Пассивные солнечные системы для отопления сельскохозяйственных зданий и сооружений

В современных сельскохозяйственных сооружениях для отопления применяют печное, газовое и электрическое отопление. Самое распространенным видом отопления является водяное отопление. В некоторых местах по климатическим зонам и с учетом продолжительности отопительного сезона в сельскохозяйственных сооружениях предпочтение отдают воздушному отоплению, совмещенному с приточной вентиляцией. Для водяных и паровых калориферов сооружают котельные, что не всегда экономически выгодно.

В основе многих солнечных энергетических систем лежит применение солнечных коллекторов. Коллектор поглощает световую энергию Солнца и преобразует ее в тепло, которое передается теплоносителю и затем используется для обогрева зданий, нагрева воды и т.п. Солнечные коллекторы могут применяться практически во всех процессах, использующих тепло.

Солнечный коллектор теряет тепло различными способами. Коэффициент потерь через прозрачную изоляцию зависит от температуры поглощающей пластины (поверхности коллектора), числа и материала прозрачных покрытий, температуры окружающей среды и скорости ветра.

Нанесение на теплоприемную (лучепоглощающую) поверхность солнечного коллектора поглощающих селективных покрытий, обладающих высокой поглощательной способностью солнечного излучения и низкой степенью черноты в спектральной области собственного излучения поверхности при рабочей температуре, является одним из действенных способов повышения эффективности коллектора.

В мировой практике научные и конструкторские работы преимущественно ведутся в направлении разработки и создании пассивных систем солнечного отопления, отличающиеся от активных систем своей простотой и дешевизной. Простота конструктивных решений пассивных систем солнечного отопления не требуют больших дополнительных капитальных, эксплуатационных и ремонтных затрат. Пассивные солнечные здания и сооружения - это те, проект которых разработан с максимальным учетом местных климатических условий, и где применяются соответствующие технологии и материалы для обогрева, вентиляции, охлаждения и освещения здания за счет энергии Солнца. К ним относятся традиционные строительные технологии и материалы, такие как изоляция, массивные полы, обращенные к югу окна. Такие помещения могут быть построены в некоторых случаях без дополнительных затрат. В других случаях возникшие при строительстве дополнительные расходы могут быть скомпенсированы снижением энергозатрат.

Пассивные солнечные здания являются экологически чистыми, они способствуют созданию энергетической независимости и энергетически сбалансированному будущему.

В пассивных системах роль солнечного коллектора и аккумулятора теплоты обычно выполняют сами ограждающие конструкции здания, а движение теплоносителя (воздуха) осуществляется за счет естественной конвекции без применения вентилятора. Отсутствие расходов на оборудование и незначительное удорожание здания с пассивной системой солнечного отопления по сравнению с обычным зданием делает эти системы весьма перспективными и конкурентоспособными. Поэтому в ряде стран интенсивно развивается направление, связанное с применением так называемых пассивных систем солнечного отопления.

Пассивные системы солнечного отопления основаны на сборе энергии солнечного излучения на зачерненных поверхностях, защищенных прозрачным покрытием, их нагрев с последующей передачей тепла теплопроводностью и свободной конвекцией в обогреваемое помещение. Преимущество системы с коллекторно-аккумулирующей стенкой по сравнению с системой прямого обогрева через остекленные проемы - это наиболее рационально организованное поступление тепла в обогреваемое помещение, которое позволяет уменьшить потери тепла за счет уменьшения сбросового тепла из-за перегрева внутри помещения и максимального поступления его в помещение в наиболее холодное время суток.

Главное преимущество пассивных систем солнечного отопления с коллекторно-аккумулирующей стенкой -это наиболее выгодное распределение поступления энергии во времени, уменьшение возможности перегрева и связанным с ним дополнительных потерь тепла. С помощью конструктивных решений можно уменьшить потери тепла от коллекторно-аккумулирующей стенки и тем увеличить эффективность системы.

Эффективность пассивных систем основывается на их сравнительно низкой стоимости, возможности использовать как прямую так и рассеянную солнечную радиацию, приток которой в зимнее месяцы на горизонтальную поверхность может составлять более половины от суммарной. Из этого следует, что эффективность пассивной системы удобно определять отношением тепла поступающего от солнца к общей величине тепла необходимого для создания комфортных условий в помещении или к отопительной нагрузке.

Одним из наиболее часто встречающихся недостатков конструкции коллекторно-

Агротехника и энергообеспечение. - 2022. - № 4 (37) |123

аккумулирующей стенки в проектируемых сооружениях с солнечным теплоснабжением является использование стенки малой аккумулирующей способности при большом ее термическом сопротивлении. Следствием этого становится значительное повышение температуры наружной поверхности стенки, ведущее к увеличению тепловых потерь через остекление [1-4].

Методика расчета и теоретические исследования пассивных систем весьма сложны, что затрудняет обоснованное проектирование сооружений с такими системами. В ряде работ отечественных и зарубежных авторов предлагались математические модели с разной степенью приближения для определения текущих значений искомых параметров. Эти модели весьма сложны и громоздки, так как должны учитывать изменяющиеся внешние условия, теплоусвоение сооружения и условия его теплообмена с внешней средой, теплообмен внутри помещений, условия облучения коллекторно-аккумулирующей стенки и т.п.

В связи с этим практически интерес приобретает задача создания простых аппроксимационных методов расчета интегральных характеристик систем пассивного солнечного отопления сооружений за отопительный сезон в целом, например, такой характеристики, как коэффициент замещения отопительной нагрузки, который определяет как технические, так и экономические показатели таких систем. Коэффициент замещения отопительной нагрузки является сложной функцией, как метеорологических условий в месте постройки здания, так и архитектурно-планировочных и конструктивных особенностей постройки пассивной системы солнечного отопления. Если рассматривать влияние на систему изменения толщины и теплопроводности коллекторно-аккумулирующей стенки, то следуя электротепловой аналогии и учитывая, что принятая методика относится к квазистационарному приближению с использованием величин осредненных за месяц, количество тепла, прошедшее через коллекторно-аккумулирующей стенки, можно определить посредством простого уравнения теплового баланса[5-8].

Для сплошной однородной стенки при отсутствии циркуляции воздуха оно будет иметь вид: Q = [ α Σ ( T 3 - T 2 ) + α 1 ( T 3 - T 1 ) ] ∆ τ                                    (1)

где: Q -тепло поглощенное наружной поверхностью коллекторно-аккумулирующей стенки, осредненное за длительный промежуток времени, в течении времени ∆τ ; T1 -температура окружающей здание среды (осредненные значения); T2 -температура внутри помещения; T3 -температура наружной поверхности коллекторно-аккумулирующей стенки.   αΣ и α1 - соответственно суммарные коэффициенты теплопередачи от наружной поверхности коллекторно-аккумулирующей стенке в помещение и к внешней среде.

α Σ = ₁ ¹ _δ                                             (2)

+ α2 λ

α ₂ -коэффициент теплопередачи от внутренней поверхности коллекторно-аккумулирующей стенки к воздуху в помещение; δ , λ -толщина и коэффициент теплопроводности стенки.

Из уравнений (2) следует, что эффективность стенки будет возрастать при увеличений αΣ , уменьшений α и T . α будет увеличиваться с увеличением α и при уменьшении . На основе λ этого провели анализ эффективности отопления сооружений с коллекторно-аккумулирующей стенкой из материала с различной теплопроводностью, но с одинаковой плотностью и теплоемкостью. В этом случае для соблюдения подобия или условия одинакового запаздывания тепловой волны, чтобы максимум повышения температуры внутренней поверхности коллекторно-аккумулирующей стенке приходился на определенное время суток, необходимо соблюдать равенство безразмерного времени или критерия Фурье. Это требование относится к долгосрочным осредненным значениям при изменении температуры в стенке в течении суток.

Выводы. В заключение можно сделать вывод, что, оказывается, выгодно использовать для коллекторно-аккумулирующей стенки более теплопроводный материал. В этом случае уменьшается внешний коэффициент теплопередачи и средняя температура наружной поверхности стенки, что снижает потери в окружающую среду.

Вентиляция позволяет поддерживать оптимальный уровень комфорта и влажности в помещение. К тому же традиционный способ вентиляции приводит к значительному увеличению потерь тепла. Для сокращения потребления энергии, расходуемой на отопление и вентиляции, необходимо целенаправленно расширять проектирование и возведение сельскохозяйственных сооружений не только с качественной тепловой изоляцией строительных конструкций, но и системами пассивного солнечного отопления с коллекторно-аккумулирующей стенкой.

Таким образом, на сегодняшний день данная технология является наиболее эффективной технологией использования солнечной энергии в теплоснабжении зданий и сооружений на большей части России.

Итак, мы рассмотрели один из вопросов использования солнечной энергии для использования в системах теплоснабжения зданий и сооружений.

В перспективе обогрев сельскохозяйственных сооружений органическое топливо может быть заменено нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии.

Садыков Жамал Джаббарович - ст. преподаватель.

Файзуллаев Ихтиёр Мукимович – ст. преподаватель.

Каршинский инженерно-экономический институт, г.Карши, Узбекистан.

Sadykov Zhamal Jabbarovich - Art. teacher.

Fayzullaev Ihtiyor Mukimovich - Art. teacher. Pardaev Zokir Elmurodovich - Art. teacher. Khamraev Tolib Yarashevich - Art. teacher.

Karshi Engineering and Economic Institute, Karshi, Uzbekistan.