Альтернативные источники отопления

Принципы нагрева от солнца


Преобразование и использование энергии солнца  для теплоснабжения

Солнечной энергии свойственно неравномерное распределение по поверхности Земли. На поток солнечной энергии большое влияние оказывают климатические условия (снег, туман, облачность и пр.). По этой причине энергетические системы, которые используют энергию солнца, не могут вырабатывать постоянную мощность, не только в течение года, но и в течение светового дня. Расчет эффективности солнечной системы производится по средним статистическим  данным за определенный интервал времени.

Главным элементом гелиосистемы является солнечный коллектор (или гелиоколлектор).  В поглощающей панели, солнечного коллектора, и происходит преобразование энергии солнечного излучения в тепловую энергию, которую уже можно транспортировать в необходимую точку с использованием жидкого теплоносителя, который циркулирует по каналам  поглощающей панели.

Солнечный коллектор, с лицевой стороны, закрыт специальным стеклом. Тыльная сторона, солнечного коллектора, покрыта теплоизоляционным слоем. Стекло и теплоизоляционный слой уменьшают потери тепловой энергии в солнечном коллекторе.

Если гелиосистема 2-х контурная, то разогретый, в солнечном коллекторе, теплоноситель направляется во внешний (или внутренний) теплообменник аккумулирующего бака, где полученная тепловая энергия передается воде. Далее, отдавший тепло теплоноситель, снова направляется в солнечный коллектор и опять нагревается и т.д. Т.е. цикл замыкается.

На эффективность гелиосистемы в целом, определяющее влияние оказывает эффективность работы самого солнечного коллектора. Чем больше, солнечный коллектор, поглотит солнечной энергии и чем меньше тепловые потери, тем эффективнее будет работать гелиосистема.

Потери тепловой энергии в плоском солнечном коллекторе

При конструировании солнечных коллекторов главной задачей является обеспечение максимального поглощения солнечной энергии с одновременным снижением тепловых потерь в системе. Выполнить, одновременно, с максимальной эффективностью эти два условия практически не возможно. Максимальное поглощение энергии солнца обеспечивают солнечные коллекторы открытого типа, а минимальные тепловые потери присущи вакуумным коллекторам.

Вышеупомянутые коллекторы имеют, присущие их конструктивным особенностям, существенные недостатки. На практике, наибольшее распространение получили солнечные коллекторы плоского типа, как компромисс, между вышеперечисленными системами.

Плоские  солнечные коллекторы надежны, универсальны и неприхотливы в эксплуатации. Их эффективность достаточно высока.

Современный солнечный коллектор плоского типа способен обеспечить средний КПД в районе 50%. Существенная разница в качестве коллекторов начинает проявляться при их работе в условиях рассеянного солнечного излучения (облачность, туман и пр.). Так, например, разница в эффективности солнечного коллектора,  имеющего высокоселективное покрытие и коллектора, который его не имеет, может составлять, в облачную погоду, до 45%.


Графики КПД солнечных коллекторов  SintSolar CS (высокоселективное поглощающее покрытие  Sunselect) и SintSolar CB (поглощающее покрытие панели - селективная черная краска) в зависимости от мощности солнечного излучения (с учетом нелинейности).

 

Солнечное излучение, на территории Украины, на 40-60% состоит из рассеянного излучения (по кругу за год), что вызывает необходимость использовать высокоселективное покрытие поглощающих панелей солнечных коллекторов.

Существует простая формула, для расчета КПД солнечного коллектора, без учета нелинейности, используя которую можно, с достаточной степенью точности, определить разницу в эффективности различных солнечных коллекторов для конкретных условий.

n0 – произведение коэффициента эффективности поглощающей панели и  оптического КПД (a•t)  .

a - коэффициент поглощения применяющегося селективного покрытия,

t – коэфф-т транспоррентности (степени прозрачности внешней изоляции, коллектора, например, стекла).

Fr – коэфф-т  эффективности поглощающей панели.

К – Произведение коэфф-та эффективности, поглощающей панели, при нулевой v ветра, и общего коэфф-та тепловых потерь коллектора, Bт/(м2*оС).

T – арифметическая разница температур между средней  t  теплоносителя, в коллекторе,  и  t окружающего воздуха,oC.

E – мощность потока солнечного излучения, Bт/м2.

Солнечный коллектор – это далеко не вся гелиосистема, и сам коллектор не может самостоятельно вырабатывать полезную тепловую энергию, если вся гелиосистема работает неэффективно.

В настоящее время разработано и применяется, на практике, достаточно большое количество вариантов гелиосистем. Вырабатываемая, конкретной гелиосистемой,  в конкретных условиях, тепловая энергия, ограничена и зависит от множества факторов, основными из которых являются: конфигурация гелиосистемы, конструктивные особенности, температура окружающего воздуха, ясность дня, объем бака-аккумулятора,  температура холодной воды. Существует и множество других факторов, оказывающих влияние на эффективность гелиосистем. Поэтому для производства корректного расчета гелиосистем, используются достаточно сложные программные продукты.

Нестабильность поступающей, в гелиосистему, солнечной энергии, нивелируется использованием, в системе, накопительных баков-аккумуляторов, которые накапливают тепловую энергию. Системы, работающие без баков-аккумуляторов, значительно менее эффективны.


Условная выработка тепловой энергии для нагрева воды в солнечный день, гелиосистемой, состоящей из 1 м2 эффективного гелиоколлектора и бака с горячей водой на 80-100 л.

Современные гелиосистемы, имеющие, в своем составе,  солнечные коллекторы с высокоселективным покрытием поглощающей панели, способны экономить до 75% топлива традиционного вида, необходимого для обеспечения объекта горячей водой, и до 50-ти % топлива, которое необходимо затратить для нужд отопления.

Грамотно рассчитанные и смонтированные гелиосистемы, считаются самыми долговечными и надежными, среди всех систем теплоснабжения. Это, конечно же, верно только лишь при условии использования качественного оборудования. Ошибки в расчетах гелиосистем, в монтаже и в выборе оборудования, сведут на нет все попытки экономии на энергоресурсах


Отопление теплицы.
 
Нормальное развитие растений в защищенном грунте воз­можно при обеспечении определенного теплового режима, на­пример в зимне-осенний период при температуре не ниже +18 °С. В теплицах может применяться один из видов обогрева (или их сочетание): технический, биологический и солнечный. Технический - это печное или водяное отопление - служит для обогрева теплиц площадью свыше 15 м². Печное отопление - это собственно печь, горизонтальный дымоход (боров) и дымовая труба (рис. 23).



Топочное отверстие обычно выводят в тамбур. Дымоход под стеллажами прокладывают не горизонтально, а немного приподнимая его по мере приближения к трубе (не менее 1,5 см на 1 м длины дымохода) для лучшей тяги печи. На стыке дымоходах трубой следует оставлять вьюшечное отверстие для его чистки и разжигания печи, если слабая тяга во время ненастной погоды. При устройстве печи соблюдают такие противопожарные требования: расстояние между стенкой теплицы, печью и дымоходом должно быть не менее 0,25 м; минимальное расстояние от верха дымохода до стеллажа - не менее 0,15 м. Для обогрева теплицы применяют также водяное отопле­ние. Устанавливаемый в тамбуре котел работает на твердом или жидком топливе. Змеевик из трубы диаметром 72 мм (3 дюйма) в виде буквы М можно монтировать для вертикальной печи. Схема отопления теплицы представлена на рис. 3.


При монтаже трубы горячей воды под коньком теплицы укладыва­ют с небольшим уклоном. Трубы диаметром 2 дюйма, по две с каждой стороны, пропускают под стеллажами. Для дополнительного обогрева прокладывают трубы подлоткового обогрева, обогрева стекла, а также устанавливают отопительные секции. Для правильной циркуляции воды устанавливают расши­рительный бачок вместимостью 20….30 л, соединенный с са­мой высокой частью питающей трубы, идущей над коньком теплицы. Для этих целей можно использовать трубы водогазопроводные стальные диаметром от 6 до 157 мм длиной 4-12 м, рассчитанные на давление до 10 атм (1 МПа). Для отопления рекомендуется использовать котлы водо­грейные КЧМ с площадью поверхности нагрева 1,23; 1,67; 2,11; 2,51; 2, 95; 3,39; 3,83; 4,23 м², которая зависит от коли­чества секций (от трех до десяти). В каждом котле смонтиро­вано две крайние и несколько средних чугунных секций, а также топка для сжигания твердого топлива. Перед вводом в эксплуатацию поверхность котлов окра­шивают темной огнеупорной краской. При их покупке необ­ходимо проверить комплектность (расширительный бачок, термометр с гильзой, кочегарный инструмент, инструкция по эксплуатации). Нагревательные приборы - радиаторы, ребристые и отопи­ тельные панели выпускаются стальные и чугунные. Радиато­ры делятся на высокие (расстояние между центрами отвер­стий 1 м), средние (0,5 м) и низкие (0,3 м). Отдельные пусто­телые секции соединяются в блоки. Для соединения труб, а также для подсоединения нагрева­тельных приборов к водогрейным котлам нужна такая арма­тура (размеры даны в дюймах; 1 дюйм равен 25,4 мм):

 Муфты прямые...................... 1/2-3
 Муфты переходные ..... 1/2×3/8—3×2½
 Угольники прямые................. 1/2-3
 Угольники переходные...........3/4×1/2— 1½×1
 Тройники прямые    .................. 1/4—3
 Тройники переходные............1×3/4—2×1
 Кресты прямые..........................1/2—3
 Контргайки   ..................... 1/2—3
 Инженер-строитель Ю. Васильев предложил кирпичную малогабаритную (38×76 см) печь (рис. 24).



 Она не требует специального фундамента. При высоте 148 см весит 750 кг. Для обогрева теплиц промышленностью выпускается обог­реватель каталитический газовый "Гелиос", работающий на сжиженном газе пропан-бутан (рис. 25).
Техническая характеристика обогревателя:
 Номинальная тепловая мощность . . . 2 кВт
 Температура излучающей поверхности катализатора  400°С-500°С
 Время запуска обогревателя................. 10-15 мин
 Масса................................................. 11,6 кг
 Габариты…………………..310x565x400 мм 
"Гелиос" во время работы взрыво-и пожаробезопасен, так как принцип его действия основан на окислении углеводорода кислородом воздуха в парах катализатора с температурой ни­же температуры воспламенения углеводорода. Двух литровых баллонов достаточно на шесть-семь часов непрерывной работы обогревателя. Выделяющиеся углекис­лый газ и пары воды благоприятно воздействуют на развитие растений.

Рекомендуется также использовать переносной электри­ческий обогреватель (рис. 26).



 Его конструкция несложная. К трубе высотой 1 м диаметром 100-150 мм с одной стороны приваривают ТЭН (теплоэлектронагревательный элемент) мощностью порядка 1 кВт и подключают радиатор. Электрическая схема может быть двух вариантов. При ис­пользовании реле переменного «тока типа МКУ-48 (рис. 27,а)



 со снижением температуры до ус­тановленной срабатывает теп­ловое биметаллическое реле ти­па КТР (работающее при сни­жении температуры на замыка­ние). Оно контактами КТР.1 замыкает реле К.1, которое контактами К1.1 включает ТЭН. Как только температура в теплице достигает заданной, контакты тепловою реле КТР.1 размыкаются и обогреватель выключается. При втором варианте в схеме с реле постоянного тока (рис. 27,б) имеется выпрямитель и контакты реле рассчитаны на пропуск тока более 5 А. Применять для обогрева теплиц открытые электронагре­ватели нежелательно, так как они значительно снижают влажность грунта и воздуха.

    Биологический обогрев - это тепло, выделяемое микроор­ганизмами при разложении органических материалов. При этом воздух обогащается углекислым газом. Основные виды и характеристика биотоплива представле­ны в табл. 10.



 Лучшим биотопливом является свежий конский навоз (без примесей). Если в него добавить соломы, он греет меньше и не так продолжительно. Используют также искусственный на­воз. Для этого слоями укладывают мелконарезанную (до 5 см) солому, известково-аммиачную селитру и суперфосфат (10: 0,2:0,3 кг), поливают горячей водой, уплотняют и засыпают землей. Слой биотоплива обычно закладывают высотой 25 см, слой компостной земли сверху до 20 см. При применении биотоплива необходимо придерживаться следующих рекомендаций: при использовании коровьего и свиного навоза к нему обя­зательно нужно подмешивать резаную солому и другие мате­риалы, способствующие рыхлости (опилки, лузга и др.); к древесным листьям (кроме ольхи и дуба) для повышения температуры подмешивают не менее 25 % коровьего или сви­ного навоза; в слаборазложившийся торф добавляют до 30 % коровяка; в солому после измельчения и увлажнения добавляют 0,6%-й раствор мочевины до полного насыщения; мусор хорошо разлагается при наличии в нем 30-40 % бумаги и тряпья. Известен также вариант "теплой грядки". Бе подземная часть может быть в двух вариантах. Первый - с обогревом биотопливом (рис. 28).



 Для этого осенью роют траншею дли­ной 7-8 м, глубиной 1,1м, шириной по низу и по верху соот­ветственно 1,3 и 1,5-1,6 м. Грунт - желательно глина, а на супеси дно выстилают в два слоя старой, но не порванной пленкой или клеенкой. На дно укладывают солому, траву, стебли, ботву, все, что не нужно на огороде, на высоту 15-35 см, затем кладут кругляки любых пород дерева, кустарник, всевозможные отходы древесины, кору, опилки, валежник вперемешку с травой, камышом. Все хорошо утрамбовывают, так чтобы получилось на 5-10 см выше траншеи. После этого с двух сторон траншеи закладывают под плен­ку 4 керамические дренажные трубки, по которым перед на­чалом работы «теплой грядки» подается 70-100 л горячей во­ды с целью активного горения смеси, а также через которые выходят газы при сгорании биотоплива. Для контроля за уровнем воды на дне траншеи в конце ее вертикально устанавливают асбестовую трубу диаметром 100 мм и высотой 1,4-1,5 м. При необходимости через нее же можно откачать лишнюю воду с высоким содержанием удобрений, прежде всего азотных, для топлива. Работает такая система до четырех лет беспрерывно. Второй вариант предназначен для тех, кто хочет иметь надежный вариант "теплой грядки". При наличии электро­энергии с трехфазным напряжением от биотоплива можно отказаться. Для обогрева используется электронагреватель­ный провод марки ПОСХВ диаметром 1,1 мм с двухслойной полиэтиленовой изоляцией. Грядку устраивают так. Дно траншеи глубиной 60 см усти­лают дренирующим слоем (песок, шлак) до 35 см, поверх него кладут провод. Для регулирования и поддержания определен­ной температуры грунта используют контактный термометр или прибор ПТР-2. На грядку площадью 15 м2 расходуется 180-200 м провода - обычно до 20 витков с укладкой зигзагами. В торцах устанав­ ливают деревянные планки с пазами. Для обеспечения максимальной теплоотдачи провода обычно располагают как можно ближе к поверхности почвы, но не менее 0,25 м, чтобы обеспечить механизированную об­ работку почвы. Монтируют провод тремя способами. При первом провод ПОСХВ устраивают в подпочвенном слое с покрытием цемен-тно-песчаным раствором толщиной 0,05 м. Считается, что такое покрытие нагревательного провода служит для механи­ческой защиты от повреждений. Однако этот способ достаточ­но трудоемкий, требует больших затрат. Применяется он при укладке на глубину до 0,3 м. Разогрев почвы до максимальной температуры 17°С длит­ся 36 ч. Благодаря хорошим аккумулирующим свойствам цементно-песчаного покрытия температура почвы не изменяет­ся в течение 0,5 ч после отключения электроэнергии. При втором способе провод помещают в слой песка толщи­ной 0,1 м с последующей засыпкой растительным грунтом высотой 0,25 м. По сравнению с первым такой способ на 35 % дешевле. Разогрев почвы до 21°С длится 26 ч. Хорошая тепло-проводность песка обеспечивает равномерный нагрев почвы. Непосредственно в растительный слой на глубину 0,3 м провод укладывают при третьем способе. Для этого использу­ют специальное приспособление на базе культиватора. Разо­грев почвы до максимальной температуры 24°С длится 19 ч. Однако при этом имеет место существенный недостаток: в процессе эксплуатации вокруг нагревательного провода спе­кается плотный слой почвы, который резко снижает теплоот­дачу.

 Геотермальные воды (подземные природные воды с темпе­ратурой более 37°С) относятся к одному из наиболее важных видов возобновляемых источников энергии. В нашей стране бассейны с геотермальной водой различной температуры (40...200°С) имеются в Крыму, Закарпатье и других районах. При возможности устройства скважины такие воды могут быть дешевым способом обогрева теплиц. Но при этом следует учитывать их минерализацию и агрессивность, которые вы­зывают коррозию и солеотложение в трубопроводах и обору­довании. Наиболее оптимальна для теплоснабжения теплиц пре­сная, слабо газонасыщенная неагрессивная геотермальная во­да. Она без всякой специальной обработки может использо­ваться в системах отопления, а также для полива с учетом ее химического состава и агротехнических условий. При монтаже систем отопления на геотермальных водах необходимо: обеспечить возможность продувки системы в целом и от­дельных ее частей; устанавливать преимущественно бессальниковую армату­ру при минимальном количестве резьбовых соединении; добиться, чтобы скорость движения воды во всех элементах системы была не менее 0,2 м/с для выноса взвесей»1 шлама и воздуха; сечение труб подбирать с запасом на 30...40 %; предусмотреть сети для сброса геотермальной воды из ме­ таллических труб; обеспечить способы защиты систем от коррозии и солеотложения (применение ингибиторов коррозии, антинакипных реагентов, катодной и протекторной защит и др.). Термальные воды также могут быть использованы для до­ полнительной изоляции и нагревания. Их распыляют между слоями двойной фольги на крыше, в результате чего энергети­ ческие расходы по сравнению с обычной теплицей снижаются на 50-60 %. Без изменения конструкции такие теплицы могут быть успешно использованы и для охлаждения: водный экран со­здает овощным культурам оптимальные условия.  Известно немало примеров использования солнечной энергии для обогрева индивидуальных теплиц. Но этот неис­черпаемый и идеально чистый с экологической точки зрения источник энергии применительно к отоплению теплиц имеет свои недостатки: прерывистость и сезонная изменчивость из­лучения (зависимость от погоды, времени суток и времени года), низкая плотность светового потока, необходимость пре­образования лучистой энергии в другие виды тепловой энер­гии. Система гелиоснабжения (рис. 29)



 включает следующие элементы: солнечный коллектор (гелиоприемник), аккумулятор  тепла, запасающий энергию на период различной продолжитель­ности, систему трубопроводов или воздуховодов, по которым теплоноситель поступает от коллектора к растениям; насос или вентиляторы для подачи теплоносителя, дополнительный источник тепла, обеспечивающий необходимое количество тепла при отказе аккумулятора или коллектора. В качестве теплоносителя в системе гелиоснабжения при­меняют воду или воздух. Использование воды более эффек­тивно, так как ее удельная теплоемкость значительно выше, чем воздуха. Существует несколько вариантов гелиотеплиц. Одна из конструкций предполагает покрытие из трех слоев полиэти­леновой пленки. В пространство между двумя внутренними слоями подается мелко распыленная вода в виде аэрозоля, которая нагревается солнцем и, конденсируясь на внутренней поверхности пленки, стекает но ней в железобетонный желоб, размещенный по контуру теплицы. Вода стекает теплая, поэ­тому ее перед сбросом пропускают через аккумулятор и систе­му отопления теплицы. Покрытие теплицы можно также выполнить из светопрозрачных пластмассовых панелей или двух слоев профилиро­ванного стеклопластика. В качестве теплоносителей в них применяют жидкость с увеличенной поглощающей способно­стью. Рассмотренные системы достаточно сложны. Существует более простой способ использования солнечной энергии. Эф­фективность работы такой установки (рис. 30)



 обеспечивает нагревательная батарея, состоящая из 30 параллельно уло­женных латунных трубок диаметром 16 мм, спаянных по тор­цам в сборный коллектор сечением 40 x 40 мм. Если нет трубок, можно использовать листы жести или кровельного железа с зазором в 10.. 15 мм. Для подачи холодной воды и отвода горячей устанавливают патрубки. Батарею помещают в изо­лированный (утепленный) ящик размером 1,2 x1,0 м. Сверху его накрывают (под углом 35°) окрашенным в черный цвет стеклом. Нагревательная система обращена стеклами на юг; резиновыми шлангами она соединяется с бачком или бочкой, доверху заполненными водой. Под воздействием солнечных лучей вода в замкнутой циркуляционной системе приходит в движение и к 12... 13 ч нагревается до 35...45°С, а к 17 - до 55…60 ° С. Важным элементом любой системы гелиотеплоснабжения является аккумулятор тепла. Основой последнего служит теплоаккумулирующий материал, обладающий высокой тепло­емкостью и плотностью, имеющий минимальную стоимость, а также являющийся безопасным и нетоксичным. Материал по­мещается в емкость, изолирующую его от окружающей среды и ограничивающую потери тепла. Соответствующее оборудо­вание и теплоноситель предназначены для передачи тепла от источника энергии к теплоаккумулирующему материалу при зарядке аккумулятора и от теплоаккумулирующего материа­ла к потребителю. Опытные данные свидетельствуют, что наиболее рацио­нально использовать в качестве аккумулятора грунт и основа­ние под ним, а в качестве теплоносителя - воду. В Средней Азии, например, используются гелиотеплицы с простейшими аккумуляторами тепла (рис. 31).



 Слой теплоизолятора, на­пример полистирола, покрывается пленкой, крупнозерни­стым водонасыщенным песком и грунтом. Более надежной считается конструкция аккумулятора, состоящего из распо­ложенных под грунтом теплицы слоев полистирола, полиэти­леновой пленки, гравия, пористого бетона. Даже такие про­стые решения позволяют при температуре наружного воздуха   до -15° С поддерживать в теп­лице параметры воздуха, бла­гоприятные для выращивания растений. Максимально использовать солнечную энергию позволяет асимметричная конструкция кровли (рис. 32).



 Она устраи­вается так, чтобы в полдень, во время зимнего стояния Солнца  (21 декабря), направление лу­чей было перпендикулярно ей. В день летнего солнцестояния (21 июня) большинство лучей отражается от крыши, умень­шается перегрев теплицы. Такая конструкция позволяет до 15...20 % увеличить поступление солнечной радиации в зим­ний, осенний и весенний периоды по сравнению с обычной теплицей. Для сохранения тепла рекомендуется использовать защит­ные экраны из полимерных материалов, временно устанавли­вать пенопластовые панели, особенно с северной стороны. Аккумулятором тепла также может быть металлическая бочка (рис. 33)



 вместимостью 200-300 л, устанавливаемая в хорошо утепленный ящик. Ее подключают к гелиоустановке, располагаемой рядом. Как видим, систем и способов обогрева растений в теплицах немало.
http://energi.ucoz.ru/index/otoplenie_teplicy/0-45