8.9: Охолодження та нагрівання (V)

Last updated
Save as PDF

Page ID: 29702

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Сонячна енергія для опалення будинку

Енергії, яка отримується на даху будинку, більш ніж достатньо для забезпечення потреб в опаленні житла. Енергія, що досягає землі від сонця, коливається від 600 до 2000 BTU на квадратний фут на добу (в середньому за рік). Це функція широти місця. Кількість сонячного випромінювання, що досягає землі, називається інсоляцією. Це короткий термін від чотирьох в нещасних сонячних радіостанціях на добу.

Земля обертається навколо Сонця з нахиленою віссю в бік площини обертання, як показано на малюнку 8.9.1.

У червні Північний полюс нахилений до сонця і сонячні промені падають перпендикулярно. Тому сонце здається під більш високим кутом.
У грудні Північний полюс нахилений від сонця і тому дні коротші, а сонячні промені падають більш похило, з меншим потоком енергії (зима).

Ілюстрація сонця і Землі в різні пори року.

Малюнок 8.9.1. Ілюстрація сезонів для північної півкулі

Сонце також змінює положення та кут від землі в різні пори року.

Наступне відео показує рух сонця в залежності від сезонів.

Активні сонячні системи опалення

Сонячні системи опалення класифікуються як «активні» або «пасивні» системи сонячного опалення, або їх комбінація. Ми спочатку розглянемо активні системи.

Активні сонячні системи опалення складаються з колекторів, розподільної системи та накопичувального пристрою.

Активні сонячні системи опалення працюють наступним чином:

Плоскі пластинчасті колектори зазвичай розміщують на даху або землі під сонячним світлом. Верхня або сонячна сторона має скляну або пластикову кришку, щоб впустити сонячну енергію. Внутрішній простір являє собою чорний (поглинаючий) матеріал для максимального поглинання сонячної енергії.
Холодна вода забирається з накопичувального бака насосом #1 і перекачується через плоский пластинчастий колектор, встановлений на даху будинку.
Вода поглинає сонячну енергію і повертається назад в бак.
Тепла вода з бака перекачується насосом #2 через нагрівальний змійовик.
Вентилятор обдуває повітря (з приміщення) над нагрітим змійовиком, а нагріте повітря потім проходить в приміщення і обігріває приміщення.
Холодне повітря опускається на дно і повторно циркулює по нагрівальному змійовику.

Примітка: Резервна електрична котушка автоматично включається і забезпечує тепло, коли температура води до нагрівальної котушки падає через послідовні похмурі дні.

У наступному відео показана робота активної системи сонячного опалення.

ККД колектора - це відношення сонячного випромінювання, яке захоплюється і передається колектору або теплоносія.

ККД колектора, зображений на малюнку 8.9.2, можна виразити як

\[ Collector's \, Efficiency = \dfrac{Useful \, energy \, delivered}{Isolation \, on \, collector} × 100% \]

Типові коефіцієнти корисної дії колектора коливаються від 50— 70%.

Схема внутрішньої частини колектора сонячної плити, що показує скління, трубки, абсорберну пластину та ізоляцію.

Малюнок 8.9.2. Сонячний колектор

Пасивна система сонячного опалення

Пасивні системи не використовують механічні пристрої, такі як вентилятори, повітродувки або насоси для розподілу сонячного тепла від колектора. Натомість вони користуються природним тепловим потоком для розподілу тепла. Прикладом пасивної системи обігріву приміщень є сонячний простір або сонячна теплиця.

Пасивні системи також використовують матеріали з великою теплоємністю (камінь, вода або бетон) для зберігання та доставки тепла. Вони називаються тепловими масами.

Пасивні системи можна розділити на три типи:

Пряме посилення - дозволяє сонячній енергії надходити через віконні вікна, що виходять на південь.
Непрямий коефіцієнт посилення - дозволяє сонячному випромінюванню нагрівати стіну, а потім енергія повільно надходить у внутрішню частину будинку. Отвори в стіні (звані стіною Тромбе), як показано на малюнку нижче, сприяють конвективним струмам:
- Холодне повітря приміщення надходить в простір між скляною панеллю і стіною через нижній отвір.
- Коли це холодне повітря нагрівається, він піднімається наверх і надходить через верхній отвір.
Додавання теплиці - Прибудований сонячний простір та/або сонячна теплиця, нагріта сонячною енергією - де частина енергії використовується для вирощування рослин, а частина - для обігріву інтер'єру будинку.

Ці системи показані на малюнку 8.9.3.

Ілюстрація прямого посилення, непрямого посилення та методів додавання сонячної теплиці, як описано в тексті.

Малюнок 8.9.3. Ілюстрація 3 типів пасивних систем

Витрати та вигоди

Зазвичай найекономічніше спроектувати активну систему, щоб забезпечити від 40 до 80 відсотків потреб в опаленні будинку. Системи, що забезпечують менше 40 відсотків тепла, необхідного для будинку, рідко є економічно ефективними, за винятком випадків використання колекторів сонячних нагрівачів повітря, які обігрівають одну або дві кімнати і не вимагають накопичення тепла.

Добре спроектований та ізольований будинок, який включає пасивні методи сонячного опалення, вимагатиме меншої та менш дорогої системи опалення будь-якого типу, і може знадобитися дуже мало додаткового тепла, крім сонячного.

Вартість активної сонячної системи опалення буде варіюватися. Простий колектор віконного обігрівача повітря можна зробити за кілька сотень доларів. Комерційні системи варіюються від $30 до $80 за квадратний фут площі колектора, встановлений. Зазвичай, чим більше система, тим менше вона коштує на одиницю площі колектора. Комерційно доступні колектори поставляються з гарантією 10 років і більше, і вони повинні легко тривати десятиліття довше.

Додаткова інформація

Опалення вашого будинку активною системою сонячної енергії може значно скоротити рахунки за паливо взимку. Система сонячного опалення також зменшить кількість забруднення повітря та парникових газів.