Использование солнца как источника тепловой энергии. Системы солнечного теплоснабжеия. Солнечные коллекторы

Классификация и основные элементы систем солнечного теплоснабжения (гелиосистем).

Системами солнечного теплоснабжения называются системы, использующие в качестве источника тепловой энергии солнечную радиацию. Их характерным отличием от других систем низкотемпературного отопления является применение специального элемента – гелиоприемника, предназначенного для улавливания солнечной радиации и преобразования ее в тепловую энергию.

По способу использования солнечной радиации системы солнечного низкотемпературного отопления подразделяют на пассивные и активные.

Пассивныминазываются системы солнечного отопления, в которых в качестве элемента, воспринимающего солнечную радиацию и преобразующего ее в теплоту, служат само здание или его отдельные ограждения (здание-коллектор, стена-коллектор, кровля-коллектор и т. п. (см. рисунок 1).

1 – солнечные лучи; 2 – лучепрозрачный экран; 3 – воздушная заслонка; 4 – нагретый воздух; 5 – охлажденный воздух из помещения; 6 – собственное длинноволновое тепловое излучение массива стены; 7 – черная лучевоспринимающая поверхность стены;

8 – жалюзи.

Рисунок 1 – Пассивная низкотемпературная система солнечного отопления «стена-коллектор»

Активныминазываются системы солнечного низкотемпературного отопления, в которых гелиоприемник является самостоятельным отдельным устройством, не относящимся к зданию.

Активные гелиосистемы могут быть подразделены:

− по назначению (системы горячего водоснабжения, отопления, комбинированные системы для целей теплохолодоснабжения);

− по виду используемого теплоносителя (жидкостные – вода, антифриз и воздушные);

− по продолжительности работы (круглогодичные, сезонные);

− по техническому решению схем (одно-, двух-, многоконтурные).

Воздух является широко распространенным незамерзающим во всем диапазоне рабочих параметров теплоносителем. При применении его в качестве теплоносителя возможно совмещение систем отопления с системой вентиляции. Однако воздух – малотеплоемкий теплоноситель, что ведет к увеличению расхода металла на устройство систем воздушного отопления по сравнению с водяными системами.

Вода является теплоемким и широкодоступным теплоносителем. Однако при температурах ниже 0°С в нее необходимо добавлять незамерзающие жидкости. Кроме того, нужно учитывать, что вода, насыщенная кислородом, вызывает коррозию трубопроводов и аппаратов. Но расход металла в водяных гелиосистемах значительно ниже, что в большой степени способствует более широкому их применению.

Сезонные гелиосистемы горячего водоснабжения обычно одноконтурные и функционируют в летние и переходные месяцы, в периоды с положительной температурой наружного воздуха. Они могут иметь дополнительный источник теплоты или обходиться без него в зависимости от назначения обслуживаемого объекта и условий эксплуатации.

Гелиосистемы отопления (круглогодичные) зданий обычно двухконтурные или чаще всего многоконтурные, причем для разных контуров могут быть применены различные теплоносители (например, в гелиоконтуре – водные растворы незамерзающих жидкостей, в промежуточных контурах – вода, а в контуре потребителя – воздух).

Комбинированные гелиосистемы круглогодичного действия для целей теплохолодоснабжения зданий многоконтурные и включают дополнительный источник теплоты в виде традиционного теплогенератора, работающего на органическом топливе, или трансформатора теплоты.

Одноконтурные установки – наиболее распространенный вид гелиоустановок. Одноконтурные установки нашли широкое применение в странах с жарким климатом: Израиле, Турции, Кипре, Греции, Франции и др.

Конструкция одноконтурной гелиоустановки с естественной циркуляцией показана на рисунке 2. Установка укомплектована гелиоколлекторами и баком-аккумулятором.

Рисунок 2 - Конструкция одноконтурной гелиоустановки с естественной циркуляцией

Достоинства:простота, высокий КПД.

Недостатки:невозможность работы при отрицательных температур (сезонность), коррозия из-за наличия растворенного кислорода в воде, высокие требования к качеству (солесодержанию) воды.

Двухконтурные гелиоустановки разработаны с целью увеличения сезонного времени эксплуатации.

В настоящее время в мире разработаны множество разновидностей двухконтурных установок, где наибольшую активность проявляют Россия, Япония, Германия, США.

Двухконтурная гелиоустановкас естественной циркуляцией состоит из двух контуров (рисунок 3). Первый контур состоит из: солнечного коллектора, бака накопителя горячей воды, теплообменника, установленного в баке, расширительного бачка первичного контура и воздухоотводчик (рисунок). Второй контур состоит из бака накопителя горячей воды (аккумулятора) и трубопроводов холодной и горячей воды, запорно-регулирующей арматуры.

Достоинства установки - модульный принцип позволяет применить естественную циркуляцию теплоносителя первичного контура, возможность работы в зимнее время благодаря использованию антифриза, повышение надежности работы и срока службы.

Недостатки двухконтурной гелиоустановки –необходимость теплообменника, дополнительные потери, необходимость периодически замены теплоносителя в первичном контуре.

Рисунок 3 - Конструкция двухконтурной гелиоустановки с естественной циркуляцией

Двухконтурная гелиоустановкас принудительной циркуляцией аналогично предыдущей, но первичный контур дополнительно снабжен с насосной станцией, щит управлением, терморегуляторами, манометром, предохранительным клапаном и запорно-регулирующей арматурой (рисунок 4).

Данная установка имеет следующие достоинства:

- благодаря принудительной циркуляции теплоносителя на 30% улучшается теплосъем с гелиоколлекторов;

- возможность установки бака-аккумулятора в любом удобном месте;

- возможность работы в оптимальном режиме;

- легкость управления работой установки;

Недостатки:необходимостьиспользования насосов и дополнтельный расход электроэнергии на работу насоса.

Многоконтурными бывают комбинированные установки, снабженные теплогенераторами, работающими на органических топливах или электроэнергии (рисунок 5). На рисунке 6 показан дом, оборудованный комбинированной гелиоустановкой.

Двухконтурная гелиоустановка для системы отопления и горячего водоснабжения показана на рисунке 4.

Рисунок 4 - Конструкция двухконтурной гелиоустановки с принудительной циркуляцией

1 – гелиоколлектор; 2- аккумулятор; 3- щит управления; 4 – насосная станция; 5 – расширительный бачок; 6 – дополнительный источник теплоты; 7 – выход горячей воды ; 8- вход горячей воды.

Рисунок 5 - Многоконтурная комбинированная установка

Ррисунок 6 - Дом, оборудованный комбинированной гелиоустановкой.

1 – гелиоколлектор; 2- – расширительный бачок; 3- аккумулятор 4 – огневой печь.

Рисунок 7 - Двухконтурная гелиоустановка для системы отопления и горячего водоснабжения