Системное проектирование. Проектирование солнечных установок. Альтернативная энергия

Объединение компонентов в систему порой представляет собой весьма непростую задачу. Сложность конструкции системы зависит от следующих факторов:

Простые системы нередко достаточно эффективны, кроме того, при продолжительном сроке службы они требуют меньшего расхода строительных материалов и меньше энергии для своего возведения, эксплуатации и ремонта.

Помимо вышеприведенных примеров простейшая система солнечного отопления использует коллекторы, которые работают только во время солнечного сияния и когда здание нуждается в тепле. Такие коллекторы можно устанавливать в холодное время года на открытых площадках около дома, а летом демонтировать. Их можно прикреплять к стенам и крышам существующих зданий. В любом случае воздух из зданий подается в коллектор, нагревается солнечными лучами и затем снова поступает в помещение.

Вентилятор включается по сигналу разности двух температур. В процессе работы системы датчик, посылающий этот сигнал, определяет, светит ли солнце и достаточно ли нагрет коллектор, чтобы нагреть воздух до нужной температуры; второй прибор определяет, нуждается ли помещение в тепле или нет. Этот прибор должен быть настроен на верхний предел термостата, поскольку солнечное тепло с воздухом должно поступать в помещение тогда, когда его температура достигнет такого уровня, чтобы воспользоваться преимуществом использования энергии солнца, когда оно светит (естественно, этот процесс может осуществляться вручную путем простого включения или выключения вентилятора). Поскольку в этом режиме работы не предусматривается аккумулятора тепла, то здание само должно выполнять функцию контейнера теплоаккумулятора. Таким образом, оно должно нагреваться до такой температуры, которую могут выдержать находящиеся в нем люди. Чем массивнее здание, тем больше тепла оно может запасти, тем дольше оно может обходиться без тепла после захода солнца или появления облачности и тем выше будет общий КПД этой простой системы. Покрытые землей и подземные здания с изоляцией, находящейся между бетоном и грунтом, очень близки к этим простым системам, поскольку массивные бетонные конструкции хорошо аккумулируют тепло.

Система следующего уровня сложности накапливает солнечное тепло в аккумуляторе. Если помещение нуждается в тепле, хотя солнечная энергия на здание поступает, то включается накопившая тепло отопительная система. Однако в идеале приток солнечного тепла через окна должен удовлетворить потребность в отоплении и во время работы коллектора. Дублирующая отопительная система совершенно отделена от системы сбора и распределения солнечного тепла в целях упрощения всего комплекса. Когда солнца нет и аккумулятор "заряжен", потребность дома в тепле удовлетворяется в первую очередь за счет солнечного аккумулятора. Если этого недостаточно, то включается дублирующая система отопления. На рис. 1 кратко описываются 4 режима работы воздушной системы отопления. Элемент, обозначенный как "отопитель", независим от системы солнечного отопления и может работать на жидком топливе, газе, электричестве, дровах или любом другом топливе.

Режимы работы воздушной системы отопления

Различные режимы работы простой воздушной системы отопления:
а - коллектор нагревает аккумулятор; б - аккумулятор нагревает помещение; в - отопитель нагревает помещение, солнце нагревает аккумулятор; г - отопитель нагревает помещение, солнце отсутствует, тепло не аккумулируется; 1 - жилое помещение; 2 - аккумулятор; 3 - коллектор; 4 - отопитель; A - коллектор - аккумулятор - коллектор: светит солнце, коллектор горячее аккумулятора; B - аккумулятор - здание - аккумулятор: коллектор не подводит тепло к аккумулятору (нет солнца или аккумулятор теплее помещения); C - коллектор подводит тепло к аккумулятору (светит солнце) и помещение нуждается в отоплении; D - коллектор не работает (нет солнца), в аккумуляторе недостаточно тепла.

Система усложняется по мере того, как предпринимаются попытки объединить все элементы. Например, в больших установках в целом нежелательно иметь 2 системы подвода тепла: одну для солнечного, а другую для дублирующего. Объединение этих двух систем в одну систему воздуховодов (например, для систем принудительной подачи теплого воздуха) требует установки демпферов и вызывает другие сложности с управлением, но, в конечном счете, может снизить стоимость используемой тепловой энергии.

На рис.2 приведен пример отдельной системы подвода тепла с воздухом в качестве теплоносителя. Если через 10 мин после начала работы температура аккумулятора не достигает заданной термостатом величины, то включается отопитель. При работе коллекторов нагретый воздух поступает только в аккумулятор, если в нем нуждается само здание.

Различные заслонки и демпферы, устанавливающие разные режимы работы, часто располагаются вблизи друг от друга и подвержены давлению, создаваемому вентиляторами. Поэтому, они должны быть сконструированы таким образом, чтобы давление воздуха заставляло их плотно закрываться во избежание утечки воздуха.

Главным образом из-за стоимости и необходимости в упрощении работы количество воздуховодов, заслонок и их приводных механизмов должно быть как можно меньше. Следует рассчитывать кинематику каждой заслонки так, что когда в определенном режиме работы системы требуется ее закрыть или открыть, то движение воздуха, создаваемое вентилятором в данном режиме, соответственно приводило бы ее в движение. Однако если для привода заслонок требуются механизмы, то они должны располагаться рядом, для того, чтобы один механизм приводил в движение несколько заслонок одновременно. Это обычно означает, что некоторые воздуховоды должны проходить рядом с местами расположения заслонок, а они, в свою очередь, должны размещаться в линию, чтобы поворачиваться вокруг одной и той же оси. Привод заслонок может открывать один воздуховод и одновременно перекрывать другой.

Жидкостные системы отопления индивидуальных жилых домов обычно не столь эффективны по стоимости, как воздушные. Однако с увеличением размеров объектов и ростом потребности в солнечном абсорбционном охлаждении выбор жидкостных систем становится более предпочтительным. Кроме того, легче объединить водяное отопление с жидкостной системой, чем с воздушной.

На рис. 3 приведена упрощенная схема такой жидкостной системы. Показаны 2 альтернативных метода отопления помещений. В первой системе отопления горячая жидкость циркулирует непосредственно через здание; в системе воздушного отопления охлажденный воздух прокачивается из помещения через теплообменник, по змеевикам которого циркулирует нагретая солнцем жидкость.

Схема трубопроводов солнечного отопления помещений:
1 - солнечный коллектор; 2 - бак-аккумулятор; 3 - вспомогательный вентилятор; 4 - к отопительной системе; 5 - теплый воздух; 6 - альтернативные способы отопления; 7 - вспомогательный источник тепла; 8 - изоляция; 9 - теплообменник; 10 - насос; 11 - нагревательный или охлаждающий змеевик; 12 - вентилятор; 13 - фильтры; 14 - регулирующий клапан.

Следующая система (рис. 4) кроме основных функций подогревает также воду для хозяйственных нужд, прежде чем она поступает в обычный водонагреватель. На рис. 5 в схему добавлено солнечное абсорбционное кондиционирование воздуха. Холодная жидкость циркулирует по змеевикам теплообменника, а теплый, поступающий из здания воздух, обтекая их, охлаждается. Избыточное тепло от оборудования отводится через градирню.

Схема комбинированной системы солнечного отопления и горячего водоснабжения:
1 - солнечный коллектор; 2 - бак-аккумулятор; 3 - вспомогательный нагреватель; 4 - горячая вода; 5 - холодная вода; 6 - к отопительной системе; 7 - теплый воздух; 8 - альтернативные способы отопления.

Схема комбинированной системы солнечного отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения:
1 - солнечный коллектор; 2 - бак-аккумулятор; 3 - вспомогательный нагреватель; 4 - горячая вода; 5 - абсорбционный кондиционер; 6 - градирня; 7 - холодная вода; 8 - к отопительной системе; 9 - теплый воздух; 10 - альтернативные способы отопления; 11 - вспомогательный источник тепла; 12 - изоляция; 13 - теплообменник; 14 - насос; 15 - нагревательный или охлаждающий змеевик; 16 - вентилятор; 17 - фильтры; 18 - регулирующий клапан.

Если бы солнечное кондиционирование помещений было в реальной практике столь же простым, как и на этих схемах, то его давно приняли бы на вооружение, и оно бы гораздо быстрее получило распространение, чем это происходит сейчас. К сожалению, на этих схемах не показаны многочисленные клапаны, системы управления, теплообменники, насосы, вентиляторы, трубы, воздуховоды и расширительные баки, необходимые для различных режимов работы.

Пора сказать и о теплообменниках и системах управления. Согласно Даффи и Бекману, теплообменник повышает рабочую температуру коллектора на величину, соответствующую перепаду температуры на теплообменнике. Примерно на каждый градус K перепада температуры через теплообменник полезная теплоотдача коллектора уменьшается на 1...2%. Чем меньше теплообменников в системе, тем лучше рабочие характеристики коллектора (или тем меньше требуемая площадь коллектора).

Источник: http://www.svasti.ru/sistemnoe_proektirovanie_solnechnoi_ustanovki

Сайт управляется системой uCoz

Системное проектирование солнечной установки