Розрахунок і конструкція теплоакумулятора сонячної батареї. Сонячний обігрів будинку.

Теплоаккумулятор покликаний накопити зайве тепло, вироблене сонячним колектором, і рівномірно розподілити його на протязі доби або навіть декількох днів. Робити сонячний колектор без якого або теплового акумулятора немає великого сенсу (хіба що з розрахунку на теплову інерційність будинку). Але по логіці, слід робити такий комплекс з теплового акумулятора і сонячного колектора, який би забезпечував би будинок теплом хоч би одну ніч (після сонячного дня або хоч би декількох сонячних годин). А краще - в течії декількох днів після хоч би одного сонячного дня.

В той же час, не варто наївно сподіватися тільки на сонячний обігрів в умовах середньої смуги Росії. Досить тривалий похмурий період з жовтня по лютий, короткий світловий день і маленький кут нахилу Сонця роблять сонячний обігрів в цей період дуже проблематичним. Тому сонячний обігрів слід сприймати як спосіб економії витрат на опалювання, а не повну альтернативу традиційному опалюванню.

Теплоаккумулятор повинен представляти з себе досить тепломісткий пристрій, здатний швидко акумулювати теплову енергію, достатньо довго його зберігати і віддавати на вимогу. Його теплоємність повинна відповідати як потужності сонячного колектора, так завданням, що стоять перед теплоаккумулятором. Взагалі кажучи, на Русі користувалися теплоаккумулятором спрадавна. Усе відома т.з. "російська піч". Це декілька тонн цеглини і досить велика камера для горіння дрів. Будучи інтенсивно протоплена в течії декількох годин, така піч зберігала тепло декілька діб! Чим вам не теплоаккумулятор?

Конструкція теплоаккумулятора визначається фізикою процесу. З сонячного колектора поступає повітря з температурою 40-60 градусів. Цим повітрям обдувається робоче тіло теплоаккумулятора. Воно нагрівається і коли потрібно, через нього починають продувати повітря, яке потім направляють на обігрів приміщень.

Давайте розрахуємо, скільки тепла зможе виробити сонячний колектор (його умовний квадратний метр) і який теплоаккумулятор повинен йому відповідати. Допустимо, сонячний колектор ефективно освітлюється сонцем 6 годин. За цей час на нього падає приблизно 5 Квт теплової енергії. Це еквівалентно 18 Мдж. Подивимося, як нам краще запасти цю енергію (ККД ми доки не враховуємо).

В переважній більшості випадків автори всіляких проектів рекомендують використовувати кам'яно-гравієві теплоаккумуляторы. Цього вистачає розумно. Матеріал вічний, до ніяких дій не схильний. Нічого не боїться. Але теплоємність каменю = 0,8 Кдж/кг*град. Що б запасти усю енергію сонячного колектора, нам буде потрібно приблизно 750 кг. Каменів (приумові, що початкова температура каменів була 20 градусів.)

750 кг це не багато, десь 0,3-0,4 кубометра. Але запасеного тепла нам досить на опалювання усього 2-х квадратних метрів площі (з розрахунку 100 ватів/метр).

5000 Ватів / 24 години / 100 ватів = 2,08 метри. (і це без урахування ККД і всіляких втрат).

А що б запасти тепло на добу для будинку в 100 кв. метрів, нам буде потрібно відповідно в 50 разів більший сонячний колектор і в 50 разів більший теплоаккумулятор. Тобто сонячний колектор в 50 кв. метрів і акумулятор на 37,5 тонн ! (Реально - тонн 50). Такий теплоаккумулятор займатиме об'єм вже в 20-25 кубометрів. І це усього лише заради опалювання на 1 доби!

Якщо сонячна погода коштує декілька днів підряд, можна було б запасти тепло більше, але другий закон термодинаміки свідчить, тепло не передається від холоднішого тіла до теплішому в звичайних умовах. Тобто як тільки теплоаккумулятор нагріється до температури повітря, що обдуває його, він перестане поглинати і накопичувати тепло. Зробититеплоаккумулятор більш тепломістким можна або подальшим його нарощуванням за об'ємом, або застосуванням більш тепломістких матеріалів.

Самим тепломістким (і безкоштовним) матеріалом є вода. Її теплоємність ~ 4.2 Кж/кг*град. Це в 5,25 разів більше, ніж у каменю. Тобто для того умовного метра сонячного колектора нам буде потрібно не 750 кг каменю, а приблизно 150 літрів води. (для добового акумулятора і 50 метрового сонячного колектора відповідно ок. 7,5 тонн води. ).

Але якщо організувати теплообмін між повітрям і каменями простіше простого (проклав воздуховод і завалив його каменями, повітря проходитиме в щілині між каменями і обмінюватися з ним теплом). Те зробити теплообмінник вода / повітря набагато складніше. Проте тут є дуже цікаве і дотепне рішення - створити штучні камені з теплоємністю води! Як? Та розлити воду по пластикових ПЕТ пляшках і каністрах!Численні проміжки між ними будуть тим самим теплообмінником вода/повітря.

Звичайно, пляшок і каністр буде потрібно дуже багато для декількох десятків тонн води, та зате не потрібно буде робити ніякого теплообмінника.

Зрозуміло, людина, що задумала влаштувати у себе сонячне опалювання з колектора і теплоаккумулятора, швидше за все виходитиме не з того, що потрібно або хочеться, а з того, що він може собі дозволити зробити. Якщо є дах певного розміру, з якого можна зробити сонячний колектор, то навряд чи він робитиме сонячний колектор спеціально (більшого розміру або в стороні від будинку). Те ж і з теплоаккумулятором. Адже це не бочка з водою для садового душу. Тут рахунок йде на кубометри. І влаштувати теплоаккумулятор з бухти - барахты навряд чи вдасться. Місце для нього потрібно заздалегідь резервувати на стадії проектування будинки. Чим я власне і займаюся.

Отже, в моєму випадку, згідно проекту під теплоаккумулятор виділяється приблизно 60-65 кубометрів підвалу. Тут можна будерозмістити близько 50 тонн води (у каністрах по 10-20 літрів і тому подібне) В теплооборот будуть так само включені приблизно 30 куб. метрів бетону (ок. 50 тонн) що становлять стіни підвалу теплоаккумулятора (їх планується утеплювати з іншого боку для зменшення тепловтрат акумулятора).

Таким чином максимальна теплоємність мого теплоаккумулятора (для перепаду температур в 40 градусів складе 50.000 кг * 4,2 КДж * 40 + 50.000 кг * 0,8 КДж * 40 = 10.000 Мдж (10 ГДж). Це еквівалентно спалюванню приблизно 600-1000 кг відбірних дрів (1,5-2 кубометри). Більше цієї кількості тепла я не зможу запасти навіть теоретично. Якщо врахувати що опалювання буде потрібно близько 100 ватів/година/кв.м, (0,36 Мдж), то я зможу цим теплом обігріти 27000 кв.м/година (тобто або 100 кв.метров в течії 270 годин, або 200 кв. метрів в течії 135 годин, або 25 метрів в течії 1000 годин і так далі). Зрозуміло це залежить від конструкції будинку і організації теплоаккумулятора і системи повітряного опалювання.

Тепер давайте розрахуємо, за який час мійсонячний колектор зможе нагрівати цей теплоаккумулятор. Сонячний колектор теоретично може мати площу до 100 кв. метрів. Допустимо, з кожного метра я зможу знімати по 500 Ватів енергії в годині (це приблизно 1,8 МДж/години. Відповідно з усього колектора 180 Мдж/години. Що б зарядити увесь теплоаккумулятор "по саму кришку" відповідно буде потрібно 10000 / 180 = 55-60 сонячних годин. У реальності - значно більше, оскільки у теплоаккумулятора є і тепловтрати. Можливо, в реальності він ніколи і не зарядиться на повну силу.

Отримати 60 сонячних годин підряд, як розумієте, абсолютно неможливо. Максимальний час, в течії якого сонячний колектор - дах працюватиме - це 5-6 годин у кращому разі. Дах орієнтований на південь і уранці і увечері чекати від неї ефективної роботи не коштує. Але за 5-6 годин вона здатна видати близько 1000 МДж тепла (тобто зарядити теплоаккумулятор на 1/10 йогомісткості). Правда є невеликий резерв у вигляді прибудованого до будинку зимового саду. Площа його даху приблизно 50 кв. метрів, можливо з нього теж можна буде отримувати певну кількість тепла.

Напрошується вивід: Необхідно розділити теплоаккумулятор на декілька "банок" - відділів. Тоді можна буде управляти їм по значно гнучкішому алгоритму. Якщо сонячний день - випадковість, і їх всього 1-2, то в течії його і зарядити 1-2 "банки" (наприклад 20%) акумулятора. Зате практично повністю. Якщо ж встановилася гарна погода надовго, то послідовно заряджати усі інші банки теплоаккумулятора. Так само слід і витрачати теплову енергію, по черзі "розряджаючи" відділи акумулятора.

Для такої організації "банки" мають бути серйозно теплоізольовані один від одного, але мати можливість об'єднаються. Гнучка система управління дозволить якнайповніше використовувати потенціал сонячного опалювання.

Інший вивід, який можна зробити з наведених вище розрахунків, : При правильній організації сонячногомаючи в розпорядженні певні початкові дані, можна розрахувати усі інші параметри сонячного обігріву.

Наприклад, у вас є можливість зробити сонячний колектор площею 10 кв. м, який буде висвітлений в течії 5 годин. Отримаємо 5.6 * 10 * 5 = 250.300. Відповідно, ми зможемо опалювати 25 кв.м. в течії 10-12 годин. Чи 10 кв. м в течії доби.

Очевидно, що маючи невеликий сонячний колектор, немає сенсу закладається на опалювання усього будинку. Краще якісно обігрівати 1 приміщення . Це вже дасть істотне економію палива або електроенергії. Але приведені розрахунки доводять, що організовувати сонячний обігрів в середній смузі ЕЧ Росії як основний - досить проблематично. А ось використовувати його як допоміжний - дуже перспективно.

Думайте самі. У кінці ранньої осені, після бабиного літа, після теплих ясних днів, теплоаккумулятор великої місткості буде заряджений практично повністю. Це забезпечить дуже істотну економію палива в період практично до кінця листопада. У грудні ісічні сонячний обігрів працювати не буде, а починаючи приблизно з середини лютого сонячні дні вже не рідкість і сонячний обігрів знову почне набирати оберти. C середини березня сонячний обігрів може зробити вже непотрібним використання традиційного палива. Таким чином, ми скорочуємо опалювальний сезон всього до 2-3 місяців, замість 6-7! Економія палива мінімум 50% . Враховуючи практично вертикальне зростання цін на енергоносії окупність витрат на створення сонячного обігріву складе максимум декілька років.

Костянтин Тимошенко
 

Додати коментар

Шановні гості! Для того, щоб залишити своє запитання або прокоментувати статтю Вам потрібно заповнити форму.Після перевірки адміністратором вона буде опублікована.


Захисний код
Оновити

Автор: Ivan Fedchenko