Инженерные системы

Солнечное отопление

Почти половина всей производимой энергии используется для обогрева воздуха. Солнце светит и зимой" но его излучение обычно недооценивается.

Декабрьским днем недалеко от Цюриха физик А. Фишер генерировал пар; это было" когда солнце находилось в своей самой низкой точке" а температура воздуха была 3°С. Днем позже солнечный коллектор площадью 0"7 м2 нагрел 30 л холодной воды из садового водопровода до +60°С.

Солнечная энергия зимой может легко использоваться для обогрева воздуха в помещениях. Весной и осенью" когда часто бывает солнечно" но холодно" солнечный обогрев помещений позволит не включать основное отопление. Это дает возможность сэкономить часть энергии" а соответственно и деньги. Для домов" которыми редко пользуются" или для сезонного жилья (дачи" бунгало)" обогрев солнечной энергией особенно полезен зимой" т.к. исключает чрезмерное охлаждение стен" предотвращая разрушение от конденсации влаги и плесени. Таким образом" ежегодные эксплуатационные расходы в основном снижаются.

При отоплении домов с помощью солнечного тепла необходимо решать проблему теплоизоляции помещений на основе архитектурно-конструктивных элементов" т.е. при создании эффективной системы солнечного отопления следует возводить дома" имеющие хорошие теплоизоляционные свойства.

Солнечный вклад в отопление дома

К сожалению" период поступления тепла от Солнца далеко не всегда совпадает по фазе с периодом появления тепловых нагрузок.

Большая часть энергии" которая имеется в нашем распоряжении в течение летнего периода" теряется из-за отсутствия постоянного спроса на нее (на самом деле коллекторная система является до некоторой степени системой саморегулирующейся: когда температура носителя достигает равновесного значения" тепловосприятие прекращается" поскольку тепловые потери от солнечного коллектора становятся равными воспринимаемому теплу).

Количество полезного тепла" поглощенного солнечным коллектором" зависит от 7 параметров:

• 1. величины поступающей солнечной энергии;
• 2. оптических потерь в прозрачной изоляции;
• 3. поглощающих свойств тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора;
• 4. эффективности теплоотдачи от теплоприемника (от тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора к жидкости" т.е. от величины эффективности теплоприемника);
• 5. пропускательной способности прозрачной теплоизоляции" которая определяет уровень тепловых потерь;
• 6. температуры тепловоспринимающей поверхности солнечного коллектора" которая в свою очередь зависит от скорости теплоносителя и температуры теплоносителя на входе в солнечный коллектор;
• 7. температуры наружного воздуха.

Эффективность солнечного коллектора" т.е. отношение использованной энергии и падающей" будет определяться всеми этими параметрами. При благоприятных условиях она может достичь 70%" а при неблагоприятных снизиться до 30%. Точное значение эффективности можно получить при предварительном расчете только путем полного моделирования поведения системы с учетом всех факторов" перечисленных выше. Очевидно" что такая задача может быть решена только с применением компьютера.

При грубых оценках можно считать" что средняя эффективность коллектора при температуре 40...50° в отопительный сезон составляет около 40%.

Поскольку плотность потока солнечной радиации постоянно меняется" то для расчетных оценок можно пользоваться полными суммами радиации за день или даже за месяц.

В табл. 1 в качестве примера приведены:

• # средние месячные суммы поступления солнечной радиации" измеренные на горизонтальной поверхности;
• # суммы" рассчитанные для вертикальных стен" обращенных на юг;
• # суммы для поверхностей с оптимальным углом наклона 34° (для Кью" близ Лондона).

Таблица 1. Месячные суммы прихода солнечной радиации для Кью (близ Лондона)

Из таблицы видно" что поверхность с оптимальным углом наклона получает (в среднем в течение 8 зимних месяцев) примерно в 1"5 раза больше энергии" чем горизонтальная поверхность. Если известны суммы прихода солнечной радиации на горизонтальную поверхность" то для пересчета на наклонную поверхность их можно умножить на произведение этого коэффициента (1"5) и принятого значения эффективности солнечного коллектора" равного 40%" т.е. 1"5*0"4=0"6

При этом получится количество полезной энергии" поглощенной наклонной тепловоспринимающей поверхностью в течение данного периода.

Для того" чтобы определить эффективный вклад солнечной энергии в теплоснабжение здания даже путем ручного подсчета" необходимо составить по крайней мере месячные балансы потребностей и полезного тепла" получаемого от Солнца. Для наглядности рассмотрим пример.

Если использовать приведенные выше данные и рассмотреть дом" для которого интенсивность тепловых потерь составляет 250 Вт/°C" местоположение характеризуется годовым числом градусо-дней равным 2800 (67200°C*ч). а площадь солнечных коллекторов составляет" например" 40 м2" то получается следующее распределение по месяцам (см. табл. 2).
Таблица 2. Расчет эффективного вклада солнечной энергии

Месяц	°C*ч/мес	Отопительная нагрузка" кВт*ч	Сумма радиации на горизонтальной поверхности" кВт*ч/м2	Полезное тепло на единицу площади коллектора (D*0"6)" кВт*ч/м2	Суммарное полезное тепло (E*40 м2)" кВт*ч	Солнечный вклад" кВт*ч/м2
A	B	C	D	E	F	G
Январь	10560	2640	18"3	11	440	440
Февраль	9600	2400	30"9	18"5	740	740
Март	9120	2280	60"6	36"4	1456	1456
Апрель	6840	1710	111	67"2	2688	1710
Май	4728	1182	123"2	73"9	2956	1182
Июнь	-	-	150"4	90"2	3608	-
Июль	-	-	140"4	84"2	3368	-
Август	-	-	125"7	75"4	3016	-
Сентябрь	3096	774	85"9	51"6	2064	774
Октябрь	5352	1388	47"6	28"6	1144	1144
Ноябрь	8064	2016	23"7	14"2	568	568
Декабрь	9840	2410	14"4	8"6	344	344
Сумма	67200	16800	933	559"8	22392	8358

Стоимость тепла Подсчитав количество тепла" обеспечиваемого за счет Солнца" необходимо представить его в денежном выражении. Стоимость выработанного тепла зависит от:

• # стоимости топлива;
• # теплотворной способности топлива;
• # общей эффективности системы.

Полученные таким образом эксплуатационные расходы можно затем сравнить с капитальными затратами на солнечную отопительную систему.

В соответствии с этим" если считать" что в рассмотренном выше примере солнечная отопительная система используется вместо традиционной системы отопления" потребляющей" например" газовое топливо и вырабатывающей тепло стоимостью 1"67 руб/кВт*ч" то" чтобы определить полученную годовую экономию" надо 8358 кВт*ч" обеспечиваемых за счет солнечной энергии (согласно расчетам табл. 2 для площади коллектора 40 м2)" умножить на 1"67 руб/кВт*ч" что дает 8358*1"67 = 13957"86 руб.