Солнечные системы нагрева воды и теплоснабжения

Опорные - конспекты
по теме:
«Солнечные системы нагрева воды и
теплоснабжения»
( расчёт мощности и комплектации системы)
2009 г.
"Только солнце не выставит Вам счёт за отопление…"
Для обеспечения человечества на несколько веков энергией хватит и
сотой доли той энергии, которая доходит от Солнца до Земли за один
год.
Солнечная энергия – это наименьшее количество загрязнения для
планеты и наиболее неистощимый из всех известных источников энергии.
Человечество только начинает выявлять и использовать ее потенциал.
В последнее время в связи с обострившимися экологическими проблемами и осознанной
необходимостью энергосбережения, во всём мире все больше внимания уделяется
использованию солнечной энергии для получения
тепла.
Значительные возможности энергообеспечения
зданий открываются благодаря внедрению
солнечных коллекторов для систем горячего
водоснабжения и отопления.
Солнечные установки - это устройства, которые
дают возможность получать энергию без вредной
нагрузки на окружающую среду. Правильно
рассчитанная солнечная система может покрыть до
50 - 60% энергетических затрат расходуемых обычно на горячее водоснабжение.
Каждые две недели Солнце отдает Земле такое количество
энергии, которое потребляют все жители нашей планеты в
течение всего года.
Схемы солнечных установок
Рис. 1. Интенсивность солнечного излучения на территории Украины.
Схематическое изображение гелиосистемы:
Цели использования гелиосистемы:

o
o
o
Нагрев воды для бытовых и
технологических нужд.
o
Нагрев воды в бассейне.
Частичное покрытие тепловой нагрузки отопления помещений.
Получение промышленного холода.
Способ отвода тепла от солнечных коллекторов:
o
o
Естественная циркуляция теплоносителя (без насоса и контроллера). Использование
системы при низких температурах окружающей среды затруднено.
Принудительная циркуляция теплоносителя (с использование насоса и контроллера).
Эффективность работы гелиосистемы при этом увеличивается на 30% и позволяет
эксплуатировать ее в течении года.
Солнечный коллектор SintSolar- это





использование высокоселективного медного абсорбера;
срок эксплуатации коллекторов более 25 лет;
сохранение работоспособности в экстремальных режимах
работы;
высокие теплотехнические характеристики;
наличие нескольких моделей, адаптированных к различным
климатическим условиям.
Гелиосистемы могут быть одноконтурные или двухконтурные (может быть и больше контуров), с
естественной или с принудительной циркуляцией теплоносителя (вода или специальная
незамерзающая жидкость).
В одноконтурных системах в солнечные коллекторы поступает и нагревается именно та вода, которая
расходуется из бака-аккумулятора.
Преимущества:
- простота;
- возможность получить самый высокий КПД системы.
Недостатки:
- высокие требования к качеству воды (желательно низкая жесткость
высокая степень очистки).
- повышенная коррозия, из-за воздуха, который растворен в воде;
- практически полная невозможность нормальной работы при минусовых
температурах (опасность разрыва труб);
- низкий эффективный срок эксплуатации (из практики – не более 3-5 лет)
и
В двухконтурных системах в контуре солнечных коллекторов находится специальный теплоноситель
(обычно незамерзающая нетоксичная жидкость с антикоррозионными и антивспенивающими
присадками или подготовленная вода), при этом тепловая энергия от теплоносителя передается воде с
помощью теплообменника (спиральная труба в баке –
«змеевик», внешний теплообменный аппарат или «бак в баке»).
Преимущества:
- значительное увеличение надежности работы системы
(солнечные коллекторы всегда в хорошем состоянии, т.к.
нет
выпадения солей и намывания грязи);
- возможность безопасной работы системы при минусовых
температурах;
- солнечные коллекторы не требуют дополнительного
обслуживания;
- более длительный гарантированный эффективный срок
эксплуатации (10-50 лет).
Недостатки:
- незначительное снижение эффективности работы системы из-за наличия дополнительных тепловых
потерь в коллекторах и трубопроводе, а также из-за необходимости применения теплообменника
(порядка 2-5%);
- если применяется незамерзающий теплоноситель, то также незначительно ухудшается
эффективность системы из-за более низкой его теплопроводности (по сравнению с водой);
- необходимость периодической замены теплоносителя (проверка состояния каждые 6-7 лет с
возможной заменой).
Системы с естественной (термосифонная) и принудительной циркуляцией
теплоносителя.
С естественной циркуляцией.
Преимущества:
- простота конструкции системы;
- автономность процесса нагрева от солнца.
Недостатки:
- низкая эффективность работы системы ,особенно в облачные дни. - высокие тепловые потери из-за
низкой скорости движения теплоносителя (воды);
- нестабильная работа коллекторов;
- возможность частого возникновения опасного перегрева бака,
вследствие того, что данная система не управляется;
- необходимость размещения массивного
бака-аккумулятора выше верхней точки гелиоколлекторов (например, на крыше); - при установке бакааккумулятора на открытом воздухе, возникают большие потери тепла, коррозии. риск замерзания бака;
- Всех вышеперечисленных недостатков лишена система с принудительной циркуляцией
теплоносителя.
Преимущества:
- в результате принудительной циркуляции теплоносителя, система
работает на 30 % эффективнее системы с естественной циркуляцией;
- бак-аккумулятор можно устанавливать в любом удобном месте;
- возможность эффективной работы круглогодично;
- система быстро настраивается на оптимальный режим работы;
- легко и удобно контролируется работа системы;
- система является более безопасной, так как контроллер отображает и
блокирует опасные режимы работы. Недостатки: - необходимость
установки дополнительного оборудования (насосного модуля и
контроллера); - дополнительное, но незначительное потребление
электроэнергии циркуляционным насосом.
ВЫВОД: если оценивать все преимущества и недостатки описанных
систем можно сделать вывод, что на территории Украины желательно использовать только
двухконтурные системы с принудительной циркуляцией теплоносителя. Также это утверждение
верно с точки зрения экономической целесообразности.
Классификация по назначению
ЖИДКОСТНЫЕ ГЕЛИОСИСТЕМЫ С АККУМУЛИРОВАНИЕМ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Принудительная циркуляция теплоносителя
двухконтурные
Круглогодичное
или сезонное ГВС,
нагрев воды в
бассейне, отопление
Естественная циркуляция
теплоносителя
одноконтурные
двухконтурные
одноконтурные
Только сезонное
ГВС, нагрев воды в
бассейне
Сезонное ГВС
(возможно
круглогодичное,
если бак установлен
в отапливаемом
помещении)
Только сезонное
ГВС
Гелиосистемы, которые предназначены для одновременного выполнения нескольких функций (ГВС и
отопление, ГВС и нагрев воды в бассейне и т.д.) называются комбинированными
(многофункциональными). Такие системы в основном конструируются как двухконтурные с
принудительной циркуляцией теплоносителя.
Используя энергию солнца, гелиосистемы позволяют экономить до 75% традиционного топлива,
которое необходимо для приготовления горячей воды, и до 50% необходимого для целей отопления.
Общее устройство солнечного коллектора
1 - съёмный прижимной уголок;
2 - подсоединительный патрубок;
3 - силиконовая уплотнительная резина;
4 - алюминиевый корпус;
5 - прозрачная изоляция (стекло с пониженным
содержанием железа);
6 - медный абсорбер (теплопоглощающая панель);
7 - параллельные медные трубки;
8 - теплоизоляция, толщиной 60 мм
Отличительные особенности солнечных коллекторов (солнечных батарей) Sint
Solar
Благодаря этому покрытию поглощающая панель захватывает больше тепла от солнечного излучения
с высокой эффективностью: 95% поглощается и всего 5% энергии излучается (для сравнения, у черной
краски 94% - поглощается, 88% - излучается).
Сравнение покрытий
1.
2.
Высокая теплопроводность поглощающей панели
Большая площадь контакта теплотводящих трубок с медной лентой
Условная выработка тепловой энергии для нагрева воды в солнечный день, гелиосистемой,
состоящей из 1 м2 эффективного гелиоколлектора и бака с горячей водой на 80-100 л.
Схеме для расчёта примерной
комплектации оборудования для
ваших нужд.
Для расчёта вам необходимо пройти
несколько шагов.
1.Определить количество потребителей
горячей воды.
2. Определить количество воды
потребляемой каждым членом вашей
семьи в сутки.
3. После этих двух шагов вы получите
рекомендованный объем
накопительного бака.
4. Выберите желаемую степень
замещения потребностей в тепле
энергией солнца.
5. Выберите южный или северный
регион где планируется размещение
системы.
6. Выберите планируемую ориентацию
устанавливаемых коллекторов.
7. Выберите угол наклона
устанавливаемых коллекторов.
8. После выполнения последнего шага
вы получите примерное необходимое
количество коллекторов.
Сравнение стоимости 1 кВт/час энергии, полученной на основе использования различных энергоносителей
Затраты, грн.
на 1 человека*
Удельная
Генерирующая
система
КПД
Тепловая
Стоимость Стоимость
(на семью из 5 человек)
мощность,
единицы
теплота
системы
месяц
год
ресурса, грн. 1 кВт • час
сгорания, кДж кВт • час
(на м3 или кг)
сутки
30
365
суток
суток
ГАЗОВАЯ
природный газ, м3
0,21
33500
9,31
0,98
6,30
76,65
0,12
(1,05)
(31,50) (383,25)
0,90
сжиженный газ,
м3
0,32
45200
12,56
2,00
9,60
116,80
0,18
(1,60)
(48,00) (584,00)
ЖИДКОТОПЛИВНАЯ
дизель, л
2,12
33600
9,33
6,70
63,60
773,80
1,21
(10,60) (318,00) (3869,00)
(плотность: 0,70)
бензин, л
1,84
33400
9,28
0,85
6,20
55,20
671,60
1,05
(9,20) (276,00) (3358,00)
(плотность: 0,75)
керосин, л
1,49
43500
12,08
7,00
44,70
543,85
0,85
(7,45) (223,50) (2719,45)
(плотность, δ: 0,80)
ТВЁРДОТОПЛИВНАЯ
кокс, кг
0,68
29300
8,14
2,25
20,40
248,20
0,39
(3,40) (102,00) (1241,00)
уголь каменный, кг
0,23
27000
7,50
0,70
(1,15)
уголь бурый, кг
0,28
13000
3,61
0,70
0,40
торф, кг
0,18
3,36
0,23
дрова, кг
0,21
3,44
0,30
(34,50) (419,75)
8,40
102,20
(42,00) (511,00)
5,40
65,70
0,10
(0,90)
12400
83,95
0,16
(1,40)
12100
6,90
0,13
(27,00) (328,50)
6,30
76,65
0,12
(1,05)
(31,50) (383,25)
* Усреднённое потребление горячей воды 1 человеком в сутки: 50 л (без учёта принятия ванн). Температура
исходной воды для нагрева: 15 0С. Температура горячей воды: 45 ˚С. Для нагрева 1 л воды на 1 ˚С необходимо
затратить 4,19 кДж. Необходимое количество энергии для обеспечения потребностей 1 человека (нагрев 50 л воды
на 30 ˚С): 50л × 30˚С × 4,19 кДж = 6285 кДж. При: 1 кВт × ч = 3600 кДж, получаем: 6285 кДж / 3600сек = 1,75 кВт •
час. Для семьи, состоящей из 5 человек: 1,75 кВт • час × 5 = 8,75 кВт • час.