Основные схемы теплоснабжения от солнечных установок

На отопление, ГВС и кондиционирование воздуха в жилых, общественных и промышленных зданиях расходуется 30-35% общего годового энергопотребления.

Масштабы использования солнечной энергии зависят, прежде всего, от метеорологических условий - количест­ва солнечных дней в году, годового количества поступающей солнечной радиации и его распределения по сезо­нам, температуры наружного воздуха и т. п. В районах, имеющих более 1800 ч солнечного сияния в год, целесо­образно использовать солнечную энергию для теплохолодоснабжения зданий. Солнечные водонагревательные установки получили довольно широкое распространение благодаря простоте их конструкции, надежности, быст­рой окупаемости.

По принципу работы солнечные водонагревательные установки можно разделить на два типа: установки с ес­тественной и принудительной циркуляцией теплоносите­ля. В последнее время все больше производится пассив­ных водонагревателей, которые работают без насоса, а следовательно, не потребляют электроэнергию. Бо­лее половины пассивных водонагревателей составляют установки термосифонного типа с естественной циркуля­цией, а остальные - это компактные водонагреватели, в которых бак-аккумулятор горячей воды и коллектор солнечной энергии объединены (интегрированы) в еди­ное компактное устройство.

Водонагреватели с естественной циркуляцией воды. Принцип работы солнечной водонагревательной установ­ки термосифонного типа с естественной циркуляцией теп­лоносителя иллюстрируется схемой, показанной на рис. 24, а. Установка содержит коллектор солнечной энергии, бак-аккумулятор горячей воды, подъемную тру­бу и опускную трубу. В нижнюю часть бака-аккумулято­ра подводится холодная вода (ХВ), и из его верхней ча­сти отводится к потребителям горячая вода (ГВ).

Перечисленные элементы образуют контур естественной цир­куляции воды. По подъемной трубе горячая вода из кол­лектора солнечной энергии поступает в бак-аккумулятор, а по опускной трубе из бака в коллектор поступает бо­лее холодная вода для нагрева за счет поглощенной сол­нечной энергии. Поскольку средняя температура воды в подъемной трубе выше, чем в опускной, плотность во­ды, напротив, ниже во второй трубе. И вследствие этого возникает разность давлений (Па), вызывающая движе­ние воды в контуре циркуляции:

где g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²;

Н — разность отметок низа солнечного коллектора (нулевой уровень) и места под­вода горячей воды в бак-аккумулятор, м;

ρ₁ — плотность воды в опускной трубе при температуре Т₁ кг/м³;

ρ₂ — плотность воды в подъемной трубе при температуре Т₂, кг/м³.

Очевидно, что чем больше разность температур воды, тем больше разность давлений и интенсивнее движение воды. Аналогичное влияние оказывает увеличение раз­ности отметок Н.

Непременным условием эффективной работы солнеч­ной водонагревательной установки термосифонного типа является тепловая изоляция всех нагретых поверхно­стей. При необходимости использова­ния электронагревателя для догрева воды внутри бака-аккумулятора его необходимо располагать горизонталь­но и размещать в верхней части бака. При соблюдении указанных условий обеспечивается температурное расслоение (стратификация) жидкости по высоте бака, при этом температура воды в нижней части бака ниже, чем в верхней. Благодаря этому в коллектор поступает вода с невысокой температурой, КПД коллектора возрастает и солнечная энергия используется более эффективно.

В условиях холодного климата в солнечном коллекторе следует использовать незамерзающий теплоноситель – смесь воды с этилен- или пропиленгликолем, глизантин (смесь воды с глицерином) и др. КПД компактных водонагревателей достигает 60%.

Водонагревательные установки с принудительной циркуляцией. Установки с принудительной циркуляцией теплоносителя целесообразно использовать для горячего водоснабжения крупных объектов. В них солнечный коллектор представляет собой большой массив модулей коллекторов солнечной энергии (КСЭ). Эти установки имеют большую теплопроизводительность, но довольно сложны. Принципиальная схема установки с циркуляцией воды в кон­туре КСЭ с помощью насоса подачей холодной воды в бак-аккумулятор и регулированием температуры горя­чей воды, поступающей к потребителю, путем подмеши­вания холодной воды в смесительном клапане показана на рис. 28.

В холодном климате, как правило, применяются двухконтурные схемы водонагревательных установок (рис. 29). В первом контуре, состоящем из солнечного коллек­тора и теплообменника с циркуляционным насосом и расширительным баком, используется незамерзающий теп­лоноситель. Второй контур образуют бак-аккумулятор, теплообменник и электрический или газовый котел. Хо­лодная вода подводится в нижнюю часть бака-аккумулятора, а вода, нагретая в теплообменнике, поступает в верхнюю часть бака, а оттуда через автоматический смесительный клапан и котел подается к потребителям. Все оборудование, кроме солнечного коллектора, уста­навливаемого снаружи, размещается в здании, поэтому подобные системы могут эксплуатироваться и в холод­ный период года. Газовый котел предназначен для дове­дения температуры горячей воды, предварительно нагре­той за счет солнечной энергии, до требуемого значения. При отсутствии солнечной радиации или недостаточном ее поступления вся тепловая нагрузка горячего водо­снабжения обеспечивается газовым котлом. Солнечные водонагреватели могут использоваться в качестве первой ступени для предварительного подо­грева воды в обычных топливных системах горячего во­доснабжения жилого здания.

Для достижения высокой эффективности всей гелио-топливной системы горячего водоснабжения следует из­бегать смещения горячей и холодной жидкости в баке-аккумуляторе, для чего в нем необходимо поддерживать температурное расслоение (стратификацию) жидкости. Горячая жидкость имеет меньшую плотность, чем холод­ная, и поэтому она находится в верхней части бака, а тем­пература в нем уменьшается сверху вниз. Жидкость по­дается в солнечный коллектор из нижней части бака, где она имеет наиболее низкую температуру, и благодаря этому обеспечивается более высокий КПД коллектора. Нагретая жидкость из коллектора подается в верхнюю зону бака. Для обеспечения температурной стратифика­ции жидкости в баке можно, в частности, использовать перфорированные горизонтальные перегородки, разделя­ющие бак на две или несколько зон и предотвращающие перемешивание слоев жидкости с разными температу­рами. Отводить горячую воду к потребителю необходи­мо из верхней части бака, где также можно установить электронагреватель, который будет обеспечивать требу­емую температуру горячей воды при любых погодных условиях. Однако наилучшим решением является исполь­зование двух баков-аккумуляторов — одного с высокой температурой жидкости, а второго — с низкой.

По экономическим соображениям за счет солнечной энергии целесообразно покрывать до 80 % нагрузки го­рячего водоснабжения, поэтому необходимо использовать наряду с коллектором солнечной энергии (КСЭ) также дополнительный источник энергии.

Дата добавления: 2014-12-17