Сонячні повітряні колектори

1. доступно кожному
2. Трохи шкільної фізики
3. На широті Києва
4. Основні схеми
5. активні СВК
6. Бар'єрні функції СВК
7. перспективне рішення
8. Вас може зацікавити:

С. Михненко

Сонячні повітряні колектори набувають все більше число прихильників. Це рішення, яке відкриває набагато більше можливостей, ніж рідинні фототермальние колектори. Вони дійсно заслуговують того, щоб на них звернули пильнішу зацікавлену увагу

Сонячні повітряні колектори (СВК) - це тепловий абсорбер, в якому в якості робочого тіла використовується повітря, а в якості джерела тепла - сонячне випромінювання. Холодне повітря потрапляє в систему каналів, де він нагрівається сонячним теплом, і потім надходить в приміщення, що обігрівається.

доступно кожному

СВК - це настільки просто, що домашні умільці самі беруться виготовляти їх буквально з підручних матеріалів. У хід йдуть навіть порожні алюмінієві банки (рис. 1). Автор цієї конструкції поділився своїми розробками в соціальній мережі і повідомив, що восени і навесні в такому «підвіконних» колекторі повітря нагрівається від 10-12 ºС до 80-85 ºС, а взимку в сонячний день від -15ºС на вході в СВК до +40 -45ºС на виході в приміщення. Якщо в теплий сезон такий сонячний нагрівач вже не потрібен - його просто прибирають.

Мал. 1. Саморобний цокольний СВК з алюмінієвих банок

Коли в ЄС розробляли норми і стандарти по опаленню і теплоізоляції, то з'ясувалося, що їх перші версії містили істотно завищені норми. Виявилося, що спочатку не врахували все кількість сонячного тепла, падаючого зовні на оболонку будівлі і потрапляє всередину через вікна. Це виправили і ввели термін solar gain - кількість «безкоштовного» тепла від сонячної радіації, якого навіть взимку буває настільки багато, що від нього потрібно захищатися, і яке потрібно обов'язково брати до уваги при всіх теплових розрахунках для будівель і споруд.

Простий сонячний повітряний колектор складається з повітропроводів, добре поглинають сонячне випромінювання. Потім ця теплова енергія передається повітрю. Нагріте в СВК повітря з'єднується з вентиляційним каналом, що подає його всередину будівлі.

Трохи шкільної фізики

Теплопровідність води приблизно в 28 разів більше теплопровідності повітря. При цьому питома теплоємність повітря приблизно в 4 рази менше питомої теплоємності води, а плотностьводи більше плотностівоздуха приблизно в 816 разів.

З цього випливає, що як теплоносій повітря менш вигідний, ніж вода. Щоб перенести однакову кількість теплоти з повітрям, його потрібно подати в сотні разів більше, ніж води. При цьому між рідинним теплоносієм і повітрям є «посередник». Але ми живемо саме в повітряному середовищі. І нагрівати, врешті-решт, потрібно саме повітря.

СВК зазвичай використовується як додатковий обігрівач для економії на опаленні. Згадайте, як нагрівається повітря в припаркованому автомобілі. Приблизно те ж саме відбувається і в СВК.

Сонячний колектор, що працює на повітрі - це відмінна альтернатива рідинним системам. В роботі СВК практично немає обмежень - повітря в якості теплоносія НЕ закипає і не замерзає. Такого поняття як «стагнація геліосистеми», яка змушує інженерів йти на дорогі конструктивно-технологічні рішення в рідинних колекторах, просто немає.

Швидкий прогрів повітря в приміщенні до потрібної температури - теж одна з особливостей СВК. Незважаючи на те, що повітря має меншу теплоємність, ніж вода, він рухливий, добре регулюється (по температурі і кількості). Повітря забезпечує швидку зміну температури і більш рівномірний розподіл тепла всередині приміщень. Він безпечний в пожежному відношенні. Нагріте повітря можна розподіляти по каналах вентсистем.

На широті Києва

Як багато тепла можна заощадити, застосовуючи СВК? Для цього кількість сонячного тепла, падаючого на землю, наприклад, на широті Києва (~ 1384,05 кВт · год / м2 / рік), помножимо на ККД сонячного колектора ~ 65-70%. В результаті отримаємо вироблення тепла квадратного метра сонячного колектора близько 900 кВт · год. Показана на рис. 1 саморобка потенційно може виробити до 2 МВт · год тепла в рік. Це не мало.

Надходження сонячного тепла протягом року нерівномірно. На широті Києва взимку надходить 14%, навесні - 29%, влітку -36%, а восени - 21% від усього річного кількості сонячної радіації. У січні-лютому ця цифра знижується до 3% від суми річного solar gain, і з 1 м2 СВК за цей час вдасться зібрати близько 30 кВт · год теплової енергії.

Проте, СВК відмінно працюють саме в холодному кліматі. Особливо - коли погода нестійка і можливо несподіване зниження температури або заморозки. Ось три фото (рис. 2 а, б, в) приватних будинків, обладнаних СВК. Один - в м Річмонді, штат Міннесота, (45 ° 27 'пн. Ш.), Два інших - у м мету (42 ° 43' пн. Ш.) І м Оберн (42 ° 12 'пн. Ш ), штат Массачусетс, США. Всі знаходяться набагато північніше широти м.Києва (50 ° 25 'пн. Ш.).

Мал. 2. СВК на стінах житлових будинків:
а) р Річмонд, Міннесота, США; б) м мету, Массачусетс, США; в) м Оберн, Массачусетс, США

Основні схеми

СВК виконують за різними схемами - з забором зовнішнього повітря, з забором повітря; з перепуском. Їх виконують з склінням і без. Вони бувають пасивні та активні.

Є три основні схеми підключення СВК: рис. 3 - з припливом зовнішнього повітря (а), з рециркуляцією внутрішнього повітря (б), з підмішуванням нагрітого в СВК повітря у вентиляційний канал (в) і їх поєднання.

Якщо СВК використовувати взимку для нагріву повітря, циркулюючого тільки всередині приміщення, то це означає, що 2 колектора (рис. 1) площею по 2,5 м2 в найхолодніші місяці року (січень - лютий) зможуть забезпечити для донагрева в середньому 150 кВт · ч, а за всю зиму - 630 кВт · год, навесні - 1,3 МВт · год, за осінь - 0,95 МВт · год. У нічний час перепуск повітря можна відключати.

Мал. 3. Основні схеми підключення настінного СВК

Оскільки теплоносій в СВК - це повітря, то, природно, його дуже часто використовують спільно з системою вентиляції.

Якщо СВК підключити до каналу геотермальної гравітаційної системи природної вентиляції (рис. 3, в), то це значно збільшить тягу в ньому за рахунок збільшення перепаду температур між припливом і випуском і стабілізує її роботу в міжсезоння.

Пасивні схеми (рис. 3, 4) - це недороге рішення, його можна досить просто застосувати в уже збудованому будинку.

Мал. 4. СВК з рекуператором тепла

При підключенні по рециркуляционной схемою (рис. 3, б) або за схемою з підмішуванням повітря з вентканала (рис. 3, в), можна отримати систему очищення повітря, багаторазово проганяючи внутрішнє повітря через систему фільтрів, приєднану до патрубків СВК. Комбіновані схеми (рис. 4, 5), як правило, виконуються за схемою з рекуператором тепла. СВК з рекуператорами можна встановлювати як на стінах, так і на дахах.

Мал. 5. СВК в комбінації з рекуператором тепла повітря, теплообмінником для ГВП, акумулятором тепла і повітряної піччю

активні СВК

Активна система з СВК (рис. 5, 6, 7) для циркуляції повітря має привід вентилятора. В активній системі немає необхідності «правильно» розміщувати по вертикалі впускні і випускні отвори, так як повітря всмоктується або нагнітається примусово, і гравітаційні і конвекційні потоки, як в природній системі, не використовуються. Тому СВК в активній системі можна встановлювати на похилому даху під самий коник, а потім нагріте повітря направляти вниз вентилятором.

Мал. 6. Когенераційна СВК в комбінації з PV-модулем, рекуператором тепла повітря, теплообмінником для ГВП

Ще один спосіб, який зараз набирає популярність - це комбінація сонячного фотовольтаїчні колектора (PV-панелі) і розташованого знизу СВК. Суть цього методу полягає в рекуперації тепла, що відбирається з нижньої (затіненій) сторони PV-модулів (його часто буває в 3 - 4 рази більше, ніж електроенергії, виробленої модулем).

Мал. 7. Активна СВК з системою стеження за температурою і вентилятором змінного витрати

Тут є очевидне технічна перевага - крім отримання електрики від PV-панелі, а від СВК - теплової енергії (когенерація), відбір і рекуперація тепла повітряним колектором покращує режим роботи і ККД PV-модуля. СВК дозволяє PV-системі працювати ближче до його найкращої ефективності (зазвичай це близько 25 ºС). Це зменшує загальний період окупності всієї комбінованої системи. Надмірне тепло, яке надходить в приміщення «невчасно», можна скинути в ємність ГВС. Якщо СВК мають велику площу, причому розташовуються на стінах, по-різному орієнтованим по сторонах світу, то має сенс встановити систему автоматики (рис. 7), що стежить за роботою системи. На ринку представлений великий вибір різних універсальних датчиків і програмованих контролерів, які можна підібрати до вентилятора із змінною швидкістю, і потім зібрати таку активну систему самому.

Зараз є величезна кількість конструктивних рішень для СВК. Постійно з'являються нові оригінальні пропозиції (наприклад, як на рис. 8).

Мал. 8. СВК у вигляді знімною віконної фрамуги з алюмінієвого профілю

Бар'єрні функції СВК

Крім генерації тепла СВК може виконувати бар'єрні і теплозахисні функції. В цьому випадку СВК займає всю поверхню стіни або даху. Зовнішня поверхня СВК і стіна будівлі утворюють так званий фасад з подвійною оболонкою (ФДО). Таким шляхом можна «накрити» стіни, дахи і похилі елементи будівель. Зовнішня частина ФДО виконує з одного боку бар'єрну функцію (захист внутрішньої частини - тобто власне стіни будівлі від намокання), з іншого - це Теплопоглинаюча поверхню, добре пропускає тепло на свою внутрішню сторону. Її зазвичай виконують з дрібною перфорацією.

ФДО всередині розділений на вертикальні секції. Зовнішня поверхня ФДО нагрівається сонячним теплом і передає його повітрю між зовнішньою і внутрішньою стінками. Нагріте повітря активно піднімається вгору, звідки його відбирають всередину для підігріву будівлі. Дуже часто, як і в звичайних СВК, гаряче повітря тут використовується в поєднанні з системою вентиляції - безпосередньо або побічно, через рекуператор. Висхідний потік гарячого повітря в порожнині ФДО енергійно підсушує стіну будівлі, покращуючи його теплоізоляційні характеристики.

Це властивість високо оцінили в країнах з суворим кліматом - в Канаді, на півночі США, в Німеччині та Скандинавії. СВК типу «сонячна стіна» тут не тільки використовується для опалення або підігріву повітря в системі вентиляції, скільки виконує енергозберігаючі функції.

На рис. 9 показані приклади застосування СВК у вигляді ФДО - в аеропорту Торонто, Канада, на даху і похилій стіні виробничої будівлі в м Бутбу Харбор, Мен, США, в середній школі в м Шервуді, Массачусетс, США, на базі ВМС США в Портсмуті . Будівля авіаційної адміністрації в аеропорту Торонто удостоєно срібного сертифіката LEED - за високі енергозберігаючі та екологічні властивості.

Мал. 9. СВК типу «сонячна стіна» на фасадах громадських і виробничих будівель в Канаді і США

Важлива властивість поєднання СВК-ФДО в тому, що в жарку пору року ця система охолоджує будівлю. Вгорі і внизу системи влаштовані заслінки, які зазвичай закриті в холодну пору. Повітря через перфоровані отвори (в деяких профільних системах виконані спеціальні щілини) в режимі роботи СВК проникає в межфасадное простір ФДО, піднімається вгору і надходить в розподільні канали для обігріву. У жарку пору року верхні і нижні заслінки повністю відкриваються, канали для обігріву перекриваються, і нагріте повітря інтенсивно вентилює межфасадний зазор. Надмірне тепло несеться вгору, а сам будинок не перегрівається. Автоматика регулює поворот зовнішніх заслінок і ступінь відкривання каналів для забору теплого повітря всередину будівлі. Вночі заслінки закриваються, і СВК-ФДО служить буфером, що перешкоджає втраті тепла будівлею.

перспективне рішення

СВК з'явилися і почали активно застосовуватися не так давно. Набагато пізніше, ніж, наприклад фотовольтаїчні і рідинні фототермальние колектори. Всі особливості і переваги СВК ще не розкриті. Спеціальні дослідження, проведені в США і Канаді, показали, що системи СВК (фасадні і модульні) зменшують енергоспоживання будівлі приблизно на 10-50% від звичайної теплового навантаження на опалення взимку і охолодження влітку. Спільне використання СВК з системами опалення, вентиляції і кліматизації, а також в якості зовнішнього захисного щита будівлі, вельми перспективно.

В Україні технологію СВК активно просувають ентузіасти екологічного будівництва. Однак в нашій країні вже є компанії, що пропонують цей різновид сонячної техніки в промисловому виконанні.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі AW-Therm . Підписуйтесь!

Вас може зацікавити:

Вам також може сподобатися

Замовлення було відправлено, з Вами зв'яжеться наш менеджер.