Система солнечного отопления с рефлекторами, устанавливаемыми с северной стороны здания

Приведена система солнечного воздушного отопления для здания с системой рефлекторов, с водяным аккумулятором тепла на основе пластиковых бутылок. Определены требуемая масса воды, количество пластиковых бутылок и объем аккумулятора тепла.

В настоящее время существует большое разнообразие систем солнечного отопления (ССО). Выбор конструктивного решения ССО определяется многими факторами: радиационно-метеорологическими ресурсами региона, тепло-гидродинамическими и экономическими показателями. Как водяные, так и воздушные ССО имеют положительные и отрицательные стороны. Определяющим фактором использования воздушных ССО, при всех своих недостатках, является их простота и низкая стоимость.

Основной особенностью воздушных систем ССО является то, что тепло должно передаваться от твердого тела воздуху или обратно в трех точках:

- от теплоприемника к воздуху в воздухонагревателе–коллекторе;

- от нагретого воздуха к аккумулятору в период зарядки;

- от аккумулятора воздуху в период разрядки.

При этом определяющими показателями аккумулятора тепла являются:

- высокая теплоемкость;

- большая поверхность теплообмена.

Высокой теплоемкостью обладает вода. Применение воды в воздушных ССО ограничивается необходимостью применения коррозийностоких емкостей, конструктивными трудностями создания больших поверхностей теплообмена.

Большую поверхность теплообмена обеспечивают галечные насадки. Такие насадки позволяют конструктивно компоновать их горизонтально и вертикально в массивах различной формы. При равной энергоемкости галечные аккумуляторы имеют больший объем в 3 раза, чем водяные.

Применение пластиковых бутылок (ПБ), заполненных водой, в качестве теплоаккумулирующих элементов в ССО позволяет совместить свойства воды и галечной насадки: высокую теплоемкость, большую поверхность теплообмена, создание аккумуляторов любой емкости и конфигурации.

Авторами разработана воздушная ССО для здания [2] с водяным аккумулятором тепла на основе ПБ (рис. 1).

Теплопоступления в помещения идут за счет солнечной радиации, поступающей через окна и систему отопления. Режим работы системы солнечного отопления зависит от отопительной нагрузки и количества поступления солнечной радиации.

Рис. 1. Схема системы солнечного отопления:

а – вид в плане; б – поперечный разрез

Рис. 1а. Схема системы солнечного отопления:

фронтальный вид

А и В – опытная и контрольная комнаты; D – тамбур;

Е – аккумуляторное помещение; С – северный светопроем;

Оa и Ob - окна; Д и Д1 – наружная и внутренние двери;

Д2 – двери аккумуляторного помещения; 1, 1л, 1п – рефлекторы;

2 – теплоприемник; 2а – кожух-короб теплоприемника воздухонагревателя; 3 – канал воздуховод; 3а – входной канал; 4а и 4b – обратные (вытяжные) каналы; 5а и 5b – отопительные каналы с обрешеткой в помещениях;

6 – теплоаккумулирующие элементы; 7 – теплоизоляция;

8 – отопительные каналы в аккумуляторе; 9 – дополнительный

источник тепла - калорифер; 10 – вентилятор;

S₃, S_4a, S_4b – шиберы

1. В период инсоляции теплоприемник 2 нагревается за счет поглощения солнечной радиации, поступающей через светопроем С от рефлекторов 1. Теплоприемник со стороны комнаты изолирован кожухом-коробом 2а. Через нижнюю часть короба воздух из комнаты поступает в канал теплоприемника, где он нагревается от теплоприемника 2. Нагретый воздух через воздуховод 3 и входной канал 3а поступает в тепловой аккумулятор Е. В аккумуляторе горячий воздух, проходя сквозь теплоаккумулирующие элементы 6, нагревает их и частично охлаждается. Далее теплый воздух вентилятором 10 через отопительные воздуховоды 8 и обрешетки 5а и 5b подается в помещения. Расход воздуха через теплоприемник регулируется шибером S₃.

Воздух из комнаты А циркулирует через теплоприемник 2, воздуховод 3, входной канал 3а, тепловой аккумулятор Е, отопительные каналы 8 и обрешетку 5а. При этом канал 4а закрыт шибером S_4a. За счет частичного охлаждения циркулирующего горячего воздуха теплоаккумулирующие элементы 6 нагреваются, аккумулируют избытки тепла энергии солнечного излучения.

т_а = т_у F_o = С_т f F_o = 3×50×5,07 = 760 кг. (5)

Определим число ПБ емкостью V_ПБ=1,5 л. Для воды можно принять эквивалентность массы и объема V_ПБ=1,5 л = т_ПБ=1,5 кг.

Требуемое количество ПБ

п_ПБ = т_а / т_ПБ = 760 / 1,5 = 507 шт. (6)

Площадь помещения теплового аккумулятора составляет

F_A = b_A h_A = 1,55×1,35 = 2,1 м² .

При установке ПБ на стеллажах в 4 ряда, число ПБ в каждом ряду

п_ПБ1 = п_ПБ / 4 = 507 / 4 = 126 шт. (7)

Диаметр ПБ емкостью V_ПБ=1,5 л равен d_ПБ = 0,094 м.

Площадь ячейки по горизонтали, приходящейся на одну ПБ, составляет

F_ПБ1 = F_A / п_ПБ1 = 2,1 / 127 = 0,0165 м².

Длина стороны квадратной ячейки

а = = = 0,128 м.

При коридорном расположении ПБ расстояние между ними будет составлять

b= a – d_ПБ = 0,128-0,094 = 0,034 м .

Высота ПБ h_ПБ=0,32 м; толщина стеллажей δ_ст=0,05 м. Тогда высота каждого

слоя ПБ с учетом толщины стеллажей

h_c = h_ПБ + δ_ст = 0,32 + 0,05 = 0,37 м.

Общая высота теплового аккумулятора

H_A = 4 h_c = 4×0,37 = 1,48 м.

Тепловая эффективность теплового аккумулятора будет определяться тепловыми и гидродинамическими показателями, которые устанавливаются на основе гранулометрической характеристики ПБ. Слой ПБ рассматривается как крупнозернистая дисперсная насадка. Воздух из комнаты В через верхний канал 4b поступает в тепловой аккумулятор Е. Проходя через теплоаккумулирующие элементы 6 нагревается и вентилятором 10 через канал 8 и обрешетку 5b подается в помещение. Расход воздуха поступающего из комнаты В регулируется шибером S_4b.

Таким образом, происходит отопление помещений за счет поступающей солнечной энергии.

2. При отсутствии солнечной радиации воздух из помещений через вытяжные каналы 4а и 4b поступает в тепловой аккумулятор. Шибер S₃ закрыт. Воздух, проходя сквозь теплоаккумулирующие элементы, нагревается, за счет аккумулированного тепла. Теплый воздух вентилятором 10 через каналы 8 и обрешетки 5а и 5b подается в помещения. Расход воздуха через помещения регулируется шиберами S_4a и S_4b.

3. При нехватке тепла солнечной энергии воздух циркулирует аналогично режима 2. Воздух нагревается калорифером 9 - дополнительным источником тепла.

Кожух - короб с внутренней стороны имеет теплоизоляцию толщиной 3…5 см. Такая изоляция необходима для устранения теплопотерь и перегрева воздуха в комнате А.

Для снижения теплопотерь от циркулирующего воздуха между наружными стенами и тепловым аккумулятором, а так же отопительными воздуховодами имеется теплоизоляция толщиной 5 см.

Тепловой аккумулятор Е от тамбура D отделен двойными дверями Д2.

В качестве дополнительного дублирующего источника тепла можно использовать электрокалорифер мощность 2 кВт. При использовании газового отопления необходимо установить газо-воздушный калорифер и вытяжную трубу.

В качестве теплоаккумулирующих элементов используются ПБ емкостью 1,5 литра. Заполненные водой они устанавливаются на решетках – стеллажах в 4 ряда.

Определим требуемую массу воды аккумулятора тепла

Площадь поверхности светопроема составляет

F_c = b_c h_c = 1,3×1,3 = 1,69 м² . (1)

Так как в светопроем поступает солнечная радиации от 3 рефлекторов, эквивалентная расчетная площадь остекленной поверхности принимается равной:

F_o = 3F_c = 3×1,69 = 5,07 м² . (2)

Удельная масса и объем теплоаккумулирующих элементов, приходящихся на 1 м² поверхности остекления, определяются коэффициентом замещения f, в зависимости от доли солнечной энергии, покрывающей тепловую нагрузку на отопление. Величина f соответствует процентному снижению расхода тепла от традиционного источника тепла за счет тепла солнечного излучения.

По данным [3] удельные масса т_у и объем V_y теплоаккумулирующих элементов определяются по формулам

т_у = С_т f ; V_y = С_V f ; (3)

где С_т - удельная масса теплового аккумулятора на 1 м² поверхности остекления, кг/(% м²);

С_V - удельный объем теплового аккумулятора на 1 м² поверхности остекления, м³/(% м²).

Значения С_т и С_V определяются видом теплоаккумулирующего материала. Например, для емкости с водой [3]

С_т = 3 кг/(% м²); С_V = 0,003 м³/(% м²); (4а)

для бетона и камня

С_т = 15 кг/(% м²); С_V = 0,075 м³/(% м²). (4б)

Как видно из (4а) и (4б), при прочих равных условиях, масса водяного аккумулятора будет в 5 раз меньше бетонного.

Для рассматриваемого здания принимаем f=50 %. Тогда общая масса водяного аккумулятора тепла будет составлять

Литература:

1. Полиэтилентерефталат. Материал из Википедии. http:wikipedia. Org/wiki, 2007.
2. Имомов Ш. Б., Ким В. Д. Тепловой баланс здания с системой солнечных рефлекторов, устанавливаемых с северной стороны //Гелиотехника, 2008, №3, с. 77-82

3. Масса и место размещения теплоаккумулятора. mensh. ru. 2006