Використання енергії сонця для енергопостачання будинків

Перспективним джерелом тепла в Україні є енергія сонця. Рівень інсоляції становить від 3,8 ГДж/м² на заході до 4,99 ГДж/м² – на півдні країни [23]. Інтенсивність сонячного випромінювання в Україні складає приблизно 3,48 МВт·год/рік. Тому сонячну енергію можна достатньо ефективно використовувати для теплопостачання будинків. Здійснюють таке теплопостачання переважно за двома принциповими схемами, які передбачають пасивне або активне використання сонячної енергії. Будинки з пасивним використання енергії сонця можна визначити як кліматично збалансовані будівлі, в яких максимально використовується теплота сонячної радіації для обігріву приміщень. Задача проектування будинків із пасивним використанням енергії сонця полягає в застосуванні оптимальних взаємоузгоджених архітектурно-конструктивних і об'ємно-планувальних заходів, які сприяють максимальній утилізації теплоти сонячної радіації у тепловому балансі приміщення у холодну пору року і не приводять до перегріву приміщення в теплий період року. Архітектор повинен пам'ятати, що найбільший ефект економії енергії досягається у будинках, де одночасно використовують активні і пасивні системи утилізації енергії сонця.

В практиці проектування будинків із пасивним використанням теплоти сонячної радіації для зниження витрат електроенергії на обігрів приміщень враховують таке: орієнтацію будинку, площу вікон у зовнішніх огороджувальних конструкціях, місце розташування світлових прорізів, спосіб регулювання тепло- та сонцезахисту світлового прорізу, теплотехнічні показники матеріалів огороджувальних конструкцій. Раціональною вважають таку конструкцію будівлі, яка забезпечує максимальне теплонадходження у житлові приміщення. Для південних районів рекомендується приймати будинки широтної орієнтації, витягнуті у плані, щоб забезпечити найбільше надходження теплоти сонячної радіації у холодну пору року і найменше – у теплу. Захист приміщення від перегріву у теплу пору року можливо досягти за рахунок архітектурно-конструктивних і об'ємно-планувальних рішень. Так, наприклад, спальні кімнати слід розташовувати так, щоб вони освітлювались сонцем лише в ранкові години, а решту житлових кімнат – у денні години. Якщо влітку спальні кімнати будуть нагріватись у вечірні години, то вночі їх важче буде охолоджувати.

Для забезпечення найбільших надходжень теплоти сонячної радіації у холодний період року світлові прорізи слід орієнтувати на південь і при цьому передбачати захист від надходження теплоти сонячної радіації в теплу пору року. В цьому випадку досить ефективне застосовування зовнішніх або міжвіконних теплоємних сонцезахисних пристроїв типу штор, ставень, жалюзей чи інших екранів із теплозахисних матеріалів, які в нічний час забезпечують додатковий теплозахист і зниження добових витрат енергії на обігрів приміщення. Для огороджень південної орієнтації з метою збільшення надходжень теплоти від сонячної радіації в холодну пору року при низькому стоянні сонця і зменшення надходжень теплоти від сонячної радіації в теплу пору року при високому стоянні сонця доцільно проектувати світлові прорізи, в яких ширина більша за висоту або передбачати спеціальні козирки.

Збільшення коефіцієнта засклення огороджень, що орієнтовані на південь, і одночасне використання теплоємного регульованого сонцезахисту сприяє покращенню добового теплового балансу приміщень.

У малоповерхових будинках для пасивного використання енергії сонця використовують конструкцію «масивна стіна» Тромба-Мішеля (рис. 9.7). В цих конструкціях біля зовнішнього огородження, що орієнтоване на південь, влаштовують екран із одно- або двошарового засклення таким чином, щоб між шарами скла були прошарки повітря. Нагріте повітря у прошарку через спеціальні отвори у верхній частині стіни надходить у приміщення і в холодну пору року нагріває його, а охолоджене – через отвори в нижній частині стіни, вертається у прошарок. Влітку перегріте повітря скидається за межі приміщення.

Активне використання сонячної енергії, на відміну від пасивного, передбачає застосування сонячних установок (солярних, геліо), що перетворюють сонячну енергію у теплову, яка призначається для теплопостачання будинку. Основою сонячної установки (рис. 9.8) є сонячні колектори.

Рис. 9.7 - Схема конструкції «масивна стіна» Тромба-Мішеля:

1 – масивна стіна;

2 – чорна поверхня;

3 – засклення

Рис. 9.8 - Схема системи теплопостачання із використанням геліоустановки:

1 – сонячний колектор; 2 – водонагрівач; З – додаткове джерело енергії; 4 – насос; 5 – регулятор роботи додаткового джерела енергії; 6 – холодна вода; 7 – гаряча вода; 8 -верхній датчик установки; 9 – нижній датчик установки; 10 – датчик водонагрівача; 11 – мережа додаткового джерела енергії

Наприклад, вакуумний сонячний колектор, який має вигляд панелі, на котрій розміщені трубки Девара (борно-силікатне скло). Це двостінні трубки (одна в одній), у просторі між ними – вакуум. Внутрішня скляна трубка має селективну оболонку-поглинач, яка акумулюює теплову енергію. Теплоносій – рідина, яка не замерзає (на основі гліколю, витримує до
-40 °С). Ним заповнений перший контур солярної установки, який з'єднує сонячну батарею з водяним теплообмінником необхідного об'єму. Крім цього, до складу геліоустановки входять: насоси, пульт управління, регулятор температури. Щоб підвищити ефективність роботи установки, в теплообміннику застосовують додаткове джерело енергії, наприклад електронагрівач, який підігріває воду в зимовий період або в холодну чи хмарну погоду.

Геліоустановки класифікуються: за способом перетворення сонячної енергії (крім безпосереднього нагріву теплоносія, відомі електрохімічний, фотоелектричний, барогальванічний та інші); за формою сонячного колектора (плоскі та концентруючі параболоциліндричної форми); за типом теплоносія (вода, повітря).

Геліоустановки використовуються для приготування гарячої води і опалення будинків. Система опалення може бути окремою від системи гарячого водопостачання або поєднана з нею. Якщо передбачається лише опалення будинків із використанням геліоустановок, то, в цьому випадку, переважно влаштовують не водяну, а повітряну систему, як простішу і економічнішу.

Системи сонячного теплопостачання передбачають влаштування сонячних колекторів на даху під кутом 45-50° або на вертикальних південно орієнтованих огороджуючих конструкціях. Площа сонячного колектора займає значну площу і тому є визначним формоутворюючим елементом будинку. Крім того, поверхня сонячного колектора може бути гладкою плоскою, хвилястою, трубчастою або ребристою і до того ж чорного кольору для кращого поглинання сонячної енергії.

Архітектору слід пам'ятати, що традиційне розташування колекторів на даху може дати економію коштів на влаштування самого даху, але при цьому можлива деяка монотонність забудови. У випадку встановлення на будинку замість сонячних колекторів сонячних концентраторів, як правило, параболоциліндричної форми, задача архітектора спрощується, оскільки їх можна розташовувати на плоскому даху, тобто розташувати так, щоб вони були невидимі з землі і не впливали на зорове сприйняття будинку в цілому.

Крім систем сонячного теплопостачання, використовують сонячні фотоелектричні установки, які безпосередньо перетворюють сонячну радіацію на електричну енергію за допомогою напівпровідникових фо-тоелектроперетворювачів (рис. 9.9, 9.10). В цих установках для роботи приладів перемінного стуму передбачають інвертори.

Рис. 9.9 - Принципова схема сонячної фотоелектричної установки

Рис. 9.10 - Схема енергопостачання індивідуального будинку від сонячної фотоелектричної установки

Дата добавления: 2015-10-24