В начало
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)
| Месяц | Горизонтальная поверхность, кВт*ч/м2 | Вертикальная поверхность южной ориентации, кВт*ч/м2 | Наклонная поверхность (34°) южной ориентации, кВт*ч/м2 |
| Январь | 18,3 | 30,3 | 29,4 |
| Февраль | 30,9 | 47,3 | 51,6 |
| Март | 60,6 | 61,8 | 81,8 |
| Апрель | 111 | 75,9 | 137,1 |
| Май | 123,2 | 57,2 | 133,2 |
| Июнь | 150,4 | 53,8 | 155,7 |
| Июль | 140,4 | 53,6 | 142,1 |
| Август | 125,7 | 69,1 | <141,1/td>
|
| Сентябрь | 85,9 | 75,2 | 111,2 |
| Октябрь | 47,6 | 62,8 | 72,8 |
| Ноябрь | 23,7 | 41,2 | 40,5 |
| Декабрь | 14,4 | 22,6 | 22,2 |
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.
|
