Солнечное тепло воздуха
Солнечное воздушное отопление — это солнечная тепловая технология, при которой энергия солнца, инсоляция , улавливается поглощающей средой и используется для нагрева воздуха. [1] Солнечное воздушное отопление — это технология отопления с использованием возобновляемых источников энергии, используемая для нагрева или кондиционирования воздуха в зданиях или для технологических процессов отопления. Как правило, это наиболее экономически эффективная из всех солнечных технологий, особенно в коммерческих и промышленных целях, и она обеспечивает наибольшее использование энергии зданий в отопительном климате, а именно отопление помещений и отопление промышленных процессов.
Солнечные воздушные коллекторы можно разделить на две категории: [2]
- Неглазурованные воздушные коллекторы или транспирированные солнечные коллекторы (используются в основном для нагрева окружающего воздуха в коммерческих, промышленных, сельскохозяйственных и технологических приложениях)
- Застекленные солнечные коллекторы (рециркуляционные типы, которые обычно используются для отопления помещений)
Типы коллекторов
[ редактировать ]Солнечные коллекторы для нагрева воздуха можно классифицировать по путям распределения воздуха или по материалам, например, глазурованные или неглазурованные. Например:
- проходные коллекторы
- передний проход
- обратный проход
- Комбинированные коллекторы с передним и задним проходом
- неглазурованный
- застекленный
Неглазурованные воздухосборники и транспирированные солнечные коллекторы
[ редактировать ]Фон
[ редактировать ]Термин «неглазурованный воздухосборник» относится к системе солнечного воздушного отопления, которая состоит из поглотителя без стекла или остекления сверху. Наиболее распространенным типом неглазурованного коллектора на рынке является транспирированный солнечный коллектор. [3] Эта технология была изобретена и запатентована канадским инженером Джоном Холликом из Conserval Engineering Inc. в 1990-х годах. [4] который работал с Министерством энергетики США ( NREL ) и Министерством природных ресурсов Канады над коммерциализацией технологии по всему миру. [5] Эти правительственные учреждения тщательно контролируют технологию, а Министерство природных ресурсов Канады разработало инструмент технико-экономического обоснования RETScreen. [6] смоделировать экономию энергии от транспирированных солнечных коллекторов. Джон Холлик и солнечный коллектор были отмечены Американским обществом инженеров-механиков (ASME) в 2014 году как одни из лучших изобретений индустриальной эпохи, наряду с Томасом Эдисоном, Генри Фордом, паровым двигателем и Панамским каналом – в Нью-йоркская выставка, посвященная лучшим изобретениям, изобретателям и инженерным достижениям последних двух столетий.
Несколько тысяч транспирированных солнечных коллекторных систем были установлены в различных коммерческих, промышленных, институциональных, сельскохозяйственных и технологических приложениях в более чем 35 странах мира. [7] [8] Первоначально эта технология использовалась в основном в промышленных целях, таких как производственные и сборочные предприятия, где предъявлялись высокие требования к вентиляции, послойное нагрев потолка и часто отрицательное давление в здании. Первый в мире неглазурованный коллектор транспира был установлен компанией Ford Motor Company на своем сборочном заводе в Оквилле, Канада. [9]
С ростом стремления к установке систем возобновляемой энергии в зданиях транспирированные солнечные коллекторы теперь используются во всем фонде зданий из-за высокого производства энергии (до 500-600 пиковых тепловых ватт на квадратный метр), высокого преобразования солнечной энергии (до 90%). ) и более низкие капитальные затраты по сравнению с солнечными фотоэлектрическими системами и солнечным нагревом воды . [10]
Метод работы
[ редактировать ]Неостекленные воздухосборники нагревают окружающий (наружный) воздух вместо рециркуляционного воздуха в здании. Транспирированные солнечные коллекторы обычно монтируются на стене, чтобы улавливать нижний угол солнечного света в зимние месяцы отопления, а также отражать солнце от снега и достигать оптимальной производительности и окупаемости инвестиций при работе со скоростью потока от 4 до 8 кубических футов в минуту на квадратный фут. (от 72 до 144 м3/ч.м2) площади коллектора.
Внешняя поверхность солнечного коллектора состоит из тысяч крошечных микроперфораций, которые позволяют пограничному слою захватывать тепло и равномерно втягивать его в воздушную полость за внешними панелями. Нагретый солнечными лучами вентиляционный воздух втягивается в систему вентиляции здания из воздуховыпускных отверстий, расположенных вдоль верхней части коллектора, а затем воздух распределяется по зданию обычными способами или с помощью системы солнечных воздуховодов.
Обширный мониторинг, проведенный Natural Resources Canada и NREL, показал, что системы транспирированных солнечных коллекторов снижают на 10-50% традиционную отопительную нагрузку и что RETScreen является точным предсказателем производительности системы. [11]
Транспирированные солнечные коллекторы действуют как экран от дождя, а также улавливают потери тепла, выходящие из ограждающих конструкций здания, которые собираются в воздушной полости коллектора и возвращаются в систему вентиляции. Солнечные системы воздушного отопления не требуют технического обслуживания, а ожидаемый срок службы составляет более 30 лет. [12]
Вариации транспарированных солнечных коллекторов
[ редактировать ]Незастекленные коллекторы испарений также можно монтировать на крыше в случаях, когда нет подходящей стены, выходящей на юг, или по другим архитектурным соображениям. Ряд компаний предлагают коллекторы вытяжного воздуха, подходящие для установки на крыше, либо монтируемые непосредственно на наклонную металлическую крышу, либо в виде модулей, прикрепленных к воздуховодам и подключаемых к близлежащим вентиляторам и установкам HVAC.
Более высокие температуры также возможны с использованием трансспиральных коллекторов, которые можно настроить на двойной нагрев воздуха, чтобы увеличить повышение температуры, что делает его пригодным для отопления больших зданий. В двухступенчатой системе первая ступень представляет собой типичный неглазурованный коллектор испарения, а вторая ступень имеет остекление, закрывающее коллектор испарения. Остекление позволяет направить весь нагретый воздух из первой ступени через второй набор испарительных коллекторов для второй ступени солнечного отопления.
Еще одним нововведением является рекуперация тепла от фотоэлектрических (PV) модулей (которое часто в четыре раза превышает электрическую энергию, производимую фотоэлектрическим модулем) путем установки фотоэлектрических модулей на солнечную воздушную систему. В тех случаях, когда существует потребность в отоплении, включение солнечного воздушного компонента в фотоэлектрическую систему дает два технических преимущества; он отводит фотоэлектрическое тепло и позволяет фотоэлектрической системе работать ближе к ее номинальной эффективности (которая составляет 25 C); и это уменьшает общий период окупаемости энергии, связанный с комбинированной системой, поскольку тепловая энергия улавливается и используется для компенсации традиционного отопления.
Стеклянные воздушные системы
[ редактировать ]Функционируя аналогично обычным печам с принудительной подачей воздуха, системы обеспечивают тепло путем рециркуляции кондиционированного воздуха в здании через солнечные коллекторы . Благодаря использованию поверхности сбора энергии для поглощения тепловой энергии солнца и воздуховодов для контакта с ней можно создать простой и эффективный коллектор для различных систем кондиционирования воздуха и технологических процессов.
Простой солнечный воздушный коллектор состоит из поглотительного материала, иногда имеющего селективную поверхность , который улавливает солнечное излучение и передает эту тепловую энергию воздуху посредством теплопроводности. Затем этот нагретый воздух подается в помещение здания или в технологическую зону , где нагретый воздух используется для обогрева помещений или технологического отопления.
Первооткрывателем системы этого типа был Джордж Лёф , который построил солнечную систему подогрева воздуха для дома в Боулдере, штат Колорадо, в 1945 году. Позже он включил гравийную подушку для хранения тепла. [13]
Проходной воздухосборник
[ редактировать ]В проходной конфигурации воздух, подаваемый на одну сторону абсорбера, проходит через перфорированный или волокнистый материал и нагревается за счет проводящих свойств материала и конвективных свойств движущегося воздуха. Проходные поглотители имеют наибольшую площадь поверхности, что обеспечивает относительно высокую скорость кондуктивной теплопередачи, но значительный перепад давления может потребовать большей мощности вентилятора, а износ определенного материала поглотителя после многих лет воздействия солнечной радиации может дополнительно создать проблемы с качеством воздуха и производительностью. .
Задний, передний и комбинированный воздухозаборник
[ редактировать ]В конфигурациях с обратным, передним и комбинированным типом воздух направляется либо на заднюю, либо на переднюю, либо на обе стороны абсорбера для нагревания от возврата к коллекторам приточных воздуховодов. Хотя прохождение воздуха по обеим сторонам поглотителя обеспечит большую площадь поверхности для кондуктивной теплопередачи, проблемы с пылью (засорением) могут возникнуть из-за прохождения воздуха по передней стороне поглотителя, что снижает эффективность поглотителя за счет ограничения количества получаемого солнечного света. . В холодном климате воздух, проходящий рядом с остеклением, дополнительно вызывает большие потери тепла, что приводит к снижению общей производительности коллектора.
Применение солнечного воздушного тепла
[ редактировать ]В различных приложениях можно использовать технологии солнечного нагрева воздуха, чтобы уменьшить выбросы углекислого газа от использования традиционных источников тепла, таких как ископаемое топливо , и создать устойчивые средства производства тепловой энергии. Такие приложения, как отопление помещений , продление тепличного сезона, предварительный нагрев подпиточного воздуха для вентиляции или технологическое тепло , могут быть решены с помощью солнечных устройств для нагрева воздуха. [14] В области «солнечной когенерации» солнечные тепловые технологии сочетаются с фотоэлектрическими (PV) для повышения эффективности системы за счет охлаждения фотоэлектрических панелей для улучшения их электрических характеристик и одновременного нагрева воздуха для отопления помещений. [ нужна ссылка ]
Применение в отоплении помещений
[ редактировать ]Отопление жилых и коммерческих помещений может осуществляться с помощью солнечных панелей для нагрева воздуха. Эта конфигурация работает путем забора воздуха из ограждающих конструкций здания или из внешней среды и пропускания его через коллектор, где воздух нагревается за счет проводимости от абсорбера, а затем подается в жилое или рабочее пространство либо пассивным способом, либо с помощью вентилятор.
Применение технологического тепла
[ редактировать ]Солнечное воздушное тепло также можно использовать в технологических процессах, таких как сушка белья, сельскохозяйственных культур (например, чая, кукурузы, кофе) и в других целях сушки. Воздух, нагретый через солнечный коллектор, а затем пропускаемый над высушиваемой средой, может стать эффективным средством снижения содержания влаги в материале.
Приложения для ночного охлаждения
[ редактировать ]Радиационное охлаждение ночного неба основано на принципе потери тепла длинноволновым излучением от теплой поверхности (крыши) к другому телу с более низкой температурой (небу). В ясную ночь типичная поверхность, обращенная к небу, может охлаждаться со скоростью около 75 Вт/м2 (25 БТЕ/час/фут2). Это означает, что температура металлической крыши, обращенной к небу, будет ниже, чем температура окружающего воздуха. Коллекционеры могут воспользоваться этим явлением охлаждения. Когда теплый ночной воздух касается более прохладной поверхности испарившегося коллектора, тепло передается металлу, излучается в небо, а затем охлажденный воздух втягивается через перфорированную поверхность. Холодный воздух затем может быть втянут в установки HVAC. См. также [9] [15] [16]
Вентиляционные приложения
[ редактировать ]Протягивая воздух через правильно спроектированный воздухосборник или воздухонагреватель, свежий воздух, нагретый солнечной энергией, может снизить тепловую нагрузку во время работы на солнце. Приложения включают в себя испарительные коллекторы, предварительно нагревающие свежий воздух, поступающий в вентилятор с рекуперацией тепла, или всасывание, создаваемое выпуском нагретого воздуха из какого-либо другого солнечного дымохода .
См. также
[ редактировать ]
- Солнечная стена
- Проект пассивного солнечного здания
- Пассивный дом
- Низкоэнергетический дом
- Здание с нулевым энергопотреблением
- Список методов строительства с низким энергопотреблением
- Устойчивая архитектура
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Солнечные тепловые коллекторы — объяснение энергии, ваш путеводитель по пониманию энергетики — управление энергетической информацией» . Tonto.eia.doe.gov. 29 мая 2013 г. Проверено 4 мая 2014 г.
- ^ «Офис передового производства: промышленная распределенная энергетика» . Eere.energy.gov . Проверено 4 мая 2014 г.
- ^ «Обзор активных солнечных тепловых коллекторов, промышленности и рынков в Канаде» (PDF) . Август 2010 г. Архивировано из оригинала (PDF) 1 октября 2011 г. . Проверено 3 августа 2011 г.
- ^ «Профиль компании SolarWall®» . Консерват Инжиниринг Инк . Проверено 3 мая 2014 г.
- ^ патент США 4899728 , ХОЛЛИК ДЖОН С; ПИТЕР РОЛЬФ В., «Способ и устройство для предварительного нагрева вентиляционного воздуха в здании», опубликовано 17 июля 1998 г.
- ^ «RETScreen International Home» . Природные ресурсы Канады . 10 марта 2010 года . Проверено 3 мая 2014 г.
- ^ «Обзор использования солнечной энергии в сельском хозяйстве США и проблемы политики» (PDF) . Министерство сельского хозяйства США . Архивировано из оригинала (PDF) 3 сентября 2019 года . Проверено 4 августа 2011 г.
- ^ Сигеле, Линдси. «Технология солнечного воздушного отопления SolarWall» . Новости Матери-Земли . Архивировано из оригинала 30 марта 2012 года . Проверено 4 августа 2011 г.
- ^ Jump up to: а б «Транспирированные коллекторы (солнечные подогреватели воздуха для наружной вентиляции)» (PDF) . Федеральное технологическое предупреждение . Федеральная программа энергетического менеджмента. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии. Апрель 1998 г. DOE/GO-10098-528 . Проверено 25 июля 2010 г.
- ^ Браун, Дэвид. «Оценка солнечного нагрева воздуха на объектах ВВС США» (PDF) . Технологический институт ВВС . Проверено 4 августа 2011 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ «Свежий воздух, нагретый солнечной энергией, сокращает расходы на отопление» (PDF) . НРЭЛ. 1994 . Проверено 4 августа 2011 г.
- ^ «Вентиляция с солнечным подогревом» (PDF) . Центр инженерного обслуживания объектов ВМФ . Архивировано из оригинала (PDF) 28 марта 2012 года . Проверено 3 августа 2011 г.
- ^ Дензер, Энтони, «Джордж Лёф: Денверский пионер солнечной энергии» (PDF) , Национальная конференция ASES по солнечной энергии, 2012 г.
- ^ Сельский Альянс Возобновляемой Энергии. «Основы солнечного воздушного тепла» . Архивировано из оригинала 29 декабря 2013 года . Проверено 5 июля 2011 г.
- ^ «Солнечная экономия: взгляд изнутри на солнечные металлические стены» . Журнал металлической архитектуры. Архивировано из оригинала 31 марта 2012 года . Проверено 1 сентября 2011 г.
- ^ Ломбарди, Кэндис. «Солнечная батарея, установленная на крыше, также способствует охлаждению» . CNET . Проверено 1 сентября 2011 г.