиаторов вам не хочется, или увеличивайте количество секций (раза в два примерно) или подогревайте теплоноситель.

Для обеспечения дома теплой водой и для водяного отопления можно использовать солнечные коллекторы (плоские и трубчатые)

Теперь о видах солнечных коллекторов. Конструктивно есть две модификации:

плоские;
трубчатые.

В каждой из групп есть вариации и по материалам, и по конструкции, но принцип действия у них один: по трубкам бежит теплоноситель, который нагревается от солнца. Вот только конструкции абсолютно разные.

Плоские солнечные коллекторы

Эти гелиоустановки для отопления имеют простую конструкцию и потому именно их можно при желании изготовить своими руками. На металлической раме закреплено прочное дно. Сверху уложен слой теплоизоляции. Изолируются для уменьшения потерь и стенки корпуса. Затем идет слой адсорбера — материала, который хорошо поглощает солнечное излучение, превращая его в тепло. Этот слой обычно имеет черный цвет. На адсорбере закреплены трубы, по которым течет теплоноситель. Сверху вся эта конструкция закрывается прозрачной крышкой. Материалом для крышки может быть закаленное стекло или один из пластиков (чаще всего это поликарбонат). В некоторых моделях светопропускающий материал крышки может проходить специальную обработку: для уменьшения отражающей способности его делают не гладким, а чуть матовым.

Конструкция плоского солнечного коллектора

Трубы в плоском солнечном коллекторе обычно уложены змейкой, имеется два отверстия — впускное и выпускное. Может быть реализовано однотрубное и двухтрубное подключение. Это кому как нравится. Но для нормального теплообмена необходим насос. Возможна и самотечная система, но она будет очень неэффективной из-за небольшой скорости движения теплоносителя. Именно этого типа солнечный коллектор и используют для отопления, хотя с его помощью можно эффективно греть воду для ГВС.

Есть вариант самотечного коллектора, но его применяют в основном для подогрева воды. Называют такую конструкцию еще пластиковым солнечным коллектором. Это две пластины из прозрачного пластика, герметично закрепленные на корпусе. Внутри устроен лабиринт для продвижения воды. Иногда нижняя панель бывает окрашена в черный цвет. Имеется два отверстия — впускное и выпускное. Вода подается внутрь, по мере продвижения по лабиринту греется солнцем, и выходит уже теплой. Такая схема хорошо работает с резервуаром для воды и легко нагревает воду для ГВС. Это современная замена обычной бочке, установленной на летнем душе. Причем более эффективная замена.

Пластиковый коллектор используют для нагрева воды

Насколько эффективны солнечные коллекторы? Среди всех бытовых гелиоустановок на сегодня они показывают лучшие результаты: их КПД 72-75%. Но не все так хорошо:

они не работают ночью и плохо работают в пасмурную погоду;
большие потери тепла, особенно при ветре;
низкая ремонтопригодность: если что-то выходит из строя, то менять нужно значительную часть, или всю панель полностью.

Тем не менее, часто отопление частного дома от солнца делают именно при помощи этих гелиоустановок. Такие установки популярны в южных странах с активным излучением и положительными температурами в зимний период. Для наших зим они не подходят, но в летний сезон показывают хорошие результаты.

Воздушный коллектор

Эта установка может быть использована для воздушного отопления дома. Конструктивно она очень напоминает описанный выше пластиковый коллектор, но циркулирует и нагревается в нем воздух. Такие устройства навешиваются на стены. Действовать они могут двумя способами: если воздушный гелионагреватель герметичен, воздух забирается из помещения, нагревается и возвращается в то же помещение.

Воздушный коллектор устанавливается на южной стене

Есть другой вариант. В нем обогрев совмещен с вентиляцией. В наружном корпусе воздушного коллектора имеются отверстия. Через них внутрь конструкции поступает холодный воздух. Проходя через лабиринт, от солнечных лучей он нагревается, а затем подогретым попадает в помещение.

Такое отопление дома будет более-менее эффективным, если установка будет занимать всю южную стену, и при этом тени на этой стене не будет.

Трубчатые коллекторы

Тут тоже циркулирует теплоноситель по трубам, но каждая из таких теплообменных труб вставлена в стеклянную колбу. Все они соединяются в манифолде (manifold), который, по сути, является гребенкой.

Схема трубчатого коллектора (кликните для увеличения размера картинки)

Трубчатые коллекторы имеют два типа трубок: коаксиальные и перьевые. Коаксиальные — труба в трубе — вложены одна в другую и их края запаяны. Внутри между двумя стенками создается разреженная безвоздушная среда. Потому такие трубки называют еще вакуумными. Перьевые трубки — это обычная трубка, запаянная с одной стороны. А перьевыми их называют потому, что для повышения теплоотдачи в них вставляется пластина адсорберная, которая имеет изогнутые края и чем-то напоминает перо.

Кроме того в разные корпуса могут быть вставлены теплообменники разного типа. Первые — это тепловые каналы Heat-pipe (Хит пайп). Это целая система преобразования солнечного света в тепловую энергию. Heat-pipe — это полая медная трубка небольшого диаметра, запаянная на одном конце. На втором находится массивный наконечник. В трубку залито вещество с низкой температурой кипения. При нагревании вещество начинает кипеть, часть его переходит в газообразное состояние и поднимается по трубке вверх. По пути от нагретых стенок трубки оно все больше нагревается. Попадает в верхнюю часть, где находится некоторое время. За это время часть тепла газ передает массивному наконечнику, постепенно охлаждается, конденсируется и оседает вниз, где процесс снова повторяется.

Схема работы теплового канала Heat-pipe

Второй способ — U-type — это традиционная трубка, заполненная теплоносителем. Тут никаких новостей или сюрпризов. Все как обычно: с одной стороны входит теплоноситель, проходя по трубке, нагревается от солнечного света. Несмотря на свою простоту этот вид теплообменников эффективнее. Но используется он реже. А все потому, что солнечные водонагреватели такого типа составляют собой единое целое. При повреждении одной трубки приходится менять вся секцию.

Трубчатые коллекторы с системой Heat-pipe стоят дороже, показывают меньшую эффективность, но используются чаще. А все потому, что поврежденную трубку поменять можно за пару минут. Причем, если колба использована коаксиальная, то трубка тоже может быть отремонтирована. Просто она разбирается (снимается верхняя заглушка) и поврежденный элемент (тепловой канал или сама колба) заменяется на исправный. Затем трубка вставляется на место.

Обычная U-образная трубка самый эффективный тепловой канал

Какой коллектор лучше для отопления

Для южных регионов с мягкой зимой и большим количеством солнечных дней в году лучший вариант — плоский коллектор. При таком климате он показывает высшую продуктивность.

Для регионов с более суровым климатом подходят трубчатые коллекторы. Причем для суровых зим больше подходят именно системы с Heat-pipe: они греют даже ночью и даже в пасмурную погоду, собирая большую часть спектра солнечного излучения. Они не боятся низких температур, но точный диапазон температур нужно уточнять: он зависит от вещества, находящегося в тепловом канале.

Эти системы при грамотном расчете могут быть основными, но чаще они просто экономят затраты на отопление от другого, платного источника энергии.

Для России больше подходят трубчатые гелиосистемы

Еще одним вспомогательным отоплением может быть воздушный коллектор. Его можно сделать во всю стену, причем он легко реализуется своими руками. Он отлично подойдет для отопления гаража или дачи. Причем проблемы с недостаточным нагревом могут возникнуть не зимой, как вы ожидаете, а осенью. При морозе и снеге энергии солнца в разы больше, чем в пасмурную дождливую погоду.

Солнечные батареи

Слыша слова «солнечная энергетика» мы в первую очередь думаем именно о батареях, которые преобразуют свет в электричество. И делают это специальные фотоэлектрические преобразователи. Они выпускаются промышленностью из разных полупроводников. Чаще всего для бытового использования мы применяем кремниевые фотоэлементы. Они имеют самую низкую цену и показывают достаточно приличную производительность: 20-25%.

Солнечные батареи для частного дома в некоторых странах — обычное явление

Напрямую использовать солнечные батареи для отопления можно лишь в том случае, если котел или другой отопительный прибор на электричестве вы подключите к этому источнику тока. Также солнечные панели в совокупности с электро-аккумуляторами можно интегрировать в систему снабжения дома электричеством и таким образом уменьшать приходящие ежемесячно счета за использованную электроэнергию. В принципе, вполне реально полностью обеспечить потребности семьи от этих установок. Просто средств и площадей потребуется много. В среднем с квадратного метра панели можно получить 120-150Вт. Вот и считайте, сколько квадратов кровли или придомовой территории должно быть занято такими панелями.

Особенности отопления солнечным теплом

Целесообразность устройства системы солнечного отопления у многих вызывает сомнения. Основной довод — это дорого и никогда себя не окупит. С тем, что это дорого, приходится согласиться: цены на оборудование немаленькие. Но никто не мешает вам начать с малого. Например, для оценки эффективности и практичности идеи сделать подобную установку самому. Затрат минимум, а представление будете иметь из первых рук. Потом уже будете решать стоит со всем этим связываться или нет. Вот только в чем дело: все негативные сообщения от теоретиков. От практиков не встречалось ни одного. Идет активное выяснение способов улучшения, переделок, но никто не сказал, что затея бесполезна. Это о чем-то говорит.

Теперь о том, что установка системы солнечного отопления никогда не окупится. Пока срок окупае

Если включить гелиосистему параллельно с централизованным энергоснабжением, можно сэкономить приличную сумму

мости в нашей стране большой. Он сравним со сроком эксплуатации солнечных коллекторов или батарей. Но если посмотреть динамику роста цен на все энергоносители, то можно предположить, что вскоре он сократится до вполне приемлемых сроков.

Теперь собственно о том, как сделать систему. Прежде всего, нужно определить потребность вашего дома и семи в тепле и горячей воде. Общая методика расчета системы солнечного отопления следующая:

Зная, в каком регионе находится дом, вы можете узнать, сколько солнечного света приходится на 1м² площади в каждом месяце года. Специалисты это называют инсоляцией. Исходя из этих данных, вы затем сможете прикинуть, сколько солнечных панелей вам необходимо. Но сначала нужно определить, сколько тепла понадобится на подготовку ГВС и отопление.
Если счетчик горячей воды у вас есть, то вы знаете объемы горячей воды, которые вы тратите ежемесячно. Выведите средние данные расхода за месяц или считайте по максимальному расходу — это кто как хочет. Также у вас должны иметься данные о тепловых потерях дома.
Присмотрите солнечные нагреватели, которые хотели бы поставить. Имея данные по их производительности, вы сможете примерно определить количество элементов, необходимое на покрытие ваших потребностей.

Кроме определения количества составляющих гелиосистемы, понадобится определить объем бака, в котором будет накапливаться горячая вода для ГВС. Это легко можно сделать, зная фактический расход вашей семьи. Если у вас установлен счетчик на ГВС, и вы имеете данные за несколько лет, можно вывести среднюю норму потребления в день (средний расход в месяц поделить на количество дней). Вот примерно такой объем бака вам нужен. Но бак нужно брать с запасом в 20% или около того. На всякий случай.

Принципиальная схема отопления дома с солнечными коллекторами

Если ГВС или счетчика нет, можно воспользоваться нормами потребления. Один человек в сутки в среднем расходует 100-150 литров воды. Зная, сколько человек постоянно проживают в доме, вы рассчитаете требуемый объем бака: норма умножается на количество жильцов.

Сразу нужно сказать, что рациональной (с точки зрения окупаемости) для средней полосы России является система солнечного отопления, которая покрывает порядка 30% потребности в тепле и полностью снабжает горячей водой. Это усредненный результат: в какие-то месяцы отопление будет на 70-80% обеспечиваться гелиосистемой, а в какие-то (декабрь-январь) всего на 10%. И снова-таки многое зависит от типа солнечных батарей и от региона проживания.

Причем дело не только в «севернее» или «южнее». Дело в количестве солнечных дней. Например, на очень холодной Чукотке солнечное отопление будет очень эффективным: там почти всегда светит солнце. В гораздо более мягком климате Англии, с вечными туманами, его эффективность крайне низка.
;

Итоги

Несмотря на множество критиков, которые говорят о неэффективности солнечной энергетики и слишком большом сроке окупаемости, все больше людей хоть частично переходят на альтернативные источники. Кроме экономии многих привлекает независимость от государства и его ценовой политики. Чтобы не жалеть о напрасно вложенных суммах, можно сначала провести эксперимент: изготовить одну из солнечных установок своими руками и решить для себя насколько это вас привлекает (или нет).

teplowood.ru

Аккумулятор тепла солнечный. Солнечное отопление частного дома: варианты и схемы устройства

Обзор и изготовление аккумуляторов тепла для теплицы своими руками

Несмотря на то, что теплицы создаются для того, чтобы выращивать урожай на протяжении круглого года, зачастую их эффективность в зимние периоды времени достаточно сильно падает. Связано это, в первую очередь, с недостаточным коэффициентом накопления тепла в холодные периоды из-за снижения средней дневной температуры воздуха и уменьшения светового дня. Решить эту проблему можно, оборудовав вашу теплицу аккумулятором тепла, о некоторых разновидностях которых и пойдет речь в данной статье.

ПоказатьСкрыть

Как это работает

Основные принципы работы любой теплицы основаны на том, что поступающая внутрь помещения теплицы солнечная энергия накапливается там, а засчёт теплоотражающих свойств укрывных материалов, составляющих стенки и крышу теплицы, уходит наружу в куда меньших количествах, нежели изначально поступила. Однако излишки такой энергии, которые не используются непосредственно самими растениями, попросту рассеиваются в пространстве и не приносят никакой пользы.

Знаете ли вы? Первый рабочий прототип современного аккумулятора был предложен в 1802 году итальянцем Алессандро Вольта. Он состоял из медного и цинкового листов, которые соединялись между собой спайками и помещались в заполненную кислотой деревянную коробку.

Если организовать сбор излишков солнечной энергии в теплице и обеспечить её дальнейшее адекватное хранение и применение, это повлечёт за собой повышение продуктивности её работы. Аккумулированное тепло можно использовать для поддержания постоянного комфортного уровня температуры внутри помещения в любое время суток, что улучшит всхожесть и урожайность ваших культур. Немаловажным позитивным фактором в постройке аккумуляторов такого типа является также и то, что вам не придется тратиться на различные дорогостоящие энергоносители, множество электронных компонентов и других составляющих частей, требуемых для сооружения традиционных систем отопления.

Виды аккумуляторов тепла для теплицы

Все виды аккумуляторов тепла для теплиц выполняют одну и ту же функцию — накапливают, а затем отдают в заданный вами временной промежуток энергию солнца. Их основным различием служит материал, из которого изготовлен элемент, лежащий в их основе — тепловой аккумулятор. Ниже представлена информация о том, какими они могут быть.

Видео: аккумулятор тепла

Водяные аккумуляторы тепла

Принцип работы аккумуляторов данного типа основан на способности воды поглощать солнечную энергию вплоть до достижения ею температуры в 100°С и начала процесса её закипания и активного испарения, что достаточно маловероятно в условиях солнечной активности, характерной для наших широт. Данный вид аккумуляторов хорош своей дешевизной и простотой в сооружении. Расходный материал, требующий обновления время от времени, тоже достаточно доступен — это обычная вода. Схема отопления теплицы: 1 — нагревательный котел; 2 — бак — термос; 3 — циркуляционный насос; 4 — реле — регулятор; 5 — регистры; 6 — термопара. Среди негативных сторон данных аккумуляторов стоит упомянуть их относительно небольшую эффективность, что связано с низкой теплоемкостью воды, а также потребностью в постоянном контроле уровня жидкости в бассейне, баках или рукавах с водой, который неминуемо будет снижаться из-за её постоянного испарения.

Важно! Интенсивность испарения воды можно значительно сократить, если накрыть бак или бассейн с водой полиэтиленовой плёнкой или загерметизировать его каким либо иным способом.

Накопление тепла грунтом

Грунт, являющийся неотъемлемой частью любой теплицы, также способен выполнять функцию аккумулятора солнечной энергии. В дневное время он активно прогревается под солнечными лучами, а с наступлением ночи накопленную им энергию можно выгодно использовать для поддержания в тепличном помещении постоянной температуры. Делается это по следующей технологии:

Внутри слоев грунта укладываются вертикальные слои пустых труб произвольного диаметра и длительности.
В момент начала падения температуры в помещении теплый воздух из труб, нагреваемый грунтом, поступает под действием тяги наружу и стремится вверх, прогревая помещение.
Остывший воздух опускается вниз, вновь попадает в трубы и цикл повторяется снова до тех пор, пока окончательно не остынет грунт.

Знаете ли вы? Самый популярный современный материал для теплицы — это поликарбонат. Его активное применение позволило снизить средний вес теплицы в 16 раз, а расходы на сооружение — в 5-6 раз.

Данный способ аккумулирования тепла требует применения более затратных материалов, нежели предыдущий, но в то же время единожды наладив подобную систему, вам больше не придется постоянно проверять адекватность её работы. Она не требует совершенно никаких расходников и дополнительных материалов и способна обеспечить постоянную температуру в помещении теплицы на достаточно длительный срок. Видео: как сделать грунтовый тепловой аккумул

10i5.ru

АККУМУЛИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛА

Энергия

Наиболее важной причиной необходимости аккумулирования тепла в солнечной энергетической установке является непостоянство сияния солнца и постоянная потребность в энергии Кроме того, при наличии солнца, как правило, поступает больше энергии, чем требуется, и поэтому, накопив энергию, ее можно использовать в дальнейшем, когда солнца нет

При проектировании аккумулятора солнечного тепла необходимо соизмерять стоимость с рабочими характеристиками Некоторыми решающими факторами стоимости являются выбор теплоаккумулирующей среды для теплового аккумулятора, которой могут служить, например камни, вода или эвтектические соли, необходимое количество этой теплоаккумулирующей рабочей среды, измеряемое по весу или по объему, размещение теплового аккумулятора либо в отапливаемом помещении, либо вне его, тип и размеры контейнера для аккумулирующей среды, теплообменники, если необходимо, для передачи или отбора тепла от рабочего тела и механическое устройство для перемещения теплоаккумулирующей среды через аккумулятор или теп лообменники

Кроме этих факторов рабочие характеристики также зависят 01 средней рабочей температуры, падения давления теплоносителя, движущегося через теплоаккумулирующую среду, и от по — іерь тепла контейнером в окружающую среду

Есть три основных вида теплоаккумулирующей среды камни, вода и эвтектические соли (с фазовым превращением)

Способность разных материалов накапливать тепло зависит от их удельной теплоемкости Как указывалось в предыдущей части, удельная теплоемкость материала выражается количеством тепла (Дж), необходимого для повышения температуры 1 кг материала на 1° Энергию, часто называемую физической теплотой, можно получить обратно по мере снижения темпера туры вещества Это основной принцип действия большинства солнечных тепловых аккумуляторов В табл 15 приводятся теплоаккумулирующие способности нескольких распространенных материалов

Теплоаккумулирующий материал	Удельная теплоемкость, кДж/(кг-°С)	Плотность, кг/м3	Теплоемкость, без пустот	кДж/(ма град) 30% пустот
Вода	4,18	993	4154	2881
Железный лом	0,502	7849	3953	2747
Магнетит (FeaO-t)	0,753	5126	3819	2680
Алюминиевый лом	0,962	2723	2613	1809
Бетон	1,13	2242	2546	1742
Камень	0,879	2723	2412	1675
Кирпич	0,837	2242	1876	1340
Натрий (до 100° С)	0,962	945	938	__

Выбор теплоаккумулирующей среды и солнечного коллектора должен ‘проводиться одновременно. Почти без исключения все системы жидкостного типа, будь то открытые (например, система Томасона) или закрытые типа «труба в листе», требуют жидкой теплоаккумулирующей среды. В большинстве систем воздушного типа теплоаккумулирующая среда состоит из небольших элементов — наиболее распространенными являются камни, небольшие (несколько кубических дециметров) сосуды с водой или эвтектические соли в контейнерах, которые дают возможность воздуху проходить вокруг и между ними, передавая им тепло. Альтернативными вариантами являются также системы, которые конструктивно сочетают в себе солнечный коллектор и аккумулятор тепла (см. часть III).

Аккумулятор для жидких систем. Существенным преимуществом жидкостных систем, содержащих бак-аккумулятор с водой, является их совместимость с солнечным охлаждением. Воду можно использовать практически для всех типов солнечного охлаждения, в том числе для ночного радиационного охлаждения, внепикового охлаждения при помощи небольших компрессоров и циклов Ренкина и абсорбционного охлаждения. Наибольшим преимуществом воды в качестве теплоаккумулирующей среды является ее сравнительно низкая стоимость, за исключением тех районов мира, где воды мало. Однако с водой связаны некоторые трудности, решение которых может вызвать значительные затраты.

В последние годы удерживание больших объемов воды (от 100 до 350 м3 на 1 м3 коллектора) до некоторой степени стало проще благодаря появлению надежных гидроизоляционных материалов и больших пластиковых листов. Раньше единственным сосудом был бак из оцинкованной стали, который в конечном счете протекал. Замена крупных баков, которые обычно размещаются в подвалах или под землей, является трудным и дорогостоящим делом. Внедрение стеклофутеровкп и баков из стекловолокна устранило проблемы коррозии, по увеличило первона-

чальные расходы Применение баков из литого бетона до недавнего времени сдерживалось трудностью и стоимостью обеспечения их долговременной герметичности; бетон водопроницаем и подвержен растрескиванию. Однако большие пластиковые листы или мешки могут заменить собой бетон; пластиковые сосуды могут поддерживаться легкими деревянными или металлическими каркасами.

На рис. 5.83 показаны два способа хранения воды: первый — это наполненный водой бетонный (или шлакоблочный) контейнер; второй — это система д-ра Гарри Томасона, т. е. бак с водой, окруженный камнями. В первом способе теплая вода из бака циркулирует в здание либо непосредственно через радиаторы или теплоизлучающие панели, либо косвенно через змеевиковые теплообменники, которые нагревают обтекающий их воздух, охлажденный їв помещении. Этот последний способ применили в доме IV при Массачусетском технологическом институте в 1959 г. На рис. 5.84 показано поперечное сечение дома в шт. Вермонт на Среднем Западе, который был спроектирован Сью Бэртон Теннер. Система солнечного теплоснабжения, разработанная фирмой «Тотал энвайронментал экшн.», имеет в своем составе коллектор с открытым стоком воды. Теплообменник отбирает тепло от аккумулятора и передает его в дом через большие стеновые и потолочные радиационные панели, позволяя использовать воду сравнительно низкой температуры. Второй теплообменник подогревает воду для хозяйственных нужд, поступающую в обычный водонагреватель. Аккумулятор второго типа, изображенный на рис. 5.78, передает тепло медленно, но постоянно от бака с водой к камням. Охлажденный в доме воздух медленно циркулирует в больших объемах между нагретыми камнями и возвращается обратно в дом. В обоих случаях самая холодная вода на дне бака поступает в коллектор для подогрева, а затем возвращается в верхнюю часть бака. Эта нагретая в коллекторе вода используется для отопления дома.

Распределение температуры внутри водяного бака показано на рис. 5 85 Клоузом [9]. В баке высотой 1 м в начале дня отмечается температура менее 20° С в 150 мм от дна п почти 35° С в 125 мм от верха. К концу дня эта разница становится несколько меньше и составляет около 8°.

Большие размеры и высокая стоимость теплообменников могут вызвать серьезные возражения против использования водяных баков-аккумуляторов. 25—50 т камней в системе Томасона, хотя и будучи дополнительным аккумулятором тепла, являются в некотором смысле чересчур внушительным теплообменником. У типичных металлических теплообменников, погруженных в воду, общая площадь поверхности теплообмена может составлять чуть ли не одну треть от площади солнечного коллектора.

Теплообменники необходимы, когда воду в баке невозможно использовать непосредственно для других целей, кроме аккуму-

Рис. 5 84. Коллекторы с наружным стоком воды и бак-аккумулятор в доме, шт. Вермонт (проект архит. Сью Бэртон Теннер с рекомендациями фирмы «Тотал энвайронментал экшн»)

1 — коллекторы: 2 — теплообменники для радиационного отопления горячей водой; 3 — аккумулятор

лядии тепла. Например, при использовании в коллекторе раствора антифриза в ‘воде он должен проходить через теплообменник во избежание смешивания его с водой в баке. Кроме того, при расчете теплоснабжения здания инженеры по отоплению обычно требуют, чтобы вода из бака не использовалась в отопительной системе. Это особенно показательно для случая, когда вода из бака циркулирует через коллектор.

Ограничение выбора местоположения для больших сосудов с водой может оказаться выгодным для проектировщиков зда-
ний, которые не хотят ломать голову над тем, где установить крупный предмет. Однако для проектировщика, который хочет сделать теплоаккумулятор неотъемлемой частью всего проекта, размещение тяжелого и громоздкого бака может оказаться трудной задачей. Естественно, самосливные системы жидкостного типа требуют, чтобы аккумулятор находился ниже дна коллектора; термосифонные системы требуют, чтобы он находился выше верхней части коллектора. Если аккумуляционная система связана с другим оборудованием, например с отопителем, насосами, теплообменником и бытовыми водонагревателями, то может потребоваться ее близкое размещение к ним.

Аккумулятор для воздушных систем. Из нескольких теплоаккумулирующих сред для систем воздушного типа, пожалуй, наиболее известными и употрсбимыми являются камни. Хотя применение этого материала кажется сравнительно дешевым и легким решением, однако такой выбор не всегда правилен. Наиболее существенным преимуществом камней является их низкая стоимость, если действительно камней много. Например, на большей части территории Новой Англии единственным видом камней является гравий диаметром 25—40 мм. В зависимости от конструкции и размеров отсека для камней могут потребоваться камни диаметром до 100 мм. На 1 м2 коллектора требуется от 35 до 180 кг камней из-за их малой теплоемкости. Огромное количество камней усложняет проблему их транспортировки и перегрузки, а также требует отсека, достаточного по размеру,

чтобы вместить их При 30% пустот объем камней, необходимый для аккумулирования того же количества тепла, что и бак с водой, должен быть в два с половиной раза больше

Большая периметральная площадь этих отсеков-аккумуляторов влечет за собой более высокие строительные расходы и большие потери тепла Потенциальная возможность более значительных потерь тепла из больших отсеков с камнями по сравнению с меньшими по размеру водяными баками, тем не менее, компенсируется сравнительно медленным естественным движением тепла через камни в отличие от постоянного движения воды внутри большого сосуда при изменении температуры (например, из-за потери тепла)

Одним из серьезных ограничении в отношении камней является недостаточность их универсальности как рабочих тел для других целей помимо аккумулирования тепла, они, например, не могут служить теплоносителем для подогрева воды, охлаждения и даже отопления жилого помещения Один из немногих и наиболее распространенных способов приготовления горячей воды в этом случае заключается в установке небольшого (от 100 до 400 дм3) неизолированного водяного бака между камнями. Теплообмен протекает медленно, но продолжается круглые сутки

Методы солнечного охлаждения применимы тогда, когда камни удерживают прохладу для дальнейшего использования Эту прохладу можно получить путем циркуляции холодного ночного воздуха, воздуха, охлажденного ночной радиацией, или воздуха охлажденного внепиковыми холодильными компрессорами Коллекторы воздушного типа, обеспечивающие температуры достаточно высокие для циклов охлаждения от 80 до 150° С, навряд ли будут разрабатываться Оборудование по кондиционированию воздуха, которое совместимо скорее с горячим воздухом, чем с горячей жидкостью в качестве источника тепла, в настоящее время не выпускается

Воздушные системы ограничивают способ передачи тепла окружающему пространству Почти без исключения отопитель ные системы должны иметь принудительную циркуляцию теплого воздуха в отличие от теплоаккумуляторов типа водяного бака, где может применяться принудительная циркуляция теплой воды или теплого воздуха Однако, как рассматривалось в части III, воздух может циркулировать через камни естественным путем, не нуждаясь в вентиляторах

На рис 5 86 показан сводчатый дом, спроектированный фирмой «Тотал энвайронментал экшн», в котором отсек с камнями расположен в пределах помещения Передача тепла из отсека в помещение происходит медленно путем естественной конвекции из комнаты в нижнюю часть отсека и оттуда через верх, а при необходимости, при помощи небольших вспомогательных вентиляторов (купообразная конструкция была выбрана заказ-

Рис 5 86 Воздушные коллекторы (расположенные отдельно) и аккумулятор с твердой засыпкой в купольном доме, проект фирмы «Тотал знвайронментал экшн»

4 — панели коллектора В — контейнер аккумулятора с кирпичным или каменным щеб нем С — подземный изолированный капал для подачи воздуха

чиком, а отдельно стоящий коллектор указывает иа ограничения использования здания для жилых целей).

Местоположение теплового аккумулятора с камнями может явиться серьезным ограничением их использования. Если аккумулятор размещается в подвале здания, то расходы на сооружение отсека необязательно должны быть включены в общую стоимость системы солнечного теплоснабжения. Однако если под аккумулятор отводится подвал, предназначенный для других целей, или жилое помещение, то стоимость сооружения такого отсека добавляется к стоимости системы. На рис. 5.87 показано использование контейнера-аккумулятора с засыпкой из камней как части архитектурного элемента здания. В доме Джорджа Лёфа в Денвере этот способ применен довольно удачно. Однако из-за большого веса контейнеров или отсеков для камней под ними должны предусматриваться прочные фундаменты.

На рис. 5.88 представлен разрез дома в Бостоне по проекту фирмы «Тотал энвайронментал экшн», выполненному на средства фирмы «АИА Рисерч корпорейшн» Американского института архитекторов [39]. Площадка для дома представляет собой крутой сев

msd.com.ua

Расчет и устройство теплоаккумулятора солнечного коллектора. Солнечный обогрев дома.

Теплоаккумулятор призван накопить излишнее тепло, выработанное солнечным коллектором, и равномерно распределить его в течении суток или даже нескольких дней. Делать солнечный коллектор без какого либо теплового аккумулятора нет большого смысла (разве что в расчете на тепловую инерционность дома). Но по логике, следует делать такой комплекс из теплового аккумулятора и солнечного коллектора, который бы обеспечивал бы дом теплом хотя бы одну ночь (после солнечного дня или хотя бы нескольких солнечных часов). А лучше — в течении нескольких дней после хотя бы одного солнечного дня.

Вместе с тем, не стоит наивно надеяться только на солнечный обогрев в условиях средней полосы России. Достаточно продолжительный пасмурный период с октября по февраль , короткий световой день и маленький угол наклона Солнца делают солнечный обогрев в этот период весьма проблематичным. Поэтому солнечный обогрев следует воспринимать как способ экономии расходов на отопление, а не полную альтернативу традиционному отоплению.

Теплоаккумулятор должен представлять из себя достаточно теплоемкое устройство, способное быстро аккумулировать тепловую энергию, достаточно долго его хранить и отдавать по требованию. Его теплоемкость должна соответствовать как мощности солнечного коллектора, так задачам, стоящим перед теплоаккумулятором. Вообще говоря, на Руси пользовались теплоаккумулятором издревле. Все известна т.н. «русская печь». Это несколько тонн кирпича и достаточно большая камера для горения дров. Будучи интенсивно протоплена в течении нескольких часов, такая печь хранила тепло несколько суток! Чем вам не теплоаккумулятор?

Конструкция теплоаккумулятора определяется физикой процесса. Из солнечного коллектора поступает воздух с температурой 40-60 градусов. Этим воздухом обдувается рабочее тело теплоаккумулятора. Оно нагревается и когда надо, через него начинают продувать воздух, который затем направляют на обогрев помещений.

Давайте рассчитаем, сколько тепла сможет выработать солнечный коллектор (его условный квадратный метр) и какой теплоаккумулятор должен ему соответствовать. Допустим, солнечный коллектор эффективно освещается солнцем 6 часов. За это время на него падает примерно 5 Квт тепловой энергии. Это эквивалентно 18 Мдж. Посмотрим, как нам лучше запасти эту энергию (КПД мы пока не учитываем).

В подавляющем большинстве случаев авторы всевозможных проектов рекомендуют использовать каменно-гравийные теплоаккумуляторы. Это достаточно разумно. Материал вечный, никаким воздействиям не подвержен. Ничего не боится. Но теплоемкость камня = 0,8 Кдж/кг*град. Что бы запасти всю энергию солнечного коллектора, нам потребуется примерно 750 кг. Камней (при условии, что исходная температура камней была 20 градусов.)

750 кг. это не много, где-то 0,3-0,4 кубометра. Но запасенного тепла нам хватит на отопление всего 2-х квадратных метров площади (из расчета 100 ватт/метр) .

5000 Ватт / 24 часа / 100 ватт = 2,08 метра. (и это без учета КПД и всевозможных потерь).

А что бы запасти тепла на сутки для дома в 100 кв. метров, нам потребуется соответственно в 50 раз больший солнечный коллектор и в 50 раз больший теплоаккумулятор. Т.е. солнечный коллектор в 50 кв. метров и аккумулятор на 37,5 тонн ! (Реально — тонн 50). Такой теплоаккумулятор будет занимать объем уже в 20-25 кубометров. И это всего лишь ради отопления на 1 сутки!

Если солнечная погода стоит несколько дней подряд, можно было бы запасти тепла по больше, но второй закон термодинамики гласит, тепло не передается от более холодного тела к более теплому в обычных условиях. Т.е. как только теплоаккумулятор нагреется до температуры обдувающего его воздуха, он перестанет поглощать и накапливать тепло. Сделать теплоаккумулятор более теплоемким можно либо дальнейшим его наращиванием по объему, либо применением более теплоемких материалов.

Самым теплоемким (и бесплатным) материалом является вода. Ее теплоемкость ~ 4.2 Кж/кг*град. Это в 5,25 раз больше, чем у камня. Т.е. для того условного метра солнечного коллектора нам потребуется не 750 кг камня, а примерно 150 литров воды. (для суточного аккумулятора и 50 метрового солнечного коллектора соответственно ок. 7,5 тонн воды. ).

Но если организовать теплообмен между воздухом и камнями проще простого (проложил воздуховод и завалил его камнями, воздух будет проходить в щели между камнями и обмениваться с ним теплом). То сделать теплообменник вода / воздух гораздо сложнее. Однако тут есть весьма интересное и остроумное решение — создать искусственные камни с теплоемкостью воды! Как? Да разлить воду по пластиковым ПЭТ бутылкам и канистрам! Многочисленные зазоры между ними будут тем самым теплообменником вода/воздух.

Конечно, бутылок и канистр потребуется весьма много для нескольких десятков тонн воды, но зато не потребуется делать никакого теплообменника.

Разумеется, человек, задумавший устроить у себя солнечное отопление из коллектора и теплоаккумулятора, скорее всего будет исходить не из того, что надо или хочется, а из того, что он может себе позволить сделать. Если есть крыша определенного размера, из которой можно сделать солнечный коллектор, то вряд ли он будет делать солнечный коллектор специально (большего размера или в стороне от дома). То же и с теплоаккумулятором. Это ведь не бочка с водой для садового душа. Тут счет идет на кубометры. И устроить теплоаккумулятор с бухты – барахты вряд ли удастся. Место для него надо заранее резервировать на стадии проектирования дома. Чем я собственно и занимаюсь…

Итак, в моем случае , согласно проекта под теплоаккумулятор выделяется примерно 60-65 кубометров подвала. Тут можно будет разместить около 50 тонн воды (в канистрах по 10-20 литров и т.п.) В теплооборот будут так же включены примерно 30 куб. метров бетона (ок. 50 тонн) составляющих стены подвала теплоаккумулятора (их планируется утеплить с другой стороны для уменьшения теплопотерь аккумулятора).

Таким образом максимальная теплоемкость моего теплоаккумулятора (для перепада температур в 40 градусов составит 50.000 кг * 4,2 КДж * 40 + 50.000 кг * 0,8 КДж * 40 = 10.000 Мдж (10 ГДж). Это эквивалентно сжиганию примерно 600-1000 кг отборных дров (1,5-2 кубометра). Больше этого количества тепла я не смогу запасти даже теоретически. Если учесть что отопления потребуется порядка 100 ватт/час/кв.м , (0,36 Мдж), то я смогу этим теплом обогреть 27000 кв.м/час. (т.е. либо 100 кв.метров в течении 270 часов, либо 200 кв. метров в течении 135 часов, либо 25 метров в течении 1000 часов и т.д.). Разумеется это зависит от конструкции дома и организации теплоаккумулятора и системы воздушного отопления.

Теперь давайте рассчитаем, за какое время мой солнечный коллектор сможет нагреть этот теплоаккумулятор. Солнечный коллектор теоретически может иметь площадь до 100 кв. метров. Допустим, с каждого метра я смогу снимать по 500 Ватт энергии в час. (это примерно 1,8 МДж/час. Соответственно со всего коллектора 180 Мдж/час. Что бы зарядить весь теплоаккумулятор «по самую крышку» соответственно потребуется 10000 / 180 = 55-60 солнечных часов. В реальности — гораздо больше, т.к. у теплоаккумулятора есть и теплопотери. Возможно, в реальности он никогда и не зарядится на полную силу.

Получить 60 солнечных часов подряд , как понимаете, совершенно невозможно. Максимальное время, в течении которого солнечный коллектор – крыша будет работать – это 5-6 часов в лучшем случае. Крыша ориентирована на юг и утром и вечером ждать от нее эффективной работы не стоит. Но за 5-6 часов она способна выдать около 1000 МДж тепла (т.е. зарядить теплоаккумулятор на 1/10 его емкости). Правда есть небольшой резерв в виде пристроенного к дому зимнего сада. Площадь его крыши примерно 50 кв. метров, возможно с него тоже можно будет получать определенное количество тепла.

Напрашивается вывод: Необходимо разделить теплоаккумулятор на несколько «банок» — отделов. Тогда можно будет управлять им по значительно более гибкому алгоритму. Если солнечный день — случайность, и их всего 1-2, то в течении его и зарядить 1-2 «банки» (например 20%) аккумулятора. Зато практически полностью. Если же установилась хорошая погода надолго, то последовательно заряжать все остальные банки теплоаккумулятора. Так же следует и расходовать тепловую энергию, по очереди «разряжая» отделы аккумулятора.

Для такой организации «банки» должны быть серьезно теплоизолированы друг от друга, но иметь возможность объединятся. Гибкая система управления позволит наиболее полно использовать потенциал солнечного отопления.

Другой вывод, который можно сделать из вышеприведенных расчетов: При правильной организации солнечного коллектора и теплоаккумуляторы 1 условный квадратный метр солнечного коллектора за один свой «рабочий час» (когда он освещен солнцем) вырабатывает тепловую энергию в количестве достаточном для отопления с коэффициентом 5-8 . (Для условной величины расходов на отопление 100 Ватт/кв.метр). Чем лучше утеплен дом, более качественно устроен тепловой коллектор, теплоаккумулятор и коммуникации, тем выше будет этот коэффициент.

Можно даже вывести простую формулу некоего теплового баланса.

Кк * Sск * Тсолн. = Sот * Тоб, где

Кк — коэффициент конверсии тепла, 5…8 (не более 8 принципиально при КПД 100%)

Sск — площадь солнечного коллектора (кв.м)

Тсолн — время эффективного освещения коллектора солнцем. (часы)

Soт — обогреваемая площадь помещения. КВ м.

Тоб — время обогрева помещения (час.)

Исходя из своих возможностей или потребностей и располагая определенными исходными данными, можно рассчитать все остальные параметры солнечного обогрева.

Например, у вас есть возможность сделать солнечный коллектор площадью 10 кв. м, который будет освещен в течении 5 часов. Получим 5..6 * 10 * 5 = 250…300. Соответственно, мы сможем отапливать 25 кв.м. в течении 10-12 часов. Или 10 кв. м в течении суток.

Очевидно, что имея небольшой солнечный коллектор, нет смысла закладывается на отопление всего дома. Лучше качественно обогревать 1 помещение . Это уже даст существенное экономию топлива или электроэнергии. Но приведенные расчеты доказывают, что организовывать солнечный обогрев в средней полосе ЕЧ России как основной — достаточно проблематично. А вот использовать его как вспомогательный — весьма перспективно.

Посудите сами. В конце ранней осени, после бабьего лета, после теплых ясных дней, теплоаккумулятор большой емкости будет заряжен практически полностью. Это обеспечит очень существенную экономию топлива в период практически до конца ноября. В декабре и январе солнечный обогрев работать не будет, а начиная примерно с середины февраля солнечные дни уже не редкость и солнечный обогрев вновь начнет набирать обороты. C середины марта солнечный обогрев может сделать уже ненужным использование традиционного топлива. Таким образом, мы сокращаем отопительный сезон всего до 2-3 месяцев, вместо 6-7! Экономия топлива минимум 50% . Учитывая практически вертикальный рост цен на энергоносители окупаемость затрат на создание солнечного обогрева составит максимум несколько лет.

Константин Тимошенко

delaysam.ru

РубрикаРазное