أنظمة التدفئة الشمسية. تدفئة شمسية موثوقة لمنزل خاص. مخطط توصيل البطارية الشمسية
يتم تقسيم أنظمة التدفئة على النحو التالي: سلبية (انظر الفصل 5) ؛ نشطة ، والتي تستخدم في الغالب مجمعات الطاقة الشمسية السائلة وخزانات التخزين ؛ مجموع.
في الخارج ، تُستخدم أنظمة تسخين الهواء على نطاق واسع ، حيث تُستخدم هياكل المباني أو حشو الأحجار الخاصة تحتها كبطاريات. في بلدنا ، يعمل المعهد الفيزيائي التقني التابع لأكاديمية العلوم في SSR الأوزبكية و TbilZNIIEP في هذا الاتجاه ، ومع ذلك ، من الواضح أن نتائج العمل غير كافية ولم يتم إنشاء حلول تصحيح الأخطاء ، على الرغم من أن أنظمة الهواء من الناحية النظرية أكثر كفاءة من تلك السائلة ، حيث يتكون نظام التدفئة نفسه من لوحة ذات درجة حرارة منخفضة مشعة أو ذات درجة حرارة عالية مع أجهزة تسخين تقليدية. في بلدنا ، تم تطوير المباني ذات الأنظمة السائلة بواسطة IVTAN و FTI AN UzSSR و TashZNIIEP و TbilZNIIEP و KievZNIIEP و الآخرينوفي بعض الحالات أقيمت.
تم تقديم قدر كبير من المعلومات حول أنظمة التدفئة الشمسية النشطة في كتاب نُشر عام 1980. يصف ما يلي مبنيين سكنيين فرديين طورتهما KievZNIIEP ، تم بناؤهما واختبارهما باستخدام أنظمة التدفئة الشمسية المستقلة: مع نظام تدفئة مشع للوحة منخفضة الحرارة (مبنى سكني في قرية Kolesnoye ، منطقة أوديسا) ومضخة حرارية ( مبنى سكني في قرية بوكوريا ، مولدوفا الاشتراكية السوفياتية).
عند تطوير نظام تدفئة بالطاقة الشمسية لمبنى سكني بالقرية. Kolesnoe ، تم إجراء عدد من التغييرات على الجزء المعماري والبناء من المنزل (مشروع UkrNIIPgrazhdanselskstroy) ، بهدف تكييفه مع متطلبات إمدادات الحرارة الشمسية: تم استخدام البناء الفعال مع عزل الجدران الخارجية والزجاج الثلاثي لفتحات النوافذ ؛ يتم دمج ملفات نظام التدفئة مع الأسقف الداخلية ؛ يتم توفير قبو لوضع المعدات ؛ تم إجراء عزل إضافي في العلية واستعادة حرارة هواء العادم.
من حيث الهندسة المعمارية والتخطيط ، يتكون المنزل من مستويين. يوجد في الطابق الأول غرفة أمامية وغرفة مشتركة وغرفة نوم ومطبخ وحمام وغرف تخزين ، وفي الطابق الثاني غرفتين نوم وحمام وموقد كهربائي للطهي. توجد معدات نظام التدفئة الشمسية (باستثناء المجمعات) في الطابق السفلي ؛ تعمل سخانات المياه الكهربائية كبديل للنظام ، مما يجعل من الممكن تنفيذ مدخل طاقة واحد للمبنى وتحسين الصفات المريحة للسكن.
نظام التدفئة الشمسية للمباني السكنية (الشكل 4.1)مكون من عندثلاث دوائر: الدورة الدموية المستقبلة للحرارة ودوائر التدفئة والماء الساخن. أولها يشمل سخانات المياه بالطاقة الشمسية ، مبادل حراري ملفي لخزان التخزين ، مضخة الدورة الدمويةومبادل حراري أنبوب في أنبوب لتشغيل النظام فيه وقت الصيففي وضع الدورة الدموية الطبيعية. يتم توصيل المعدات عن طريق نظام من خطوط الأنابيب مع التركيبات والأجهزة وأجهزة التشغيل الآلي. يتم تركيب مبادل حراري ذو ملفين من قسمين بمساحة سطح 4.6 م 2 للناقل الحراري لدائرة الدوران ومبادل حراري أحادي القسم بمساحة سطح 1.2 م 2 لنظام إمداد الماء الساخن في خزان تخزين بسعة 16 م 3. توفر السعة الحرارية للخزان بدرجة حرارة ماء +45 درجة مئوية متطلبات حرارة لمدة ثلاثة أيام لمبنى سكني. يوجد مبادل حراري من النوع الأنبوبي في الأنبوب بمساحة 1.25 متر مربع تحت حافة سقف المنزل.
تتكون دائرة التسخين من قسمين متصلين بالسلسلة: لوحة مشعة مع ألواح تسخين مضمنة تضمن تشغيل النظام في الوضع الأساسي مع اختلاف في درجة حرارة الماء يبلغ 45 ... 35 درجة مئوية ، والأنبوب الفردي الرأسي مع مسخنات من النوع "Comfort" توفر تسخينًا لأحمال النظام القصوى مع اختلاف في درجة حرارة الماء يبلغ 75 ... 70 درجة مئوية. يتم تضمين ملفات أنابيب ألواح التسخين في طبقة التشطيب بالجبس من الألواح المستديرة المجوفة من السقف. يتم تثبيت المسخنات تحت النوافذ. يعتبر الدوران في نظام التدفئة حافزًا. يتم تسخين المياه الذروة بواسطة سخان مياه كهربائي متدفق EPV-2 بقوة 10 كيلو واط ؛ كما أنها تعمل كبديل لنظام التدفئة.
تشتمل دائرة الماء الساخن على مبادل حراري مدمج في خزان التخزين وسخان ماء كهربائي ثاني فوري كنظام أقرب ونظام احتياطي.
خلال فترة التسخين ، يتم نقل الحرارة من المجمعات بواسطة المبرد (محلول مائي 45٪ من الإيثيلين جلايكول) إلى الماء الموجود في خزان التخزين ، والذي يتم ضخه إلى ملفات لوحة التسخين ، ثم إعادته مرة أخرى إلى المخزن خزان.
يتم الحفاظ على درجة حرارة الهواء المطلوبة في المنزل بواسطة المنظم الأوتوماتيكي PRT-2 عن طريق تشغيل وإيقاف سخان المياه الكهربائي في قسم المسخن في نظام التدفئة.
في الصيف ، يوفر النظام احتياجات إمداد الماء الساخن من مبادل حراري من نوع "الأنبوب في الأنبوب" مع الدوران الطبيعي للمبرد في دائرة استقبال الحرارة. يتم الانتقال إلى تداول الحوافز بمساعدة منظم تفاضلي إلكتروني РРТ-2.
نظام التدفئة بالطاقة الشمسية لمبنى سكني من أربع غرف في القرية. تم تصميم بوكوريا من جمهورية مولدوفا الاشتراكية السوفياتية من قبل معهد Moldgiprograzhdanselstroy تحت التوجيه العلمي لـ KievZNIIEP.
مبنى سكني - نوع منحدرة. يوجد في الطابق الأول غرفة مشتركة ومطبخ وغرفة غسيل وغرفة منافع وفي الطابق الثاني يوجد ثلاث غرف نوم. يوجد في الطابق السفلي جراج ، قبو هو أيضًا غرفة لتجهيز نظام التدفئة الشمسية. مبنى خارجي مسدود بالمنزل ، والذي يتضمن مطبخًا صيفيًا ودشًا وسقيفة وجردًا وورشة عمل.
نظام التسخين الشمسي المستقل (الشكل. 4.2) عبارة عن وحدة مضخة حرارية شمسية مجمعة مصممة لتلبية احتياجات التدفئة (فقدان الحرارة المحسوب للمنزل هو 11 كيلو وات) وإمدادات المياه الساخنة على مدار العام. يتم تغطية نقص الحرارة الشمسية والحرارة من ضاغط تركيب المضخة الحرارية بالتدفئة الكهربائية. يتكون النظام من أربع دوائر: دائرة دوران تستقبل الحرارة ، دوائر تركيب مضخة حرارية ، تدفئة وإمداد ماء ساخن.
تشتمل معدات دائرة استقبال الحرارة على مجمعات شمسية ومبادل حراري "أنبوب في أنبوب" وخزان تخزين بسعة 16 م 3 مع مبادل حراري مدمج فيه بمساحة 6 أمتار مربعة. مجمعات الطاقة الشمسية من تصميم KievZNIIEP بزجاج مزدوج الطبقة بمساحة إجمالية 70 مترًا مربعًا موضوعة في إطار على المنحدر الجنوبي لسطح المنزل بزاوية 55 درجة في الأفق. 45 كمبرد. ٪محلول مائي من جلايكول الإيثيلين. يقع المبادل الحراري تحت حافة السطح ، ويقع باقي المعدات في الطابق السفلي من المنزل.
تعمل وحدة التبريد بتكثيف الضاغط AK1-9 مع خرج حراري 11.5 كيلو وات واستهلاك طاقة 4.5 كيلو وات كوحدة مضخة حرارية. العامل العامل لتركيب المضخة الحرارية هو الفريون -12. الضاغط - مكبس بدون غلق ، مكثف ومبخر - غلاف وأنبوب مع تبريد مائي.
تشتمل معدات دائرة التسخين على مضخة دورانية ، أجهزة التدفئةاكتب "كومفورت" سخان المياه الكهربائي المتدفق EPV-2 كباب أقرب وبديل. تشتمل معدات دائرة إمداد الماء الساخن على سخان مياه من النوع STD سعوي (0.4 م 3) بسطح مبادل حراري 0.47 م 2 وسخان كهربائي طرفي BAS-10 / M 4-04 بقوة 1 كيلو وات. مضخات الدوران لجميع الدوائر من النوع TsVTs ، بدون غدد ، عمودية ، منخفضة الضوضاء ، بدون أساس.
ويعمل هذا النظام على النحو التالي. المبرد ينقل الحرارة من المجمعات إلى الماء في خزان التخزين وإلى الفريون في المبخر مضخة الحرارة. يتكثف الفريون البخاري بعد الضغط في الضاغط في المكثف ، أثناء تسخين الماء في نظام التسخين و ماء الصنبورفي نظام الماء الساخن.
في حالة عدم وجود الإشعاع الشمسي واستهلاك الحرارة المخزنة في الخزان ، يتم إيقاف تشغيل وحدة المضخة الحرارية ويتم توفير التدفئة للمنزل بالكامل من سخانات المياه الكهربائية (الغلايات الكهربائية). في فصل الشتاء ، تعمل وحدة المضخة الحرارية فقط عند مستوى معين من درجات الحرارة الخارجية السلبية (لا تقل عن -7 درجة مئوية) من أجل منع تجمد الماء في خزان التخزين. في الصيف ، يتم تزويد نظام إمداد الماء الساخن بالحرارة بشكل أساسي مع الدوران الطبيعي لسائل التبريد من خلال مبادل حراري "أنبوب في الأنبوب". نتيجة لتنفيذ أوضاع التشغيل المختلفة ، يسمح تركيب مضخة حرارية شمسية مشتركة بتوفير حرارة تبلغ حوالي 40 جيجا جول / سنة (ترد نتائج تشغيل هذه التركيبات في الفصل الثامن).
انعكس مزيج الطاقة الشمسية والمضخات الحرارية أيضًا في المعدات الهندسية التي طورتها TsNIIEP
|
أرز. 4.3. مخطط الرسم البيانيأنظمة التدفئة في Gelendzhik 1 - مجمع الطاقة الشمسية 2 - إعادة تسخين المبادل الحراري مع ناقل الحرارة من دائرة المكثف لمضخات الحرارة ؛ 3 - إعادة تسخين المبادل الحراري مع ناقل الحرارة من شبكة التدفئة ؛ 4 - مضخة دائرة المكثف ؛ 5 - مضخة الحرارة؛ 6 - مضخة دائرة المبخر. 7 - مبادل حراري لتسخين (تبريد) الماء في دائرة المبخر (المكثف) ؛ 8 - مبادل حراري لتسخين مياه المصدر (الخام) ؛ 9 - مضخة الماء الساخن 10 - خزانات البطارية 11 - مبادل حراري للدائرة الشمسية ؛ 12 - مضخة الدائرة الشمسية |
مشروع إمداد حراري للمجمع الفندقي "Privetlivy Bereg" في Gelendzhik (الشكل 4.3).
أساس تركيب المضخة الحرارية الشمسية هو: مجمعات شمسية مسطحة بمساحة إجمالية تبلغ 690 م 2 وثلاثة منتجة بشكل متسلسل آلات التبريد MKT 220-2-0 تعمل في وضع المضخة الحرارية. يقدر توليد الحرارة السنوي بحوالي 21000 جيجا جول ، بما في ذلك 1470 جيجا جول من محطة الطاقة الشمسية.
تعمل مياه البحر كمصدر حرارة منخفض الدرجة لمضخات الحرارة. لضمان تشغيل خالي من التآكل وخالٍ من المقاييس لأسطح التسخين للمجمعات وخطوط الأنابيب والمكثفات ، يتم ملؤها بالمياه المخففة وغير الغازية من شبكة التدفئة. بالمقارنة مع المخطط التقليدي للإمداد الحراري من منزل المرجل ، فإن مشاركة مصادر الحرارة غير التقليدية هي
تتيح لك الشمس ومياه البحر توفير حوالي 500 طن من الوحدات التقليدية. وقود / سنة.
مثال مميز آخر على استخدام مصادر الطاقة الجديدة هو مشروع الإمداد الحراري لمنزل مانور بمساعدة
تركيب المضخات الحرارية الشمسية. يوفر المشروع الإرضاء الكامل على مدار العام لاحتياجات التدفئة وإمدادات المياه الساخنة لمنزل منحدرة من النوع الذي يحتوي على مساحة معيشة تبلغ 55 مترًا مربعًا. تعمل التربة كمصدر منخفض الاحتمال للحرارة لمضخة الحرارة. التأثير الاقتصادي المقدر من إدخال النظام 300 روبل على الأقل. لكل شقة مقارنة بالخيار التقليدي للتدفئة من جهاز الوقود الصلب.
بناءً على استخدام التركيبات الشمسية ، مشاكل التدفئة والتبريد وإمداد المياه الساخنة للمباني السكنية ، المباني الإداريةوالمنشآت الصناعية والزراعية. تصنف محطات الطاقة الشمسية على النحو التالي:
- عن طريق التعيين: أنظمة إمداد الماء الساخن ؛ أنظمة التدفئة؛ التركيبات المدمجة لأغراض التدفئة والتبريد ؛
- حسب نوع المبرد المستخدم: سائل ؛ هواء؛
- حسب مدة العمل: على مدار السنة ؛ موسمي؛
- وفقًا للحل الفني للمخطط: دائرة واحدة ؛ دائرة مزدوجة متعدد الحلقات.
وسائط نقل الحرارة الأكثر استخدامًا في أنظمة التسخين بالطاقة الشمسية هي السوائل (الماء ، محلول الإيثيلين جليكول ، المواد العضوية) والهواء. كل منهم له مزايا وعيوب معينة. الهواء لا يتجمد ولا يخلق مشاكل كبيرةالمرتبطة بالتسريبات وتآكل المعدات. ومع ذلك ، نظرًا لانخفاض كثافة الهواء وسعة الحرارة ، وحجم منشآت الهواء ، فإن استهلاك الطاقة لضخ المبرد أعلى من استهلاك الأنظمة السائلة. لذلك ، يفضل استخدام السوائل في معظم أنظمة التدفئة الشمسية العاملة. للإسكان والاحتياجات المجتمعية ، المبرد الرئيسي هو الماء.
عندما تعمل مجمعات الطاقة الشمسية خلال فترات ذات درجات حرارة خارجية سلبية ، فمن الضروري إما استخدام مانع التجمد كمبرد ، أو تجنب تجميد المبرد بطريقة ما (على سبيل المثال ، عن طريق تصريف المياه في الوقت المناسب ، وتسخينها ، والعزل جامع الطاقة الشمسية).
يمكن تجهيز محطات تسخين المياه بالطاقة الشمسية التي تعمل على مدار العام مع مصدر احتياطي للحرارة بمنازل من النوع الريفي ومباني متعددة الطوابق وشقق سكنية ومصحات ومستشفيات ومرافق أخرى. عادة ما تعمل التركيبات الموسمية ، مثل ، على سبيل المثال ، منشآت الاستحمام لمعسكرات الرواد ، والمنازل الداخلية ، والمنشآت المتنقلة للجيولوجيين ، والبناة ، والرعاة ، في الصيف والأشهر الانتقالية من العام ، خلال الفترات ذات درجة الحرارة الخارجية الإيجابية. قد يكون لديهم أو لا يكون لديهم مصدر حرارة احتياطي ، اعتمادًا على نوع المنشأة وظروف التشغيل.
يمكن أن تتراوح تكلفة تركيبات المياه الساخنة بالطاقة الشمسية من 5 إلى 15٪ من تكلفة الكائن وتعتمد على الظروف المناخية وتكلفة المعدات ودرجة تطورها.
في الأنظمة الشمسية المصممة لأنظمة التدفئة ، يتم استخدام كل من السوائل والهواء كناقلات حرارية. في الأنظمة الشمسية متعددة الدوائر ، يمكن استخدام وسائط تسخين مختلفة في دوائر مختلفة (على سبيل المثال ، الماء في الدائرة الشمسية ، والهواء في دائرة التوزيع). في بلدنا ، يتم استخدام منشآت المياه بالطاقة الشمسية للتدفئة في الغالب.
عادةً ما تكون مساحة سطح المجمعات الشمسية المطلوبة لأنظمة التدفئة 3-5 أضعاف مساحة سطح المجمعات لأنظمة الماء الساخن ، وبالتالي فإن معدل استخدام هذه الأنظمة أقل ، خاصة في فصل الصيف. يمكن أن تكون تكلفة تركيب نظام التدفئة 15-35٪ من تكلفة الجسم.
يمكن أن تشمل الأنظمة المدمجة تركيبات على مدار العام للتدفئة وإمدادات المياه الساخنة ، فضلاً عن التركيبات التي تعمل في وضع المضخة الحرارية وأنبوب الحرارة لأغراض التدفئة والتبريد. لم يتم استخدام هذه الأنظمة على نطاق واسع في الصناعة.
تحدد كثافة تدفق الإشعاع الشمسي القادم إلى سطح المجمع إلى حد كبير هندسة الحرارة والأداء الفني والاقتصادي لأنظمة إمداد الحرارة الشمسية.
تختلف كثافة تدفق الإشعاع الشمسي خلال النهار وعلى مدار العام. هذا هو واحد من السمات المميزةباستخدام الطاقة الشمسية ، وعند تنفيذ أنظمة محددة الحسابات الهندسيةالتركيبات الشمسية ، واختيار قيمة التصميم E أمر حاسم.
كمخطط تصميم لنظام التدفئة الشمسية ، ضع في اعتبارك المخطط الموضح في الشكل 3.3 ، والذي يجعل من الممكن مراعاة ميزات تشغيل الأنظمة المختلفة. يحول المجمع الشمسي 1 طاقة الإشعاع الشمسي إلى حرارة ، والتي يتم نقلها إلى خزان التخزين 2 من خلال المبادل الحراري 3. يمكن وضع المبادل الحراري في خزان التخزين نفسه. يتم توفير دوران المبرد بواسطة مضخة. المبرد المسخن يدخل الماء الساخن وأنظمة التدفئة. في حالة نقص أو عدم وجود الإشعاع الشمسي ، يتم تضمين مصدر احتياطي للحرارة لتزويد الماء الساخن أو التدفئة في العمل 5.
الشكل 3.3. مخطط نظام التسخين الشمسي: 1 - مجمعات الطاقة الشمسية ؛ 2 - خزان التخزين ماء ساخن؛ 3 - مبادل حراري 4 - بناء مع تدفئة أرضية ؛ 5 - مضاعف (مصدر طاقة إضافية) ؛ 6 - النظام الشمسي السلبي ؛ 7 - بطارية حصاة. 8 - مصاريع 9 - مروحة 10 - تدفق الهواء الدافئ إلى المبنى ؛ 11- توريد الهواء المعاد تدويره من المبنى
يستخدم نظام التسخين الشمسي مجمعات الطاقة الشمسية من الجيل الجديد "Rainbow" من NPP "المنافس" مع أداء حراري محسّن بسبب استخدام طلاء انتقائي على لوح فولاذي مقاوم للصدأ ماص للحرارة وطلاء شبه شفاف من الزجاج القوي للغاية مع بصري عالي مميزات.
يستخدم النظام كحامل حراري: الماء عند درجات حرارة موجبة أو مضاد للتجمد أثناء فترة التسخين (الدائرة الشمسية) ، والمياه (دائرة تسخين الطابق الثاني) والهواء (دائرة تسخين الهواء بالطاقة الشمسية الثالثة).
تم استخدام غلاية كهربائية كمصدر احتياطي.
يمكن تحقيق زيادة كفاءة أنظمة الإمداد بالطاقة الشمسية من خلال استخدام طرق مختلفة لتخزين الطاقة الحرارية ، والجمع المنطقي بين أنظمة الطاقة الشمسية مع الغلايات الحرارية وتركيبات المضخات الحرارية ، ومجموعة من أنظمة التطوير النشطة والسلبية وسيلة فعالةوطرق التحكم الآلي.
من إعداد طلاب B3TPEN31 Group
أنظمة التسخين الشمسي هي أنظمة تستخدم الإشعاع الشمسي كمصدر للطاقة الحرارية. يتمثل الاختلاف المميز بينهما عن أنظمة التدفئة الأخرى ذات درجات الحرارة المنخفضة في استخدام عنصر خاص - جهاز استقبال شمسي ، مصمم لالتقاط الإشعاع الشمسي وتحويله إلى طاقة حرارية.
وفقًا لطريقة استخدام الإشعاع الشمسي ، تنقسم أنظمة التدفئة الشمسية ذات درجة الحرارة المنخفضة إلى سلبية ونشطة.
مبني للمجهول
تسمى أنظمة التسخين الشمسي سلبية ، حيث يعمل المبنى نفسه أو أسواره الفردية (مبنى المجمع ، وجدار المجمع ، وسقف المجمع ، وما إلى ذلك) كعنصر يتلقى الإشعاع الشمسي ويحوله إلى حرارة.
نظام التسخين الشمسي السلبي ذو درجة الحرارة المنخفضة "جدار المجمع": 1 - أشعة الشمس ؛ 2 - شاشة شفافة ؛ 3 - المثبط الهوائي ؛ 4 - هواء ساخن 5 - هواء مبرد من الغرفة ؛ 6 - إشعاع حراري طويل الموجة لمصفوفة الجدار ؛ 7 - سطح الجدار الأسود المتلقي للأشعة ؛ 8 - الستائر.
نشيط
تسمى أنظمة التدفئة الشمسية ذات درجة الحرارة المنخفضة بالنشاط ، حيث يكون جهاز الاستقبال الشمسي جهازًا منفصلاً ومستقلًا لا علاقة له بالمبنى. يمكن تقسيم أنظمة الطاقة الشمسية النشطة:
عن طريق الغرض (إمداد الماء الساخن ، وأنظمة التدفئة ، والأنظمة المشتركة للتدفئة والبرودة) ؛
حسب نوع المبرد المستخدم (سائل - ماء ، مضاد للتجمد ، هواء) ؛
حسب مدة العمل (على مدار السنة ، الموسمية) ؛
وفقًا للحل الفني للمخططات (حلقة واحدة ، ثنائية ، متعددة الحلقات).
تصنيف أنظمة التدفئة الشمسية
يمكن تصنيفها وفقًا لمعايير مختلفة:
بالميعاد:
1. أنظمة إمداد الماء الساخن (DHW) ؛
2. أنظمة التدفئة؛
3. أنظمة مشتركة
نوع المبرد المستخدم:
1. السائل.
2. الهواء ؛
حسب مدة العمل:
1. على مدار السنة ؛
2. موسمي.
حسب الحل الفني للمخطط:
1. دائرة واحدة.
2. دائرة مزدوجة.
3. متعدد الدوائر.
الهواء عبارة عن سائل تبريد يستخدم على نطاق واسع ولا يتجمد عبر النطاق الكامل لمعلمات التشغيل. عند استخدامه كناقل حراري ، يمكن الجمع بين أنظمة التدفئة ونظام التهوية. ومع ذلك ، فإن الهواء عبارة عن سائل تبريد منخفض السعة الحرارية ، مما يؤدي إلى زيادة استهلاك المعادن لتركيب الأنظمة تسخين الهواءمقارنة بأنظمة المياه.
الماء هو مبرد كثيف الحرارة ومتوفر على نطاق واسع. ومع ذلك ، عند درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية ، من الضروري إضافة سوائل مانعة للتجمد. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن الماء المشبع بالأكسجين يسبب تآكل خطوط الأنابيب والأجهزة. لكن استهلاك المعدن في أنظمة الطاقة الشمسية المائية أقل بكثير ، وهو ما يساهم إلى حد كبير في تطبيقها على نطاق أوسع.
عادة ما تكون أنظمة الطاقة الشمسية الموسمية للمياه الساخنة ذات دائرة واحدة وتعمل في الصيف والأشهر الانتقالية ، خلال الفترات ذات درجة الحرارة الخارجية الإيجابية. قد يكون لديهم مصدر إضافي للحرارة أو الاستغناء عنه ، اعتمادًا على الغرض من الكائن الخاضع للخدمة وظروف التشغيل.
عادة ما تكون أنظمة الطاقة الشمسية لتدفئة المباني ذات دائرة مزدوجة أو في أغلب الأحيان متعددة الدوائر ، ويمكن استخدام ناقلات حرارية مختلفة لدوائر مختلفة (على سبيل المثال ، المحاليل المائية للسوائل المضادة للتجمد في الدائرة الشمسية ، والمياه في الدوائر الوسيطة ، والهواء في دائرة المستهلك).
تعتبر الأنظمة الشمسية المدمجة على مدار العام لأغراض إمداد المباني بالحرارة والبرودة متعددة الدوائر وتتضمن مصدرًا إضافيًا للحرارة في شكل مولد حراري تقليدي يعمل على الوقود العضوي أو محول حراري.
يظهر الرسم التخطيطي لنظام التدفئة الشمسية في الشكل 4.1.2. يتضمن ثلاث دوائر تداول:
الدائرة الأولى ، التي تتكون من مجمعات الطاقة الشمسية 1 ، ومضخة الدورة الدموية 8 والمبادل الحراري السائل 3 ؛
الدائرة الثانية ، التي تتكون من خزان تخزين 2 ، ومضخة دوران 8 ومبادل حراري 3 ؛
الدائرة الثالثة ، وتتكون من خزان تخزين 2 ، ومضخة دوران 8 ، ومبادل حراري بين الماء والهواء (سخان) 5.
رسم تخطيطي لنظام التسخين الشمسي: 1 - مجمع الطاقة الشمسية ؛ 2 - خزان التخزين ؛ 3 - مبادل حراري 4 - بناء 5 - سخان 6 - بديل لنظام التدفئة. 7 - نظام احتياطي لإمداد الماء الساخن ؛ 8 - مضخة الدوران ؛ 9 - مروحة.
تسيير
يعمل نظام التسخين الشمسي على النحو التالي. المبرد (مانع التجمد) لدائرة استقبال الحرارة ، الذي يتم تسخينه في المجمعات الشمسية 1 ، يدخل المبادل الحراري 3 ، حيث يتم نقل حرارة التجمد إلى الماء المتداول في الفضاء الحلقي للمبادل الحراري 3 تحت الإجراء من المضخة 8 الدائرة الثانوية. يدخل الماء الساخن إلى الخزان 2. يتم أخذ الماء من خزان التخزين بواسطة مضخة إمداد الماء الساخن 8 ، ويتم إحضاره ، إذا لزم الأمر ، إلى درجة الحرارة المطلوبة في المضاعف 7 ويدخل نظام إمداد الماء الساخن للمبنى. يتم تغذية خزان التخزين من مصدر المياه.
للتدفئة ، يتم توفير الماء من الخزان 2 بواسطة مضخة الدائرة الثالثة 8 إلى السخان 5 ، والذي من خلاله يمر الهواء عن طريق مروحة 9 ، وبعد تسخينه ، يدخل المبنى 4. في حالة عدم وجود الإشعاع الشمسي أو نقص الطاقة الحرارية المتولدة من المجمعات الشمسية ، يتم تشغيل العمل على النسخ الاحتياطي 6.
يتم تحديد اختيار وتخطيط عناصر نظام التسخين الشمسي في كل حالة من خلال العوامل المناخية والغرض من الكائن وطريقة استهلاك الحرارة والمؤشرات الاقتصادية.
رسم تخطيطي لنظام تسخين الماء الشمسي الحراري أحادي الحلقة
تتمثل إحدى ميزات الأنظمة في أنه في حالة نظام التسخين الحراري ، يجب أن تكون النقطة السفلية لخزان التخزين فوق النقطة العلوية للمجمع ولا تزيد عن 3-4 أمتار عن المجمعات ، ومع دوران المضخة في المبرد ، يمكن أن يكون موقع خزان التخزين تعسفيًا.
يمكن أن يؤدي استخدام الطاقة "الخضراء" التي توفرها العناصر الطبيعية إلى تقليل تكاليف المرافق بشكل كبير. على سبيل المثال ، من خلال ترتيب التدفئة الشمسية لمنزل خاص ، ستوفر حاملًا حرًا فعليًا مشعات درجة حرارة منخفضةوأنظمة التدفئة تحت الأرضية. موافق ، هذا هو الحفظ بالفعل.
سوف تتعلم كل شيء عن "التقنيات الخضراء" من مقالتنا. من خلال مساعدتنا ، يمكنك بسهولة فهم أنواع التركيبات الشمسية وكيفية بنائها وخصائص التشغيل. بالتأكيد سوف تكون مهتمًا بأحد الخيارات الشائعة التي تعمل بشكل مكثف في العالم ، ولكنها لا تحظى بشعبية كبيرة معنا بعد.
في المراجعة المعروضة على انتباهكم ، ميزات التصميمالأنظمة ، مخططات الاتصال موصوفة بالتفصيل. يتم إعطاء مثال على حساب دائرة التسخين الشمسي لتقييم واقع بنائها. يتم إرفاق مجموعات الصور ومقاطع الفيديو لمساعدة الأساتذة المستقلين.
في المتوسط ، يستقبل 1 م 2 من سطح الأرض 161 واطًا من الطاقة الشمسية في الساعة. بالطبع ، عند خط الاستواء ، سيكون هذا الرقم أعلى بعدة مرات مما هو عليه في القطب الشمالي. بالإضافة إلى ذلك ، تعتمد كثافة الإشعاع الشمسي على الوقت من السنة.
في منطقة موسكو ، تختلف شدة الإشعاع الشمسي في ديسمبر ويناير عن مايو ويوليو بأكثر من خمس مرات. لكن الأنظمة الحديثةفعالة للغاية بحيث يمكنها العمل في أي مكان على وجه الأرض تقريبًا.
يتم استخدام نصف الطاقة المنتجة تقريبًا لتسخين الهواء. تشرق الشمس أيضًا في الشتاء ، ولكن عادةً ما يتم التقليل من إشعاعها.في ظهيرة أحد أيام كانون الأول (ديسمبر) ، بالقرب من زيورخ ، كان الفيزيائي أ. كان هذا عندما كانت الشمس في أدنى نقطة لها وكانت درجة حرارة الهواء 3 درجات مئوية. بعد يوم واحد ، تم تسخين مجمّع شمسي بمساحة 0.7 متر مربع 30 لترًا ماء باردمن إمدادات مياه الحديقة حتى + 60 درجة مئوية.
يمكن استخدام الطاقة الشمسية في الشتاء بسهولة لتسخين الهواء الداخلي. في الربيع والخريف ، عندما يكون الجو مشمسًا في كثير من الأحيان ولكن باردًا ، ستسمح لك تدفئة المساحات الشمسية بعدم تشغيل التدفئة الرئيسية. هذا يجعل من الممكن توفير بعض الطاقة ، وبالتالي المال. بالنسبة للمنازل التي نادراً ما تستخدم ، أو للإسكان الموسمي (الأكواخ ، الأكواخ) ، فإن التدفئة الشمسية مفيدة بشكل خاص في فصل الشتاء ، لأن. يزيل التبريد المفرط للجدران ، ويمنع تدميرها من تكاثف الرطوبة والعفن. وبالتالي ، يتم تخفيض تكاليف التشغيل السنوية بشكل أساسي.
عند تدفئة المنازل حرارة الشمسمن الضروري حل مشكلة العزل الحراري للمباني على أساس العناصر المعمارية والهيكلية ، أي عند إنشاء نظام تدفئة شمسي فعال ، يجب بناء منازل تتمتع بخصائص عزل حراري جيدة.
تكلفة الحرارة
تدفئة إضافية
مساهمة الطاقة الشمسية في تدفئة المنزل
لسوء الحظ ، لا تتزامن فترة دخول الحرارة من الشمس دائمًا في الطور مع فترة ظهور الأحمال الحرارية.
معظم الطاقة التي لدينا تحت تصرفنا خلال فترة الصيف، تضيع بسبب عدم وجود طلب ثابت عليها (في الواقع ، نظام التجميع هو إلى حد ما نظام ذاتي التنظيم: عندما تصل درجة حرارة الناقل إلى قيمة التوازن ، يتوقف امتصاص الحرارة ، منذ ذلك الحين فقدان الحرارةمن المجمع الشمسي تصبح مساوية للحرارة المتصورة).
تعتمد كمية الحرارة المفيدة التي يمتصها المجمع الشمسي على 7 معلمات:
1. كمية الطاقة الشمسية الواردة.
2. الفقد البصري في العزل الشفاف ؛
3. خصائص امتصاص السطح المتلقي للحرارة لمجمع الطاقة الشمسية ؛
4. كفاءة نقل الحرارة من المشتت الحراري (من سطح استقبال الحرارة للمجمع الشمسي إلى السائل ، أي من قيمة كفاءة المشتت الحراري) ؛
5. نفاذية العزل الحراري الشفاف ، والتي تحدد مستوى فقدان الحرارة ؛
6. درجة حرارة سطح استقبال الحرارة للمجمع الشمسي ، والتي بدورها تعتمد على سرعة المبرد ودرجة حرارة المبرد عند مدخل المجمع الشمسي ؛
7. درجة الحرارة في الهواء الطلق.
كفاءة مجمع الطاقة الشمسية ، أي سيتم تحديد نسبة الطاقة المستخدمة وطاقة الحادث من خلال كل هذه المعلمات. في ظل ظروف مواتية ، يمكن أن تصل إلى 70٪ ، وفي ظل ظروف غير مواتية ، يمكن أن تنخفض إلى 30٪. يمكن الحصول على القيمة الدقيقة للكفاءة من الحساب الأولي فقط من خلال نمذجة سلوك النظام بالكامل ، مع مراعاة جميع العوامل المذكورة أعلاه. من الواضح أنه لا يمكن حل هذه المشكلة إلا باستخدام الكمبيوتر.
نظرًا لأن كثافة تدفق الإشعاع الشمسي تتغير باستمرار ، فمن الممكن استخدام المبالغ الإجمالية للإشعاع يوميًا أو حتى شهريًا لحساب التقديرات.
في الجدول. 1 كمثال تعطى:
الجدول 1. الكميات الشهرية من الإشعاع الشمسي لكيو (بالقرب من لندن)
يوضح الجدول أن السطح الذي يتمتع بزاوية ميل مثالية يستقبل (في المتوسط خلال 8 أشهر شتاء) طاقة تزيد بمقدار 1.5 مرة عن السطح الأفقي. إذا كانت مجاميع الإشعاع الشمسي الواصل على سطح أفقي معروفة ، فمن أجل تحويلها إلى سطح مائل ، يمكن ضربها بحاصل ضرب هذا المعامل (1.5) والقيمة المقبولة لكفاءة المجمع الشمسي تساوي 40 ٪، بمعنى آخر.
1,5*0,4=0,6
سيعطي هذا مقدار الطاقة المفيدة التي يمتصها السطح المائل المتلقي للحرارة خلال فترة معينة.
من أجل تحديد المساهمة الفعالة للطاقة الشمسية في الإمداد الحراري للمبنى ، حتى عن طريق الحساب اليدوي ، من الضروري وضع أرصدة شهرية على الأقل للطلب والحرارة المفيدة المستلمة من الشمس. من أجل الوضوح ، ضع في اعتبارك مثالاً.
باستخدام البيانات أعلاه والنظر في منزل بمعدل فقدان حرارة 250 واط / درجة مئوية ، فإن الموقع له درجة سنوية سنوية تبلغ 2800 (67200 درجة مئوية * ساعة). ومساحة المجمعات الشمسية ، على سبيل المثال ، 40 م 2 ، ثم يتم الحصول على التوزيع التالي حسب الأشهر (انظر الجدول 2).
الجدول 2. حساب المساهمة الفعالة للطاقة الشمسية
| شهر | درجة مئوية * ح / شهر | كمية الإشعاع على سطح أفقي ، kW * h / m2 | حرارة مفيدة لكل وحدة مساحة مجمعة (D * 0.6) ، kW * h / m2 | إجمالي الحرارة المفيدة (E * 40 m2) ، كيلو واط ساعة | مساهمة الطاقة الشمسية ، كيلوواط * ساعة / م 2 | |
| أ | ب | ج | د | ه | F | جي |
| يناير | 10560 | 2640 | 18,3 | 11 | 440 | 440 |
| شهر فبراير | 9600 | 2400 | 30,9 | 18,5 | 740 | 740 |
| يمشي | 9120 | 2280 | 60,6 | 36,4 | 1456 | 1456 |
| أبريل | 6840 | 1710 | 111 | 67,2 | 2688 | 1710 |
| مايو | 4728 | 1182 | 123,2 | 73,9 | 2956 | 1182 |
| يونيه | - | - | 150,4 | 90,2 | 3608 | - |
| يوليو | - | - | 140,4 | 84,2 | 3368 | - |
| أغسطس | - | - | 125,7 | 75,4 | 3016 | - |
| سبتمبر | 3096 | 774 | 85,9 | 51,6 | 2064 | 774 |
| اكتوبر | 5352 | 1388 | 47,6 | 28,6 | 1144 | 1144 |
| شهر نوفمبر | 8064 | 2016 | 23,7 | 14,2 | 568 | 568 |
| ديسمبر | 9840 | 2410 | 14,4 | 8,6 | 344 | 344 |
| مجموع | 67200 | 16800 | 933 | 559,8 | 22392 | 8358 |
تكلفة الحرارة
بعد حساب كمية الحرارة التي توفرها الشمس ، من الضروري تقديمها من الناحية النقدية.
تعتمد تكلفة الحرارة المتولدة على:
يمكن مقارنة تكاليف التشغيل التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة مع التكاليف الرأسمالية لنظام التدفئة الشمسية.
وفقًا لهذا ، إذا افترضنا أنه في المثال الذي تمت مناقشته أعلاه ، يتم استخدام نظام التسخين الشمسي بدلاً من نظام التدفئة التقليدي الذي يستهلك ، على سبيل المثال ، وقود الغاز ويولد الحرارة بتكلفة 1.67 روبل / كيلوواط ساعة ، ثم بالترتيب لتحديد الوفورات السنوية الناتجة ، من الضروري توفير 8358 كيلوواط ساعة من الطاقة الشمسية (وفقًا للحسابات الواردة في الجدول 2 لمنطقة تجميع تبلغ 40 مترًا مربعًا) ، مضروبة في 1.67 روبل / كيلوواط ساعة ، مما يعطي
8358 * 1.67 = 13957.86 روبل.
تدفئة إضافية
أحد الأسئلة الأكثر شيوعًا التي يطرحها الأشخاص الذين يرغبون في فهم استخدام الطاقة الشمسية للتدفئة (أو أي غرض آخر) هو السؤال ، "ماذا تفعل عندما لا تشرق الشمس؟" بعد فهم مفهوم تخزين الطاقة ، طرحوا السؤال التالي: "ماذا تفعل عندما لا يتبقى طاقة حرارية في البطارية؟" السؤال مشروع ، والحاجة إلى نظام تقليدي فائض عن الحاجة في كثير من الأحيان هو حجر عثرة رئيسي أمام اعتماد واسع النطاق للطاقة الشمسية كبديل لمصادر الطاقة الحالية.
إذا كانت قدرة نظام التدفئة الشمسية غير كافية للحفاظ على المبنى خلال فترة من الطقس البارد والغيوم ، فإن العواقب ، حتى مرة واحدة في الشتاء ، يمكن أن تكون شديدة بما يكفي لتتطلب نظام تدفئة تقليدي كامل النطاق ليتم اعتباره على أنه نسخة احتياطية. تحتاج معظم المباني التي يتم تسخينها بالطاقة الشمسية إلى نظام احتياطي كامل. في الوقت الحاضر ، في معظم المناطق ، يجب اعتبار الطاقة الشمسية وسيلة لتقليل استهلاك الأشكال التقليدية للطاقة ، وليس كبديل كامل لها.
تعتبر السخانات التقليدية بدائل مناسبة ، ولكن هناك العديد من البدائل الأخرى ، على سبيل المثال:
المواقد.
- مواقد الحطب
- دفايات خشبية.
لنفترض ، مع ذلك ، أننا أردنا جعل نظام تسخين شمسي كبيرًا بما يكفي لتوفير الحرارة للغرفة في أكثر الظروف سوءًا. نظرًا لأن الجمع بين الأيام شديدة البرودة والفترات الطويلة من الطقس الغائم نادر الحدوث ، فإن الحجم الإضافي لمحطة الطاقة الشمسية (المجمع والبطارية) المطلوب لهذه المناسبات سيكون مكلفًا للغاية بالنسبة لتوفير الوقود بشكل ضئيل نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك ، سيعمل النظام في معظم الأوقات بأقل من القدرة الاسمية.
يمكن لنظام التسخين الشمسي المصمم لتوفير 50٪ من حمل التدفئة أن يوفر حرارة كافية فقط ليوم واحد من الطقس شديد البرودة. مضاعفة الحجم النظام الشمسيسيتم تزويد المنزل بالتدفئة خلال يومين غائم بارد. بالنسبة للفترات التي تزيد عن يومين ، ستكون الزيادة اللاحقة في الحجم غير مبررة مثل السابقة. بالإضافة إلى ذلك ، ستكون هناك فترات من الطقس المعتدل عندما لا تكون هناك حاجة إلى زيادة ثانية.
الآن ، إذا قمنا بزيادة مساحة المجمع نظام التدفئةبمقدار 1.5 مرة أخرى لتستمر 3 أيام باردة وغائمة ، فسيكون ذلك نظريًا كافيًا لتوفير نصف احتياجات المنزل بالكامل خلال فصل الشتاء. ولكن ، بالطبع ، قد لا يكون هذا هو الحال في الممارسة العملية ، حيث يحدث أحيانًا 4 (أو أكثر) أيام متتالية من الطقس البارد الملبد بالغيوم. لحساب اليوم الرابع ، نحتاج إلى نظام تسخين شمسي يمكنه نظريًا جمع حرارة أكثر بمرتين مما يحتاجه المبنى خلال موسم التدفئة. من الواضح أن فترات البرودة والغيوم قد تكون أطول مما هو متوقع في تصميم نظام التدفئة الشمسي. كلما زاد حجم المجمع ، قل استخدام كل زيادة إضافية في حجمه بشكل مكثف ، وكلما قل توفير الطاقة لكل وحدة مساحة للمجمع ، وقل عائد الاستثمار لكل وحدة مساحة إضافية.
ومع ذلك ، فقد بذلت محاولات جريئة لتخزين طاقة حرارية كافية من الإشعاع الشمسي لتغطية الطلب على التدفئة بالكامل والتخلي عن نظام التدفئة الإضافي. مع استثناء نادر لأنظمة مثل منزل مشمس G. Hay ، تخزين الحرارة على المدى الطويل ربما يكون البديل الوحيد للنظام الإضافي. اقترب السيد توماسون من التسخين الشمسي بنسبة 100٪ في منزله الأول بواشنطن. تم تغطية 5 ٪ فقط من حمل التدفئة بواسطة سخان قياسي يعمل بالزيت.
إذا كان النظام الإضافي يغطي نسبة صغيرة فقط من إجمالي الحمل ، فمن المنطقي استخدام التدفئة الكهربائية ، على الرغم من حقيقة أنها تتطلب إنتاج كمية كبيرة من الطاقة في محطة توليد الكهرباء ، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى حرارة للتدفئة (10500 ... 13700 كيلو جول يتم استهلاكها في محطة توليد الكهرباء لإنتاج 1 كيلو وات ساعة من الطاقة الحرارية في المبنى). في معظم الحالات ، سيكون السخان الكهربائي أرخص من الزيت أو فرن غاز، والكمية الصغيرة نسبيًا من الكهرباء اللازمة لتدفئة المبنى قد تبرر استخدامه. بالإضافة إلى ذلك ، فإن السخان الكهربائي هو جهاز أقل كثافة في المواد بسبب نسبيًا كمية قليلةمادة (بالمقارنة مع السخان) المستخدمة في صناعة اللفات الكهربائية.
نظرًا لأن كفاءة المجمع الشمسي تزداد بشكل كبير إذا تم تشغيله درجات الحرارة المنخفضة، إذن يجب تصميم نظام التدفئة لاستخدام درجات حرارة منخفضة قدر الإمكان - حتى عند مستوى 24 ... 27 درجة مئوية. تتمثل إحدى مزايا نظام الهواء الدافئ Thomason في استمراره في استخلاص الحرارة المفيدة من البطارية في درجات حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة.
في البناء الجديد ، يمكن الاعتماد على أنظمة التدفئة لاستخدام درجات حرارة منخفضة ، على سبيل المثال عن طريق تمديد مشعات ذات زعانف أنبوبية باستخدام ماء ساخنزيادة حجم الألواح المشعة أو زيادة حجم الهواء عند درجة حرارة منخفضة. غالبًا ما يختار المصممون تدفئة المساحات باستخدام الهواء الدافئ أو استخدام الألواح المشعة الموسعة. يحقق نظام تسخين الهواء أفضل استخدام للحرارة المخزنة بدرجة حرارة منخفضة. تتميز لوحات التسخين المشعة بتأخير طويل (بين تشغيل النظام وتسخين الهواء) وتتطلب عادةً درجات حرارة تشغيل أعلى من أنظمة الهواء الساخن. لذلك ، لا يتم استخدام الحرارة من جهاز التخزين بشكل كامل في درجات حرارة منخفضة ، وهي مقبولة للأنظمة ذات هواء دافئ، والكفاءة الإجمالية لمثل هذا النظام أقل. يمكن أن يؤدي تضخيم نظام الألواح المشعة لتحقيق نتائج مماثلة لتلك التي يتم الحصول عليها بالهواء إلى تكاليف إضافية كبيرة.
لزيادة الكفاءة الإجمالية للنظام (التدفئة الشمسية ونظام النسخ الاحتياطي الإضافي) وفي نفس الوقت تقليل التكلفة الإجمالية من خلال القضاء على فترات التوقف الأجزاء المكونة، اختار العديد من المصممين مسار دمج مجمّع الطاقة الشمسية والبطارية بنظام إضافي. العناصر المشتركة هي:
المشجعين؛
- مضخات
- المبادلات الحرارية؛
- الهيئات الرئاسية؛
- أنابيب؛
- مجاري الهواء.
توضح الأرقام الواردة في مقال هندسة النظم مخططات مختلفة لهذه الأنظمة.
تتمثل إحدى المشاكل في تصميم الواجهات بين الأنظمة في زيادة أدوات التحكم والأجزاء المتحركة ، مما يزيد من احتمالية حدوث عطل ميكانيكي. إن إغراء زيادة الكفاءة بنسبة 1-2٪ عن طريق إضافة جهاز آخر عند تقاطع الأنظمة لا يقاوم تقريبًا ويمكن أن يكون السبب الأكثر شيوعًا لفشل نظام التدفئة الشمسية. عادة ، يجب ألا يقوم السخان المعزز بتسخين حجرة تراكم الحرارة الشمسية. إذا حدث هذا ، فستكون مرحلة حصاد الحرارة الشمسية أقل كفاءة ، حيث ستتم هذه العملية دائمًا تقريبًا درجات حرارة عاليةأوه. في الأنظمة الأخرى ، يؤدي خفض درجة حرارة البطارية بسبب استخدام الحرارة من قبل المبنى إلى تحسين الكفاءة الإجمالية للنظام.
تعود أسباب العيوب الأخرى لهذه الدائرة إلى فقد الحرارة الكبير من البطارية بسبب درجات الحرارة المرتفعة باستمرار. في الأنظمة التي لا تقوم فيها المعدات المساعدة بتسخين البطارية ، ستفقد الأخيرة حرارة أقل بشكل ملحوظ إذا لم تكن هناك شمس لعدة أيام. حتى في الأنظمة المصممة بهذه الطريقة ، فإن فقد الحرارة من الحاوية هو 5 ... 20٪ من إجمالي الحرارة التي يمتصها نظام التسخين الشمسي. مع البطارية المساعدة المسخنة ، سيكون فقد الحرارة أعلى بكثير ولا يمكن تبريره إلا إذا كانت حاوية البطارية داخل الغرفة المدفئة بالمبنى