Роль гелиосистемы для энергоэффективного строительства
Использование солнечной энергии в строительстве зданий
В. А. Турулов, канд. техн. наук, инженер-строитель
Совмещать ограждающие конструкции здания с гелиоколлектором с воздушным теплоносителем для использования энергии солнечной радиации энергетически рационально: гелиостены выполняют и функцию теплозащиты, и роль системы теплоснабжения зданий. Это вполне отвечает климатическим условиям России и применимо как в индивидуальных домах, так и для многоэтажных зданий.
Многие считают, что панорамное остекление способствует использованию солнечной энергии для пассивного обогрева и естественного освещения зданий. Это не совсем так даже при применении современных светопрозрачных ограждений с повышенными теплозащитными свойствами. Следует признать, что большие окна в зданиях, строящихся в холодном климате России, требуют весьма значительных эксплуатационных энергетических затрат и дают несколько сомнительный психо-эмоциональный эффект.
Рациональнее сократить площадь окон до минимально допустимого значения и стены совместить с гелиоколлектором. Такая конструкция ограждений может использовать энергию солнечной радиации в многоэтажных зданиях. Здание с таким фасадом будет иметь высокие теплозащитные свойства и энергоэффективные показатели. При этом будет создана имитация сплошного остекления, к чему стремятся многие архитекторы. Кроме того, фасад здания с гелиоколлектором может иметь различную цветовую гамму за счет окраски теплопоглощающей пластины коллектора. Конструктивно имеется возможность также изменять фактуру плоскости фасада. При различном плоскостном расположении светопрозрачного элемента коллектора создается интересный эффект кристаллической поверхности.
Комплексные исследования гелиоактивных стен
При проведении теоретических исследований (Б. В. Хрустовым, канд. техн. наук, отдел НИР ГипроНИИздрав Минздрава СССР) была создана математическая модель нестационарного теплового поведения конструкции, включающая светопрозрачные слои, теплоприемную пластину, воздушный теплосъемный канал, воздушные прослойки и теплоизоляционные слои (рис. 1).
Расчетная схема наружного ограждения
На основе теоретических исследований были организованы многолетние натурные павильонные испытания четырех типов образцов с различными коллекторными пластинами. Испытания проводились в летние и зимний периоды, при этом создавался естественный (пассивный) и принудительный (посредством вентилятора) режимы движения воздуха в теплосъемном канале коллектора. Изучалось влияние скорости и массового расхода воздуха в теплосъемном канале и оценивалась эффективность конструкций гелиоколлектора, сезонное теплоэнергетическое «поведение» гелиоактивных стен.
Было обращено особое внимание на теплозащиту и теплоустойчивость стен с гелиоколлектором в летний период, учитывая, что установка гелиовоздухонагревателей (ГВН) на поверхности наружных стен способствует повышению теплового потока, направленного в помещение. Данные свидетельствуют, что амплитуда колебаний температуры внутренних поверхностей традиционных конструкций и гелиоактивных стен с одинаковой теплоизоляцией практически совпадают. Однако за счет большего поглощения солнечной энергии и меньшего оттока тепла во внешнюю среду из-за установки светопрозрачных покрытий среднесуточные значения температур внутренней поверхности стен несколько выше. Такая особенность теплопередачи улучшает теплозащитные качества стены с коллектором в зимний период и несколько ухудшает летом по сравнению с обычными стенами, что требует дополнительной теплоизоляции.
Рекомендации по проектированию наружных стен с гелиовоздухонагревателям
По материалам теоретических и натурных исследований разработаны рекомендации по проектированию наружных стен зданий с ГВН.
1. Конструктивное решение наружных стен с ГВН характеризуется обязательным применением в их структуре слоев светопрозрачного покрытия, поглощающего элемента, замкнутых воздушных прослоек, теплосъемного канала и теплоизоляции. Наличие неоднородных по условиям теплообмена конструктивных элементов обусловливает дифференцированный подход к рассмотрению процессов теплопередачи в каждом из них.
2. В зависимости от условий внешней среды при эксплуатации гелиовоздухонагревателей могут быть предусмотрены следующие воздушные режимы функционирования теплосъемного канала коллектора:
3. Функциональное двойное назначение ГВН определяет необходимость:
4. Отличительной особенностью ГВН по сравнению с традиционными наружными стенами являются повышенные требования к теплоизоляции, что связано с увеличением теплового потока, направленного в помещение в летний период за счет более высокого уровня температур в ограждении и уменьшения стока тепла во внешнюю среду из-за использования светопрозрачных покрытий.
5. Конструктивные решения ГВН по типам гелиовоздухонагревателей можно разделить на группы с однополостным и многополостным теплосъемными каналами. В группе с однополостным каналом выделяются коллекторы с внешней и внутренней теплопоглощающей поверхностью; группа многополостных коллекторов включает конструкции с объемным и плоским теплопоглощением.
6. В конструкциях с теплосъемным каналом с внешней коллекторной поверхностью исключен контакт нагреваемого воздуха с холодным светопрозрачным покрытием, что повышает их тепловую эффективность. Наиболее прост в изготовлении коллектор с теплосъемным каналом с плоским поглощающим элементом.
7. Некоторое усложнение имеет конструкция коллектора с установкой специальных элементов, что интенсифицирует теплосъем за счет турбулизации воздушного потока в канале.
8. Использование гофрированных поглощающих поверхностей позволяет наиболее эффективно улавливать солнечную энергию и увеличивает площадь контакта нагреваемого воздуха с поглощающей пластиной. Несмотря на сложности в изготовлении и трудности при монтаже, связанные с герметизацией стыков, использование гофрированных поглощающих поверхностей увеличивает КПД гелиовоздухонагревателя по сравнению с другими коллекторами такого типа.
9. Наибольшей тепловой эффективностью обладает группа конструкций многополостных гелиоколлекторов с объемным поглощением, которые наряду с высокой способностью улавливать солнечную энергию, как правило, реализуют объемный теплосъем и значительно активизируют конвективный теплообмен.
10. Форма поглощающей поверхности коллектора в значительной степени влияет на эффективность преобразования солнечной энергии. Так, КПД гелиовоздухонагревателей с поглощающими элементами в виде пластины с турбулизаторами, гофрированной поверхностью и жалюзийной решетки в среднем на 10, 20 и 15 % выше по сравнению с плоским поглощающим элементом.
11. Увеличение отношения коэффициента поглощения коллекторной поверхности к ее степени черноты в 8–10 раз способствует повышению КПД гелиовоздухонагревателя на 10–15 %.
На преобразование солнечной энергии существенно влияет окраска коллекторной поверхности, которая определяет ее коэффициент поглощения. При этом зависимость КПД от поглощающей способности практически прямо пропорциональна.
12. Увеличение отношения длины теплосъемного канала к его ширине позволяет получить теплоноситель более высокого температурного потенциала, однако это сопровождается снижением КПД. Так, при изменении этого отношения от 50 до 200 температура воздуха на выходе увеличивается на 10–20 °C, а КПД уменьшается почти на 10 %.
13. В случае отказа системы принудительной вентиляции с целью защиты помещений от перегрева необходимо обеспечивать возможность беспрепятственной естественной циркуляции воздуха в канале.
14. Светопрозрачное покрытие способствует снижению теплопотерь гелиовоздухонагревателя, одновременно являясь фактором, уменьшающим поступление солнечной радиации на коллекторную поверхность. Многослойные светопрозрачные конструкции эффективны при большой разности температур воздуха на входе гелиоколлектора и наружной среды. При разности этих температур до 40 и расходах воздуха выше 0,02 кг/(м•с) различие КПД одно-, двух- и трехслойного светопрозрачного покрытия не превышает 5 %. При вентиляции теплосъемного канала наружным воздухом целесообразно принимать однослойное остекление коллектора.
15. Высокий уровень температур в ГВН по сравнению с традиционными наружными стенами обусловливает повышенные требования к теплозащитным свойствам ограждения. Установка гелиовоздухонагревателей на поверхности наружных стен способствует повышению теплового потока, направленного в помещение. Такая особенность их теплопередачи улучшает теплозащитные качества ограждения в зимний период и ухудшает летом по сравнению с обычными ограждениями.
16. Перед определением параметров теплоизоляции устанавливаются расчетные режимы вентиляции гелиоколлектора.
17. Обьемно-планировочное решение здания должно формировать развитую площадь облучаемого фасада, что обеспечивает более вытянутая форма. Так, при южной ориентации гелиоактивного фасада поступление солнечной радиации при соотношении ширины к длине 1:1 и 1:5 отличается на 30 %.
Опыт проектирования гелиозданий
На основе рекомендации по проектированию наружных стен зданий с ГВН в Ташкенте было спроектировано и начато строительство Кардиологического центра.
Кардиологичемкий центр в г. Ташкенте (архитекторы: Х. А. Мукольянц, А. Л. Быков; инженеры: Г. Ф. Панков, Ю. И. Беленький)
Расчеты показали, что в здании полезное тепло можно использовать для горячего водоснабжения Кардиологического центра с апреля по октябрь.
Исследования подтверждают, что совмещение наружных стен зданий с гелиоколлектором в условиях России является, несомненно, перспективной технологией, особенно на Дальнем Востоке и значительной территории Сибири.
Литература
1 Под руководством автора, В. А. Турулова, в то время начальника отдела НИР ГипроНИИздрав Минздрава СССР. – Прим. ред.
Получать дармовую энергию от солнца на нагрев воды – заманчиво. Но оборудование для такого действа, а именно, гелиосистемы в комплекте, требует не мало вложений. Главный вопрос у пользователя – окупится ли гелиосистема с солнечным коллектором при использовании в частном доме? Рассмотрим какие конструкции бывают, какой опыт применения имеется…
Основной принцип работы
В основе домашней гелиосистемы находится солнечный коллектор. Работает предельно просто – ряд трубок с теплоносителем (водой) нагревается солнечными лучами. Разогретая вода поступает в устройство по теплообмену в доме (бойлер косвенного нагрева, гидроаккумулирующая емкость) и там нагревает теплоноситель системы отопления или воду, которую мы используем как горячую.
В результате отопление и (или) вода греются бесплатно. Все знают, что отопление и ГВС – основная статья расходов по дому, энергия дорога. А в Европе солнцем иногда вообще отапливают полностью, не сжигая и килограмма нашего природного газа.
Что получится у нас, и какой солнечный коллектор лучше?
Разновидности солнечных коллекторов
Упрощенное описание конструкций коллекторов гелиосистемы следующее.
Из описания ясно, что все эти конструкции не могут быть дешевыми. Отсюда и вопросы по окупаемости.
Летом гелиосистема всегда пригодится
Есть еще одна разновидность гелиосистемы – летняя плоская открытая. Тот же пластинчатый солнечный коллектор, но пластина с трубками из копеечного пластика, без теплоизоляций и стекла. Эффективно может работать только при высокой температуре наружного воздуха летом.
Такой упрощенной гелиосистемой можно греть воду в бочке, с циркуляцией самотеком, если бочка будет выше коллектора на 0,5 метра и больше. Или греть воду в бассейне, или для нужд дома, но с принудительной циркуляцией.
Причем пластмассовый коллектор греет в 10 раз эффективней, чем просто бочка летнего душа. Так что получить теплый бассейн можно, условно бесплатно. А простейшая система окупится, в сравнении с затратами на топливо, если нагрев делать посредством сжигания чего быто ни было.
Сколько энергии дает солнце
Из вышесказанного ясно, что эффективней всего гелиосистема будет работать летом, когда солнце высоко и солнечного света больше.
В цифрах энергия солнечного света характеризуется для 52 параллели и южнее как: Для июня — около 600 Вт энергии с метра кв. нагреваемой площади за один час.
Зимой же – чуть ли не в десять раз меньше. Для декабря – 80 Вт/м кв. за час.
В межсезонье, что-то среднее – октябрь, апрель – 300 – 350 Вт/м кв.
Но это, как указывалось, — для южных широт. Севернее солнца все меньше, и получаемой энергии значительно меньше.
Что же это значит с практической точки зрения, — что можно нагреть?
Окупается ли солнечный коллектор
Нужно заметить, что пластинчатые коллектора начинаю работать, когда энергия солнца больше 80 Вт/м кв. Т.е. в зимние месяцы плоские практически не работают.
Трубчатые начинают работать от 20 Вт/м2. Следовательно зимой они могут подогревать немного дом.
Простые расчеты показывают, что даже в южном климате (52параллель), если применять гелиосистему для отопления, то солнечный коллектор не окупится. Отопление ведь нужно больше всего зимой, и меньше в межсезонье, — когда солнца меньше всего. Получаемой энергии с метра квадратного – очень мало, ее стоимость не возмещает цену оборудования и за десятки лет, при нынешних ценах на энергоносители.
Но если применять коллектор для горячего водоснабжения, которое нужно и в межсезонье и частично летом, то он может окупиться. Т.е. у нас основной упор должен делаться на включение гелиосистемы в ГВС-схему, для максимального использования энергии солнца. Отопление может подключаться попутно, когда горячая вода уже подготовлена.
Плоский или трубчатый коллектор выбрать
Так же плоский более дешевый. А варианты без теплоизоляции, для лета – копеечные.
Для наших условий, для подготовки ГВС эффективней оказывается плоский коллектор, который вероятно окупится, если до этого на ГВС тратилось не мало топлива.
Но трубчатый, — для любителей экспериментов, также может окупится, учитывая, что он в «хитрой» схеме может еще и отапливать зимой.
Какая площадь коллектора, как использовать
Можно обратить внимание на графики КПД солнечных коллекторов, в зависимости от температуры теплоносителя. Особенно для плоского заметна разница – он отдает больше энергии, пока теплоноситель холодный.
Поэтому для ГВС-схемы делается приоритет гелиосистемы. Сначала она греет воду, затем уже включаются обычные методы нагрева.
Из графиков ясно, что слишком большая площадь коллектора вредна, — из-за перегрева теплоносителя КПД падает, дорогая система большой площади не окупается.
Существуют следующие рекомендации по площади коллекторов гелиосистемы, которая была бы оптимальной по окупаемости с учетом графиков КПД:
Из чего состоит гелиосистема
Сам солнечный коллектор должен размещаться под определенными углами к горизонту – плоскость светоприемника перпендикулярна потоку солнечного света, а также в направлении на юг, возможно с небольшими до 10 град отклонениями или автоповоротом вслед за солнцем.
Крыша должна быть рассчитана на подобную нагрузку с учетом ветра и снега.
Простейшая схема – с самотечной циркуляцией. Коллектор может быть и на крыше, при условии, что бак выше него на 0,5 м для самотечной циркуляции, а трубы в теплоизоляции большого диаметра.
Также в гелиосистему может входить:
Какая цена, что приобрести
Гелиоустановки могут приобретаться как комплект оборудования со схемой подключения и рекомендациями. Они характеризуются определенной мощностью солнечного коллектора, т.е. его площадью.
Так, например, усредненный теплоизолированный пластинчатый коллектор мощностью порядка 2,0 кВт/час (максимальный солнечный свет) обойдется от 150 000 руб. А вот выгодный ли он, окупится ли – нужно считать самостоятельно по расходуемой энергии на ГВС. Но к этой цене нужно добавить еще монтаж и содержание….
Также, планируя расходы на домашнюю гелиосистему, нужно просто учитывать, тот факт, что в Австрии, в не самой теплой европейской стране, на 1000 жителей приходится 450 м кв. гелиосистем. В России этот показатель пока равен 0,2 кв. м. – в 2250 раз меньше. Возможно, настало время изменить этот показатель.
