Учебники 80362

41

б

а в Рис. 3.9. Вакуумный солнечный коллектор: а –общий вид; б – схема

вакуумной трубки; в – вакуумные термотрубки коллектора

На рис. 3.10 показаны различные принципиальные схемы конструктивного исполнения жидкостных и воздушных коллекторов [24, 34, 81, 103, 177]: а, б – с трубами для теплоносителя, соответственно, закрепленными под абсорбером посредством сварки и припаянными пластинами; в – со штампованной поглощающей панелью; г – вакуумированный стеклянный трубчатый коллектор; д – с плоским абсорбером; е, ж – с ребристым и гофрированным абсорберами; з – с наполовину зачерненными стеклянными пластинами; и – пористая или сотовая поглощающая панель.

Максимальная температура, до которой можно нагреть циркулирующий теплоноситель в плоском жидкостном коллекторе, не превышает 100 оС. К числу принципиальных преимуществ такого коллектора по сравнению с другими устройствами данного назначения относится его способность улавливать как прямую, так и рассеянную солнечную радиацию, поэтому возможна его стационарная установка без применения дорогостоящих средств слежения за Солнцем.

Вакуумные коллекторы (рис. 3.9) имеют более высокий КПД по сравнению с рассмотренными плоскими поглощающими панелями, так как они состоят из стеклянных трубок диаметром около 50 мм и расположенными в них пластинами с припаянными медными трубками для теплоносителя. Часто поверхности пластин имеют гелиотитановое покрытие, обеспечивающее высо-

42

кое поглощение солнечной радиации и низкое собственное инфракрасное излучение. Кроме того, созданный в стеклянных трубках вакуум предотвращает конвективный теплообмен с окружающей средой. Все перечисленные факторы позволяют увеличить КПД и создать рабочие параметры эксплуатации,

поэтому температура стагнации в устройствах данного вида превышает 200

оС.

Рис. 3.10. Схемы фрагментов солнечных коллекторов с жидкостью (а-г) и воздухом (д-и) в качестве теплоносителя: 1 – светопрозрачное ограждение; 2 – тепловая изоляция; 3 – направление потока воздуха перпендикулярное плоскости разреза фрагмента коллектора; 4 – светопрозрачные пластины; 5 – зачерненное покрытие; 6 – ребристая поглощающая панель; 7 – вакуумированная стеклянная труба; 8, 9 - входная и выходная трубы

Как правило, из 15-30 вакуумных трубок собирается коллектор площадью, соответственно, 1,5-3 м2. Однако, при всех перечисленных преимуществах стоимость таких устройств превышает более чем в 2 раза коллекторов с плоским абсорбером при одинаковой суммарной площади поглощающих по-

43

верхностей. Так же значительны затраты на текущие и ремонтные работы, так как после снегопада необходима очистка поверхности трубок, а также при их повреждении требуется полная замена.

Вакуумные коллекторы могут быть выполнены с применением термотрубок (рис. 3.9), помещенных в двойные стеклянные трубки. Термотрубка представляет собой закрытую медную трубку с небольшим содержанием легкокипящей жидкости. Под воздействием солнечного излучения жидкость испаряется, и пары поднимаются в верхнюю часть трубки – головку, где конденсируются, отдавая теплоту в приемнике коллектора воде или незамерзающей жидкости, направляемых в системы горячего водоснабжения или отопления. Охлажденный конденсат стекает по термотрубке вниз, где вновь нагревается. Приемник солнечного коллектора обычно выполнен из металла с полиуретановой изоляцией и закрыт листом из нержавеющей стали. Благодаря передаче теплоты через головки основной контур отделен от трубок, что позволяет при повреждении одной или двух, трех стеклянных трубок полноценно эксплуатировать коллектор. Процедура замены неисправных трубок очень проста, но это более технологически сложный и дорогой тип коллектора.

При использовании фокусирующих оптических устройств (рис. 3.11), достигается повышение плотности потока солнечного излучения, направляемого на поглощающую поверхность. Используемые для этих целей плоские, параболоидные или параболоцилиндрические зеркала изготовляют из материалов с высокой отражательной способностью, а линзы – из стекла или светопрозрачных полимеров. Фокусирующие коллекторы, требующие специального механизма слежения за Солнцем, обычно применяют там, где необходимо получать высокие температуры. Это характерно для печей, солнечных электростанций и т.п. В системах теплоснабжения зданий они практически не используются, и, поэтому для нагревания теплоносителя, направляемого в системы отопления и горячего водоснабжения, применяют в основном плоские солнечные коллекторы, в том числе и вакуумные.

Так как поступление солнечной энергии и изменение нагрузок в системах теплоснабжения зданий имеют временное несоответствие в количественных и качественных показателях, то данное обстоятельство вызывает необходимость применения средств, обеспечивающих сохранение избыточной теплоты, полученной от возобновляемого источника. Климатические условия в регионах таковы, что максимальное теплопотребление системами отопления наблюдается в декабре и январе при минимальной продолжительности светового дня, поэтому для наиболее полного покрытия нагрузок солнечной энергией целесообразно в теплый период года ее утилизировать больше, чем требуется, а избыток теплоты сохранять в соответствующих устройствах.

Процессы аккумулирования могут протекать на основе накопления явной, скрытой теплоты или энергии обратимых реакций. Используемые для этой цели устройства характеризуются удельной и абсолютной энергоемкостью, мощностью тепловых потоков при зарядке и передачи энергии потре-

44

бителю при ее дефиците, продолжительностью хранения (краткосрочное – от 6-12 ч до 10 суток, долгосрочное - от 10 дней и до нескольких месяцев), диапазоном температур, прогнозируемыми потерями теплоты, капитальными и эксплуатационными затратами. Устройства хранения, как правило, включают резервуар с изоляцией корпуса, теплоаккумулирующий материал и при необходимости разделительную поверхность теплообмена. В жидкостных системах солнечного теплоснабжения в основном используются баки с горячей водой, а в воздушных - резервуары с галькой или другими твердыми материалами. При суточном аккумулировании теплоты удельный объем бака принимается равным 0,05-0,15 м3 [24, 34], а для галечного аккумулятора при установке воздушных коллекторов - 0,15-0,35 м3 [24, 34] на 1 м2 площади поверхности абсорбера.

а б Рис. 3.11. Фокусирующие солнечные коллекторы: а – параболиче-

ский; б – параболоцилиндрический; 1 – солнечное излучение; 2 –элемент, поглощающий солнечную энергию; 3 – зеркальный концентратор; 4 – привод системы слежения; 5 – трубопроводы для теплоносителя

Следует отметить, что есть достаточно продолжительный опыт эксплуатации водяных солнечных коллекторов, снабженных аккумуляторами в массивах оснований зданий. Так, например, на крыше здания «EKONO-house», построенном в Отаниеми (Финляндия) [107], размещены солнечные коллекторы, в которых в летнее время нагревается теплоноситель и направляется в теплообменник (рис. 3.12). В теплообменнике посредством утилизированной солнечной энергии нагревается вторичный жидкий теплоноситель и после подается в полости массивного основания здания. Конструктивное решение фундаментов позволяет их использовать и как естественный аккумулятор теплоты. При недостаточности по каким-либо причинам утилизированного солнечного излучения накопленная энергия направляется в теплообменник для подогрева приточного воздуха. Летом, когда температура грунта ниже

45

температуры наружного воздуха, относительно холодное основание здания может быть использовано также и для охлаждения внутреннего воздуха помещений.

гое позволяет значительно сократить теплопотери в окружающую среду,что в конечном итоге обеспечит более продолжительное хранение энергии [177]. Выбор типа аккумулятора определяется конкретными климатическими условиями и требованиями, предъявляемыми к системе нетрадиционного теплоснабжения потребителем.

Так как наибольшее распространение получили солнечные установки с плоскими коллекторами благодаря простоте конструкции, надежности и быстрой окупаемости, поэтому рассмотрим конструктивные особенности данных устройств и систем, созданных на их основе, с часто применяемым аккумулирующим материалом. Водонагревательные установки успешно эксплуатируются в районах с суммарной продолжительностью солнечного сия-

46

ния более 1500 ч в год, что характерно для значительной части территории РФ.

По принципу работы солнечные водонагревательные системы можно

разделить на два типа: установки с естественной (рис. 3.13, а) и принуди-

тельной (рис. 3.13, б) циркуляцией теплоносителя. Все чаще находят приме-

нение гелиосистемы, работающие без насоса, так как не потребляют электро-

энергию. Особенно это проявляется при использовании воздушных коллек-

торов. Данные системы характеризуются несложным конструктивным ис-

полнением, высокой эксплуатационной надежностью, минимальными затра-

тами на ремонтные и профилактические работы, а по своей эффективности

уступают установкам с принудительной циркуляцией.

а б Рис. 3.13. Принципиальные схемы водонагревательных гелиоуста-

новок с естественной (а) и принудительной (б) циркуляцией теплоносителя: 1 – солнечный тепловой коллектор; 2 – бак–аккумулятор горячей воды; 3 – насос; 4 – смесительный вентиль

Солнечные водонагревательные установки, изображенные на рисунке 3.13, содержат тепловой коллектор и бак-аккумулятор с поступлением в нижнюю часть холодной воды и с отбором горячей воды из верхней. Гелиосистемы (рисунок 3.13, а) с естественной циркуляцией обладают саморегуляцией, и расход жидкости в них предопределен интенсивностью поступающего солнечного излучения, а также теплотехническими и гидравлическими характеристиками используемого оборудования. Для отопления и горячего водоснабжения крупных объектов гелиоустановки необходимо проектировать с принудительной циркуляцией теплоносителя. В этих случаях солнечный коллектор представляет собой большой массив модулей, занимающий значи-

47

тельную площадь, поэтому системы характеризуются высокой теплопроизводительностью.

Если в солнечном коллекторе и баке-аккумуляторе в качестве теплоносителя используется вода, то система горячего водоснабжения выполняется по одноконтурной схеме, имеющей высокие теплотехнические показатели за счет сокращения потерь при передаче утилизированной энергии. Для предотвращения замерзания жидкости, заполняющей гелиосистему, часто используется антифриз, который после абсорбера поступает в теплообменник, где передает утилизированную энергию воде, в последствии направляемую потребителю. В этом случае реализуется двухконтурная схема, а при необходимости и многоконтурная. Распределение теплоты на горячее водоснабжение и отопление в двухконтурной гелиоустановке можно осуществить в соответствии со схемой, представленной на рис. 3.14. Для повышения надежности систем жизнеобеспечения, использующих солнечную энергию, как правило, применяют резервные источники энергии.

Для экономии энергоресурсов, особенно потребляемых в зимние месяцы, целесообразно внедрять в жилищное строительство комбинированные гелиотеплонасосные системы. Такое нетрадиционное теплоснабжение объектов позволяет обеспечивать по возможности более полное покрытие потребляемой годовой нагрузки, и оно может быть выполнено с последовательной и параллельной схемами подключения теплового насоса. В первом случае испаритель теплового насоса получает теплоту от аккумулятора, а во втором источником теплоты служит окружающая среда.

Рис. 3.14. Схема гелиосистемы отопления и горячего водоснабжения: 1 – солнечный тепловой коллектор; 2 – теплообменник первого контура; 3 – тепловой аккумулятор; 4 – резервный источник энергии; 5 – система отопления здания; 6 - насос; 7 – регулирующий клапан; 8 – теплобменник для горячего водоснабжения; 9 – бак-накопитель горячей воды; 10 – теплообменник-доводчик

48

Возможно применение теплового насоса с двумя испарителями (рисунок 3.14). В этом случае при совмещении испарителя теплового насоса и неостекленного коллектора солнечной энергии с ограждающей конструкцией здания получается энергоактивная крыша или фасад, которые позволяют использовать не только солнечную энергию, но и явную, а также скрытую теплоту окружающей среды.

Комбинированная система выработки тепла и холода, изображенная на рисунке 3.15 предполагает применение адсорбционного трансформатора и грунтового аккумулятора. В летние месяцы в ночное время суток хладоагент из испарителя теплового насоса поступает в абсорбер. Часть вырабатываемого холода направляется потребителю, а часть аккумулируется. В дневное время используется холод, аккумулированный в грунтовом хранилище для кондиционирования помещений. В холодный период оборудование вырабатывает теплоту, необходимую для отопления и горячего водоснабжения здания.

Рисунок 3.16 - Схема комбинированной гелиотеплонасосной системы отопления здания с использованием теплового насоса с двумя испарителями: 1 – коллектор солнечной энергии; 2 – аккумулятор теплоты; 3 – насос; 4 – испарители теплового насоса; 5 – компрессор; 6 – дроссельный вентиль; 7 – вентилятор; 8 – конденсатор; 9 - здание

49

Рисунок 3.17 - Схема гелиоустановки с сезонным аккумулированием энергии: 1 - солнечный коллектор; 2 - бак аккумулятор солнечного контура; 3 - бак-аккумулятор вторичного контура; 4 - теплообменник; 5, 7 - конденсаторы теплового насоса; 6 - расходный бак; 8 - сезонный аккумулятор теплоты; 9 - испаритель

Применение тепловых насосов в системах солнечного теплоснабжения позволяет дополнительно использовать низкопотенциальную теплоту грунта

(рисунок 3.18).

Всолнечной системе 1 происходит поглощение и аккумулирование полученной теплоты. Солнечный контур, кроме коллекторов, содержит собственный теплоаккумулятор, насосы, регулирующие клапаны, фильтры, теплообменники, контрольно-измерительные устройства и приборы автоматики. В моноструктурном режиме работы по замкнутой схеме солнечная система 1 используется для отопления. Тепловая энергия может передаваться потребителю непосредственно от бака-аккумулятора, или с использованием трансформатора теплоты - теплового насоса 3, что обеспечивает повышение температурного потенциала теплоносителя на входе к контуру теплового потребителя 4.

Вмоноструктурном режиме работы грунтовой системы 2 грунтовые теплообменники отбирают теплоту, аккумулированную в грунте, и передают ее тепловому потребителю 4 на более высоком уровне, что осуществляется с помощью теплового насоса 3. Биструктурная система теплоснабжения позволяет использовать совместно два разнородных возобновляемых источника энергии, которые по своим естественным свойствам способны, в случае дефицита, к взаимной компенсации друг друга и некоторому сглаживанию неравномерности теплопотребления.

50

Рисунок 3.18 - Принципиальная схема теплоснабжения с использованием солнечной и грунтовой низкопотенциальной энергии: 1 – солнечный источник теплоты; 2 – грунтовой источник теплоты; 3 – трансформатор температурного потенциала возобновляемых источников (тепловой насос); 4 – собственно объект-потребитель теплоты (система теплоснабжения); 5 – традиционный источник теплоты

Вбиструктурном режиме эксплуатации установки (рисунки 3.18, 3.19), благодаря наличию двух испарителей теплового насоса, создаются благоприятные условия для утилизации низкопотенциальной энергии, которая поступает от двух независимых естественных источников - солнца и грунта. В этом случае тепловой насос выполняет роль трансформатора теплоты одновременно для обоих источников возобновляемой энергии. Анализ схем комплексных гелиогрунтовых теплонасосных систем показал, что они перспективны как в энергетическом, так и в экономическом отношении и представляют интерес для энергосберегающих технологий. В случае дефицита возобновляемой энергии и недостаточной мощности теплового насоса предусмотрена возможность включения в работу резервного источника традиционной энергии (дублера) для обеспечения нагрузки теплового потребителя. В качестве дублера может быть принят электрический обогреватель, который включается в работу в случае дефицита возобновляемой энергии, когда невозможно поддерживать тепловые требования потребителя на надлежащем уровне.

Учитывая ранее перечисленные преимущества плоских солнечных коллекторов и разнообразие схем их подключения в системах отопления и горячего водоснабжения, они все больше завоевывают российский рынок, но не такими высокими темпами, которые должны быть при существующем росте цен на традиционные энергоресурсы. Наибольшее распространение получили данные устройства, производимые следующими предприятиями: НПО «Машиностроение» (г. Реутов), Ковровский механический завод, «СоларЭн» (Армения) [23, 180, 185]. Рассмотрим некоторые конструктивные особенности солнечных коллекторов, выпускаемых перечисленными фирмами.

Всолнечном коллекторе «Сокол-А», производимом НПО «Машиностроение» и изображенном на рисунке 3.20, корпус и поглощающая панель выполнены специальными профилями из коррозионно-стойкого алюминие-