4 схеми за отопляване със слънчева енергия

Слънчевата енергия може да се използува и за отопление след подходящо преустройство на системата за загряване на вода за домакински нужди. Едно домакинство има нужда от гореща вода през цялата година. Ето защо системата за загряване на вода със слънчева енергия е рентабилна и през лятото. Освен това водата за домакински нужди обикновено се затопля (поне така е през лятото), като се използува най-скъпият енергоносител — електричеството. При това положение е разумно да се вложат средства в инсталация, която не само ще работи през цялата година, но и няма да използува тази най-скъпа форма на енергията

Ако разполагаме с инсталация за затопляне на вода, която може да се използува за отопление, слънчевата енергия трябва да се оползотворява изцяло, когато е в достатъчно количество. Когато количеството й е недостатъчно, се използва отчасти слънчева и отчасти традиционна енергия. Последната се използва във всички случаи, когато няма слънчева енергия.

На фиг. 1 е показана автоматизирана система за отопление с просто устройство. Тя се различава малко от системата за загряване на въздух, описана в главата за колекторите. Под въздушния колектор има допълнителен канал, разположен така, че входът и изходът на въздушния поток са близо един до друг. Устройството се монтира от външната страна на сградата, точно под прореза, нарочно направен в стената. Прорязването на стената може да се избегне, ако уредбата се монтира под някой прозорец или под съществуващ вентилационен отвор.

^{Фиг 1 със схема 1. Това е най-простият начин за отопление на жилище със слънчева енергия. Студеният въздух навлиза през отвора А, разположен на пода, постъпва във въздухонагревателя Б, където се нагрява от слънчевата топлина, и продължава към В.}

^{1 – стени на сградата; 2 – изход; 3 – новият вход е близо до изхода; 4 – път на въздуха; 5 – опора; 6 – земя; 7 – предишен вход}

При изпълнението на тези преустройства вероятно ще ви бъдат полезни и следните указания:

1. Излизащият от стаята хладен въздух ще се нагрява по-ефективно, ако се постави топлинна изолация под въздушния канал от т. Д до т. Е

2. Топлинната ефективност на уредбата се подобрява, ако тя е предпазена от ветровете (всъщност това е необходимо за всеки колектор). Предлагаме опорите да имат триъгълна форма, за да блокират пътя на въздушните течения под уредбата.

3. Отражателните листове (например от метализирана пластмаса) може да увеличат полезната площ на колектора до два пъти. Те се поставят на стената над уредбата или на земята под нея под такъв ъгъл, че да бъдат максимално ефективни през зимните месеци.

4. Може да се получи модифициран вариант на първата схема, като се направи втори прорез в стената в т. Ж. Това дава възможност да се скъси пътят до входа на нагревателя в т. Б и да се намалят размерите на първоначалния прорез в стената. При това положение въздушният канал Д, Е и З се елиминира и въздушният поток се движи в посока Ж, Б и В.

Втората отоплителна схема (фиг. 2) е разработена на основата на схема 1 и предлага толкова много възможности, че те умишлено не се описват. След като разгледате добре схемата, обмислете следните варианти:

— с воден или въздушен колектор;

— с акумулатор с вода, камъни, с фазово превръщане или без акумулатор;

— с отражатели, поставени на стената, на земята или на двете места, или без отражатели.

Само от тези три групи решения могат да се комбинират 32 системи, без да се смятат различните видове водни колектори. За изобретателя наистина има голямо поле за действие.

^{Фиг. 2 със схема 2, но това е по-скоро идея, отколкото истинска схема. Колекторът лесно се монтира на стената и външният му вид не прави лошо впечатление. Удобно е разположението на акумулатора върху пода, тъй като достъпът до него е улеснен.}

^{1 – стена на сградата; 2 – топлина към помещенията; 3 – топлинен акумулатор; 4 – охладен въздух; 5 - колектор}

Третата схема е показана на фиг. 3. С нея се връщаме към по-познат вариант, при който се използуват водни колектори. Системата се състои от колектор, радиатор-акумулатор и циркулационна мрежа, предназначена да доставя топлина за жилището. Слънчевата отоплителна система не е свързана със системата за гореща вода за домакински нужди, но е косвено свързана с традиционната отоплителна система. Когато системата, използваща слънчева енергия, е затоплила дадено помещение, термостатът, контролиращ температурата му, изключва традиционната отоплителна система. В това се изразява косвената връзка между двете системи.

При третата схема колекторът е свързан с помпа и два чувствителни елемента, които командват. Топлината постъпва в резервоар с вода, който изпълнява функциите на акумулатор и отоплително тяло за помещението. За да се оползотвори системата най-добре, е необходимо радиаторът-акумулатор да се включи в интериора, като се монтира в средата на отопляваното пространство на равнището на пода или по-ниско. Ако се осъществи това, инсталацията ще поеме максимално количество топлина от покрива и ще я подаде в центъра на жилището. На фиг. 3 резервоарът е поставен на мястото на стара камина. Срещат се и други варианти за монтиране на резервоара: под дъските на пода; в шкаф или мазе; триъгълен резервоар, разположен в един от ъглите; дълъг резервоар, оформен като ракла до прозореца, или комбинация от тези варианти. Обикновено резервоарът-акумулатор е вграден и добре изолиран, за да задържа топлината, която при необходимост от затопляне на помещението се подава чрез отваряне на клапан или пускане на вентилатор.

^{Фиг. 3 със схема 3. Това е най-простият начин за събиране на слънчевата топлина от покрива с цел да се използва за отопление. Радиаторът-акумулатор е разположен на мястото на стара камина.}

^{1 – колектор; 2 – чувствителен елемент 1; 3 – чувствителен елемент 2; 4 – радиатор-акумулатор; 5 – помпа; 6 – командно устройство за помпата}

Сега ще се спрем на оразмеряването на колектора и резервоара-акумулатор. Обемът на резервоара трябва да бъде съобразен както с жилищното пространство, така и с потребностите от отопление. Един кубичен метър е по-малко от обема, който заема масивен фотьойл, и този обем е подходящ за среден резервоар. Нека си припомним, че той ще поеме 1000 литра вода с маса 1000 kg.

Един кубичен метър вода може да поеме и съхрани 1 kWh енергия при повишаване на температурата само с 0,85° С. И обратно, за всеки киловатчас използувана енергия температурата на водата в акумулатора ще спадне почти с 1° С. Ако за отопляването на дадено помещение е необходима мощност 6 kW, температурата на водата в акумулатора ще спадне с 5,1°С на час.

Най-ниската температура, до която може да допуснем да се охлади водата в резервоара с оглед използуването й като топло-носител, е 25° С. Това е началната температура на зареждането на акумулатора. Като вкараме 84 kWh енергия, температурата на топлоносителя ще се повиши на 96° С, което е малко под температурата на кипенето. Това е солидно количество натрупана енергия, тъй като мощност от 6 kW може да се използува в продължение на 4 часа. Но тъй като само през лятото може да се очаква температурата на водата в резервоара да стигне до 96° С, по-реална максимална температура е 60° С. За да стигне тази температура при начална 25° С, водата в резервоара ще трябва да акумулира 41 kWh енергия, която ще отдаде за около 7 часа. при консумация 6 kW. 

Това е добро постижение за 1 m3, което може да ни окуражи за удвояване на този обем. Ако използваме същото количество камъни вместо вода (при 30 % празно пространство), ще акумулираме само 40% от тази енергия. Това значи, че за акумулирането на 1 kWh каменната маса от 2000 kg, заемаща обем 1 m3, трябва да повиши температурата си с 2,1° С.

^{Реклама на американски слънчев водонагревател от 1902 г.}

Сега ще се спрем на оразмеряването на колектора. Kоличеството на енергията, уловена от колектора, зависи от географското положение на района. Ако събираме енергия при умерените ширини (около 40°), ефективността на колектора е около 60 %. Това значи, че ако попадналата върху колектора енергия е 4 kWh на 1 m2 площ дневно, в резервоара ще постъпят само 2,4 kWh. При 60° ширина ефективността на колектора ще бъде малко повече от 50 %, при което само 2 kWh ще се усвояват от всеки квадратен метър площ на колектора. Ако са Ви необходими дневно 9 kWh за отопляването на една стая през зимата, а при вашето географско положение 1 m2 ог колектора получава само 3 kWh през зимните месеци, при 50% ефективност ще имате нужда от колектор с площ 6 m2. На практика е необходимо да се осигури значително по-голям приток на топлина, от който да се компенсира текущото изразходвано количество и да се създаде резерв от топлина за лошо време. Ето защо изходната площ на колектора трябва още да се увеличи. Добре е също да се предвиди поне още 10 % увеличение за някои непредвидени загуби и да се остави достатъчно място за прибавяне на допълнителни колекторни секции. Общият критерий за максималната площ на колектора е следният: тя да е равна на половината от общата подова площ на жилището за зони с умерен и на една трета за зони с горещ климат.

Другият общ критерий е свързан с обема на акумулатора за съхраняване на топлина. Смята се, че трябва да се осигурят 100 литра вода за всеки квадратен метър площ от колектора при умерен и 50 литра при горещ климат.

^{Фиг. 4 със схема 4. В този апартамент радиаторът-акумулатор 1 е разположен на височината на тавана. Топлината, уловена от колектора на балкона 2, се пренася по естествен път.}

Четвъртата схема е разработена още през 80-те г. от голяма японска корпорация с оглед отопляването на самостоятелни апартаменти в Токио със слънчева енергия (фиг. 4). Това е термосифонна система, използувана преди това за получаване на гореща вода. 

Основната идея е подобна на тази, заложена в схема 2, но особената форма на апартаментите не дава възможност да се използва помпата. За тези апартаменти, които нямат балкони, колекторът се закрепва към стената.

Ясно е, че съществуват различни размери и изпълнения на елементите в зависимост от съответните условия. Разгледаните схеми 3 и 4 са прости и не затрудняват действието на другите системи в» жилището. Те имат и една не толкова очебийна особеност: след като се зареди акумулаторът, инсталацията има 100% ефективност, тъй като топлината може "да избяга" само в жилището.

Антон Оруш, Sandacite.bg – http://www.sandacite.bg

Източници:

Howell, Derek – Your Solar Energy Home. Oxford, Pergamon Press.

Още по темата

28/01/2016

Физика

Стари американски акумулатори за слънчева енергия

23/01/2016

Човекът

Как в САЩ преди 50 г. събираха слънчева енергия