Энергия

СИСТЕМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

До сих пор компоненты системы солнечного кондиционирова­ния помещений рассматривались по отдельности; следующим логическим шагом будет объединение их в систему. Многие пре­дыдущие упоминания системного интегрирования позволят сократить настоящее обсуждение; во всяком случае, более слож­ные вопросы режимов работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха следует отдать на усмотрение инже - нерам-механикам, которые смогут принять проектные решения в соответствии со специфическими требованиями объекта.

Сложность конструкции системы солнечного кондициониро­вания помещений зависит от следующих факторов: профессионального уровня проектировщика; разработки и внедрения нового оборудования; уровня и качества комфорта, которые требует потребитель; числа функциональных задач, которые должна выполнять система;

размера объектов;

величин среднего КПД системы, которые должны быть до­стигнуты.

Простейшие области применения солнечной энергии были рассмотрены выше. Обращенное на юг окно в сочетании с тепло­вой массой здания и изолирующими ставнями является потен­циально самой простой и в то же время наиболее удобной систе­мой солнечного отопления. Также несложными являются термо­сифонные воздушные коллекторы или солнечные водонагрева­тели. В ту же категорию попадают «Скайтерм» Гарольда Хэя, стена из цилиндров Стива Баэра и бетонная стена Тромба-Миче - ла. Простые системы необязательно наиболее эффективные (хотя нередко они достаточно эффективны), но вполне вероятно, что 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 на зиму устанавливать 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 поступает снова в помеще­ние. Вентилятор включается по сигналу разности двух темпера­тур. В процессе работы системы посылающий этот сигнал датчик 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 чув­ствительный 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 аккумулятор тепла для его даль­нейшего использования, то здание должно действовать как кон­тейнер 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 п 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 теплоаккумуляторе. 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. 5.102 кратко описываются четыре 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.

Система усложняется по мере того, как предпринимаются попытки объединить все элементы. Например, в больших уста­новках в целом нежелательно иметь две отдельные системы под­вода тепла: одну для солнечного тепла, а другую для дублирую­щего. Объединение этих двух 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. 5.103 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 не 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 их 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 действие несколько заслонок одновременно. Это обычно означает, что некоторые воздуховоды должны проходить рядом в местах расположения заслонок, а они в свою очередь должны размещаться в линию, чтобы поворачиваться вокруг одной їй той же оси. Привод заслонок может открывать один воз­духовод и одновременно перекрывать другой.

Как уже говорилось выше, жидкостные системы отопления домов на одну семью 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 воздушйой

На рис. 5 104 представлена упрощенная схема такой жидко­стной системы Показано два 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

Следующая система (рис 5 105) кроме основных функций подогревает также воду для хозяйственных нужд, прежде чем она поступает в обычный водонагреватель. На рис. 5.106 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

Если бы солнечное кондиционирование помещений было бы 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 н расширительные баки, необходимые
для различных режимов работы. Например, рис. 5.107 взят из очень хорошей, тщательно продуманной статьи [42] о проекте дома IV Массачусетского технологического института в 1959 г. Многочисленные теплопередающне контуры, клапаны, теплооб­менники и органы управления подробно обсуждаются в статье.

Если в здании установить фотоэлементы, то схема системы станет похожей на рис. 5.108, где изображена схема солнечного дома Института по экономии энергии при университете шт. Де­лавэр. Во многих подобных проектах можно также использовать и энергию ветра.

Пора сказать и о теплообменниках и системах управления. Согласно Даффи и Бекману, теплообменник повышает рабочую температуру коллектора па величину, соответствующую перепа­ду температуры па теплообменнике. Примерно на каждый гра­дус К 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).

Рис. 5.105. Схема комбинированной системы солнечного отопления н 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

Система управления, необходимая для подвода тепла или прохлады к зданию из коллектора, теплоаккумулятора и дубли­рующей системы отопления (или охлаждения), определяется конечными энергетическими потребностями здания. Вообще го­воря, термостат, сигнализирующий о необходимости подачи теп­ла из аккумулятора, может работать на другом температурном уровне по сравнению с обычным термостатом, который включает подвод тепла из дублирующей системы. Например, солнечный термостат можно установить на 21° С, а стандартный термо­стат— на 18,5° С. Если теплоаккумулятор не может поддержи­вать температуру на уровне 2ГС, то включается дублирующая система при падении температуры до 18,5° С. В других случаях отдельный термостат может сам вводить в действие дублирую­щую систему, если в аккумулирующем устройстве не предусмо­трены средства для поддержания температуры.

Управление работой коллектора сравнительно несложно, а обслуживание доступно Как для воздушных, так и для жидкост­ных систем влияние солнечной радиации на температуру кол­лектора можно измерить непосредственно на поверхности теп­лоприемника или на поверхности, аналогичной по своим тепло­вым характеристикам. Другой термочувствительный элемент должен находиться на выходе из аккумулирующего устройства Обычно насос коллектора включается, когда температура-кол­лектора примерно на 3°С превышает температуру аккумуляю-

Рис 5 І07 Отопительная система для дома IV МТИ

1 — контур, включающий коллектор и насос, который работает в периоды солнечного сияния 2 — контур теплообменника насоса и вентиля с электроприводом который кон тролируется термостатом, размещенным в доме 3 — контур вспомогательного нагрева­теля, поток путем естественной циркуляции зимой нагреватель поддерживает темпера­туру бака аккумулятора вместимостью 1050 л в пределах от 57 до 65° С летом нагрева­тель отключен, 4 — контур горячего водоснабжения летом в контур вводится с помощью байпаса нагревательный змеевик в большом баке, 5 — змеевик испарителя (фреон) в холодильнике на 3/4 т, используемого только летом [40], 6 — насос коллектора 7 — до полнительный нагреватель, 8 — обратный клапан 9 — горячая вода, 10 — водоснабжение для дома, холодная вода, 11 — солнечный коллектор площадью 56 м2 12—15 декабря, 13 — 15 июня, 14 — расширительный бак вместимостью до 190 л 15 — теплообменник 16 — воздух, 17 — насос теплообменника, 18 — температура в помещении не более 22° С 19 — контролируемый вентиль с электроприводом VI, 20 — температура в помещении выше 22° С, 21 — бак вместимостью 5700 л, 22 — то же. 1050 л

Рис 5 108 Поперечный разрез сол­нечного дома при университете шт Делавэр, в котором сочетается выра­ботка электроэнергии с помощью фо тоэлементов с солнечным отоплением помещении [331

1—тепло, 2 — электричество 3 — комму­нальная электросеть, 4 — вентилятор. 5 — плита 6 — освещение, 7 — обогреватель 8 — преобразователь постоянного тока в переменный 9 — аккумуляторная батарея, 10 — вспомогательный нагреватель 11 — теплообменник 12 — тепловой аккумуля тор а —основной, б — вспомогательный, 13 — тепловой насос, А — стационарное оборудование постоянного и переменного тока, Б — жилое помещение

Рис 5 1(H) Система угтрабленйя coM&t* ной установкой

1 — датчик в коллекторе 2 — насос или вентилятор, 3 — датчик в тепловом акку муляторе 4 — дифференциальное термо чувствительное реле, 5 *— ручной выклю чатель

ра; для воздушных систем эта разность температур, при которой включается вентилятор, может со­ставить 11° С Задержка по време­ни 5 мин должна учитываться ор­ганами управления, чтобы не до­пустить включения и выключения системы при периодическом сия­нии После того как система начала работать, другая вре­менная задержка гарантирует, что система не отключится, как только теплоноситель из аккумулятора охладит теплоприем­ник не менее чем на 3° С ниже температуры аккумулятора. На рис 5 109 дана основная схема включения дифференциального термочувствительного реле В жидкостных системах может по­требоваться также выключатель, реагирующий на верхий предел температуры и предупреждающий повышение давления жидко­сти в трубах до неконтролируемого уровня

Важнейшим в решении трудной задачи оптимизации кон­струкции системы солнечного отопления является сравнение рабочих характеристик и стоимости. Эффективность работы си­стемы измеряется количеством энергии, которое система может выработать, или же что то же самое — сэкономить при сравне­нии с традиционным вариантом в течение года; сравнение затрат производится по стоимости этой энергии и дополнительным рас­ходам, связанным с получением этой энергии

Рабочие характеристики нескольких систем солнечного теп­лоснабжения приведены в таблицах и на рис. 5 ПО. Первая таб­лица относится к дому д-ра Лефа, построенному в 1945 г в Боул­дере, шт. Колорадо. За первый сезон работы коллектор общей площадью 43 м2 сэкономил около 2Ы06 кДж Вероятно, что усовершенствование установки п большая равномерность ее ра­боты способствовали бы значительно большей экономии, воз­можно, до 851 800 кДж/м2 коллектора за сезон Доктор Леф определил свои затраты в то время в размере 10,7 долл за 1 м2 коллектора.

В табл. 18 приведены рабочие характеристики и эксплуата­ционные расходы для системы солнечного отопления помещений дома Доновэн и Блисса на «Дезерт Грасслэнд Стейшн», постро­енного в 1954 г. Они установили, что коллектор воздушного типа площадью около 30 м2 может экономить более 14,8 -106 кДж в

Затраты на злекіроаперіию для рабош отопительной системы зимой со стазляюі 14,3 долл, расчетная стоимосіь электроэнериш без использования солнечной установки равна 9,6 долл

на работу насосов, компрессора, органов управления и вентиля­торов. В табл. 19 приведены некоторые эксплуатационные харак­теристики этой системы. Также в течение отопительного сезона 1959/60 гг. коллектор жидкостного типа площадью 60 м2 дома IV Массачусетского технологического института собрал более 40 млн. кДж тепловой энергии на отопление, а на приготовление горячей воды —около 34,5 млн. кДж. За десять лет до этого дом III МТИ получал 680—800 тыс. кДж с 1 м2 коллектора за сезон по сравнению с 630 тыс. кДж для этого дома. На рис. 5.111 сведены эксплуатационные данные коллектора.

Об экономике систем солнечного теплоснабжения. Из дейст­вительного количества энергии, сэкономленного ранее построен­ными системами, следует, что особую осторожность нужно про­являть при определении параметров системы, так чтобы первона-

чальная стоимость 1 м2 коллектора не была непомерно высока При проектировании обычной системы отопления инженеру не требуется соблюдать особую точность при определении ее раз­меров и первоначальной стоимости, потому что наиболее значи­

тельную часть в постоянных годовых затратах занимает стои­мость топлива. К сожалению, система солнечного отопления не снабжает бесплатным теплом; первоначальные капиталовложе­ния довольно высоки и зависят от количества составных частей системы и конструктивных вариантов каждого элемента.

Несмотря на быстрорастущие цены на топливо, стоимость строительства сложной солнечной энергетической системы явля­ется одним из факторов, препятствующих ее широкому распро­странению. Вообще говоря, чем сложнее система, тем она доро­же. Обычно, но не всегда, повышение общего сезонного КПД сопровождает увеличение стоимости. Этот КПД здесь определя­ется как отношение уловленной и использованной солнечной энергии к полной инсоляции коллектора.

Сезонный КПД в 60% считается исключительным и требует в результате инженерного расчета такого оборудования, приме­нение которого доводит стоимость системы в расчете на 1 м2 коллектора до 270—430 долл (затраты на всю систему солнеч­ного теплоснабжения сверх стоимости обычной системы) Такая конструкция может сэкономить 2 839 000 кДж на 1 м2 коллектора в год при допущении его круглогодичного использования п пра­вильности расчета с учетом климата

Общий КПД в 50% является отличным; при этом стоимость, приведенная на 1 м2 коллектора, будет на 5—10 долл, ниже, чем
в случае исключительной системы. КПД в 40% является дости­жимым и, по-видимому, типичен для большинства объектов, по­строенных в 70-е годы. Стоимость этих систем составляет от 160 до 270 долл, на 1 м2 коллектора. КПД в 30% несколько меньше, чем у дома IV МТИ в 1959 г., - сравнительно легко достижим. Стоимость таких систем может составить 110—220 долл, на 1м2 коллектора.

Вертикальный комбинированный коллектор-аккумулятор ра­ботает с общим сезонным КПД в 25—50%. Стоимость его за 1 м2 составляет на 50—130 долл, больше стоимости заменяемой им стены. Характеристики окон меняются в широких пределах, но можно добиться экономии более 1 млн. кДж на 1 м2 поверх­ности при применении правильно сконструированных изолирую­щих ставней.

Ни одно обсуждение затрат на солнечную энергию не может быть полным без упоминания огромной работы, проделанной на ЭВМ д-ром Джорджем Лёфом и д-ром Ричардом Тибу. Резуль­таты их работы хорошо отражены в литературе [28, 29] и заслу­живают внимания любого, кто серьезно заинтересован в стои­мостных сравнениях. В табл. 20 в сжатом виде приведены ре­зультаты исследований, в которых сравнивалась стоимость сол­нечного отопления и охлаждения со стоимостью альтернативных видов топлива по восьми разным городам США.

Наклон коллектора равен широте (за исключением Майами, где широта 10°). Оптимальный критерий — солнечное тепло при наименьших издержках для комбинированного использования, в том числе для приготовления горячей воды. Стоимость коллектора 21,50 долл/м2.

Стоимость аккумулятора 11 центов на 1 кг воды.

Другие постоянные расходы 375 долл, за систему.

Кондиционер стоит на 1000 долл, дороже обычного.

Коэффициент эффективности абсорбционного охладителя 0,6.

Амортизация за 20 лет—8% годовых.

Потребность в отоплении большого дома равна 0,55 (/а=18) кВт-|-0,305 кВт на нагрев воды.

терес представляют их выводы относительно размеров коллекто­ра в зависимости от процента отопительной нагрузки, обеспечи­ваемой солнечной энергией. Для домов с одинаковыми тепловы­ми характеристиками (потеря тепла 26 375 кДж на 1 град-день) коллекторы одного размера обеспечили 70% потребности в Фи­никсе, пп. Аризона, п 55% в Чарльстоне, шт. Южная Каролина. Коллектор увеличенного на 65% размера обеспечил только 40% отопительной нагрузки в Бостоне.

Моделирование при помощи ЭВМ. Большой шпсрес при рас­чете экономит энергии за счет использования солнечной энергии представляет применение ЭВМ для моделирования влияния различных расчетных параметров. Сложная природа постоянно меняющейся погоды наряду с увеличением сложности систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в зданиях заставила обратиться к разработке программ для ЭВМ в обла­сти процессов моделирования.

Работа по анализу издержек, выполненная Тибу и Лёфом, была среди первых по интенсивному использованию машинного моделирования в области использования солнечной энергии. С тех пор использование ЭВМ значительно возросло: работа выполняется многими организациями, в том числе университетом шт. Висконсин (программа TRNSYS), университетом шт. Коло­радо (программа SIMSHAC), Национальным бюро стандартов, университетом шт. Пенсильвания, фирмой «Ханиуэлл» и НАСА. Постоянно составляются новые, более совершенные программы. Наиболее полное рассмотрение применения ЭВМ в области сол­нечной энергии в 1974 г. приводится в статье Дж. Л. Уилсона, опубликованной в январском номере журнала «ASHRAE Journals за 1975 г. [44].

Почти все крупные здания, использующие солнечную энер­гию, проектируются и строятся в настоящее время с предвари­тельным машинным моделированием. Несколько жилых домов также подвергаются моделированию для получения реальных технических характеристик с целью их сравнения с характери­стиками, выданными ЭВМ.