Engineering Bulletin of the Don | Energeticky efektivní způsob využití přebytečného tepla ze solárního kolektoru

„Článek navrhuje způsob využití naakumulovaného přebytečného tepla solárního systému na ohřev vody, jehož hlavním prvkem je solární kolektor, pro vytápění skleníků. Tepelnou energii uloženou v tepelném akumulátoru během letních měsíců lze využít k vytápění skleníku v podzimních a zimních měsících. Navržený způsob výrazně zvýší účinnost solárního kolektoru a zkrátí dobu jeho návratnosti. Tento vývoj bude relevantní pro jednotlivé obytné budovy se zahradními pozemky o dostatečné ploše pro vybudování skleníku. Použití „energeticky účinného“ skleníku v kombinaci se solárním systémem ohřevu vody výrazně snižuje náklady na elektřinu a vytápění. Využití nízkopotenciální tepelné energie ze slunce a půdy je hlavním směrem rozvoje energeticky úsporných technologií v oblasti bydlení a komunálních služeb. «

Klíčová slova: solární kolektor, energetická účinnost, úspora energie, nízkopotenciální energie, alternativní zdroj tepla.

05.02.13 — Stroje a jednotky (podle odvětví)

V souladu s federálním zákonem č. 261-FZ „O úsporách energie a zlepšování energetické účinnosti“ probíhá aktivní hledání alternativních zdrojů energie, jako je voda, země a slunce. Jedním ze způsobů, jak tento problém v současnosti řešit, je přeměna sluneční energie na nízkopotenciální teplo pomocí solárních kolektorů (SC) jako hlavního prvku solárních systémů ohřevu vody (SWS). Solární kolektor je speciálním typem výměníku tepla. Na rozdíl od běžných výměníků tepla používaných v průmyslu, ve kterých se teplo přenáší z jednoho chladiva do druhého, ve výměníku tepla se teplo přenáší do chladiva (kapalina, vzduch) ze vzdáleného zdroje energie – Slunce.
Solární systémy pro ohřev vody (SWH), jejichž hlavním prvkem je solární kolektor (SC), nejsou schopny v zimním období, kdy je okolní teplota a hustota toku slunečního záření nízká, spotřebiteli samostatně zajistit teplou vodu, a proto jsou dodatečně napojeny na kotelny nebo na jednotku tepelného čerpadla (HPU).[1] Použití kombinovaných systémů SVU-TNU je konkurenceschopné ve srovnání s tradičními systémy vytápění. Vzhledem ke snížení nákladů na zařízení se tento způsob vytápění stává velmi atraktivním.
V případě připojení SVU – TNU umožňuje tepelná energie z SC, akumulovaná na jaře a v létě např. v zemi, zvýšení teplotní úrovně nízkopotenciálního zdroje tepla pro TNU, čímž se zvýší výkon tepelného čerpadla. Tento vývoj prověřuje možnost využití kotelny jako doplňkového zdroje ohřevu vody. Část tepla z SC se ale v letních měsících, kdy je účinnost kolektoru nejvyšší a není potřeba utrácet teplo na vytápění, akumuluje ve speciálním tepelném akumulátoru pod vrstvou zeminy (jako v případě spojení SVU-TNU) a může se stát základem pro stavbu skleníků. Pro zvýšení účinnosti spotřeby tepla lze tepelný akumulátor oddělit reflexní ochrannou clonou, aby nedocházelo k plýtvání teplem na ohřev hlubokých vrstev půdy.
Podíl krytí tepelné zátěže SVU je poměr výkonu SVU, tzn. množství tepelné energie přijaté z SVU (Q_l), a celkovou spotřebu tepelné energie spotřebitelem (Q_d), [2]

V letních měsících je tedy množství tepelné energie přijaté z SVU výrazně větší než celková spotřeba tepelné energie spotřebitelem.
Má smysl používat síran sodný jako akumulátor tepla, protože Je známo, že tepelná kapacita těchto roztoků je větší než u vody (obr. 1). Objem „podzemní“ nádrže může být relativně malý.

Obr. 1 – Srovnávací graf tepelné kapacity vody a síranu sodného

Výhody tohoto modelu jsou následující:
Za prvé, přebytečná energie je užitečně využita, což znamená, že účinnost SVU, a zejména SC, se zvyšuje;
Za druhé, pro vybavení skleníku není nutné používat další složité vybavení, protože půda se přímo zahřívá „obr. 2″.
Dříve byla přebytečná energie z SVU využívána pouze k ohřevu vody v bazénech. Stavba skleníků je vhodnější pro ruské klima a nachází se téměř po celé zemi.
Použití skleníků bez topných systémů je dosti omezené, a to i bez zohlednění vytápění během chladných zimních měsíců. Zahájením vytápění skleníku v dubnu si zahradník prodlouží sezónní práce o více než tři měsíce. V tomto případě můžete již v květnu vysadit sazenice na zahradu, skleník nebo pařeniště, poté v červnu sklidíte první úrodu a zbude čas na druhou nebo i třetí sklizeň konkrétní plodiny.
Zatímco hlavním úkolem SVU je vytápět a zásobovat teplou vodou obytný dům, lze plnit i vedlejší úkol – odvádění přebytečného tepla z SC do půdy skleníku pro pěstování zeleniny v chladných podzimních a zimních měsících.

1 – solární kolektor; 2 – skleníková místnost; 3 – zásobník tepla;
4 – půda; 5 — zásobní nádrž; 6 – kotelna; 7 – vytápěná místnost.

Rýže. 2 – Schéma solárního systému vytápění a zásobování teplou vodou se skleníkem připojeným k systému

Tento vývoj bude relevantní pro jednotlivé obytné budovy se zahradními pozemky o dostatečné ploše pro vybudování skleníku. Použití „energeticky efektivního“ skleníku v kombinaci se solárním systémem ohřevu vody, jehož hlavním prvkem je solární kolektor (SC), výrazně snižuje náklady na elektřinu a vytápění.
Výhody solárních kolektorů oproti tradičním zdrojům energie.
1) Prakticky bezplatná energie po desetiletí. Náklady na elektřinu lze přirovnat k ceně jedné žárovky.
2) Jednorázové náklady na instalaci – další provoz je prakticky zdarma. Systém se vyplatí během několika let.
3) Snadné připojení ke stávajícímu i novému topnému systému.
4) Nezávislost na tradičním zvyšování cen energií.
5) Dlouhá životnost. Záruka na kolektory je v praxi 20 let, životnost potvrzena 25–30 let.
6) Snadná instalace. Lze použít na všechny typy střech. Minimální požadavky na údržbu a opravy.
7) Do přízemních vrstev atmosféry se prakticky nepřidává žádné teplo, nevytváří se skleníkový efekt a nedochází ke znečištění ovzduší.
Solární kolektory jsou ekologickým způsobem výroby tepla. I kvůli tomu roste podíl solárních kolektorů v poměru k tradičním zdrojům energie. Například v Evropské unii se očekává, že systémy, které zajišťují teplou užitkovou vodu, vytápění prostor v zimě a chlazení v létě, budou v letech 2020–2030 tvořit většinu trhu solárních termických systémů.[3]
Využití nízkopotenciální tepelné energie ze slunce a půdy je hlavním směrem rozvoje energeticky úsporných technologií v oblasti bydlení a komunálních služeb.

Literatura

1. Sibikin, Yu D. Technologie úspory energie: učebnice pro střední školy. prof. vzdělání / Yu D. Sibikin, M. Yu. — M.: FORUM-INFRA-M, 2006. — 352 s.
2. Petrov D.S., Vasilevskaya E.S. Úspory energie a ekologie ve stavebnictví a bydlení a komunálních službách// Tepelně a energeticky účinné technologie.-2008.-№2.-s.28-20.
3. Článek o využití energeticky úsporných technologií v průmyslových procesech // Publikováno ve spolkovém zákoně č. 2008, část I, č. 36 ze dne 18. 2008. 1658, str. XNUMX

Téměř pro všechny regiony Ruska je ohřev půdy ve skleníku jedinou příležitostí pro časnou výsadbu zahradních plodin. Nejčastěji je úkolem udržovat požadovanou teplotu, aby byly sazenice chráněny před proměnlivým počasím na jaře, protože celoroční systém vytápění je pro většinu farem příliš drahý a nevyplácí se sklizní.

Topný kabel pro skleníky se úspěšně používá při organizaci dodatečného nebo hlavního ohřevu půdy a vzduchu, chrání rostliny před podchlazením a udržuje optimální teplotu pro získání požadované plodiny.

Při organizaci vytápění je třeba vzít v úvahu, že bez ohledu na to, jaké zdroje tepla se používají k vytápění, spotřeba energie, pokud jsou všechny ostatní věci stejné (doba provozu systému, izolace, plocha), bude stejná – 80-100 W / m2. To znamená, že pro vytápění skleníku budete muset jakýmkoli způsobem získat toto množství energie, bez ohledu na její zdroj. Rozdíl ve způsobech vytápění je tedy v účinnosti (COP), složitosti organizace, provozu a dostupnosti zdroje energie.

Kabel pro vytápění skleníku od výrobce

Maloobchodní cena: 18 218 RUR / kus RUR 27 327 / PC
Velkoobchodní cena

Maloobchodní cena: 1 871 RUR / kus RUR 2 806 / PC
Velkoobchodní cena

Maloobchodní cena: 6 200 RUR / kus RUR 9 300 / PC
Velkoobchodní cena

Maloobchodní cena: 12 857 RUR / kus RUR 19 285 / PC
Velkoobchodní cena

Zdroje energie pro vytápění

• sluneční
• Zemní plyn / kapalné palivo
• Tuhé palivo
• Elektřina
• Biopalivo

Jak bylo uvedeno výše, vyhřívaný skleník spotřebovává určité množství energie bez ohledu na typ jeho zdroje. Při organizaci vytápění je proto třeba především vzít v úvahu dostupnost, náklady a vlastnosti provozu zařízení (sezónnost, umístění, izolace, možnosti ovládání zařízení)

Jak vytápět skleník?

Existuje mnoho způsobů vytápění skleníku, od těch nejzákladnějších, jako je instalace ohřívače nebo topení v kamnech, až po organizaci komplexních „chytrých“ systémů (solární vytápění, autonomní topná stanice).

Konvekce (přirozená nebo umělá) je způsob vytápění, při kterém se skleník vytápí přílivem masy ohřátého vzduchu (trouby, solární panely, otevřené hořáky, elektrické konvektory, krby). Nejjednodušší způsob, jak organizovat vytápění, protože nevyžaduje další konstrukce uvnitř skleníkového prostoru. Nevýhodou je nerovnoměrný ohřev a složitost ovládání.

Kolektory – systém potrubí rozmístěných po ploše vytápěného skleníku, ve kterém cirkuluje chladicí kapalina (voda, vzduch, pára). Tato metoda umožňuje rovnoměrně rozdělit chladicí kapalinu po ploše skleníku. Jako generátor energie mohou fungovat kotle (tuhá paliva, plyn, elektrické), pece.

Infratopení – využití zdrojů infračerveného záření (konvektory, topná fólie). Infračervený zdroj tepla neohřívá vzduch, ale povrchy předmětů (podobně jako slunce), čímž nejefektivněji spotřebovává elektřinu. Systém se poměrně snadno instaluje a reguluje pomocí teplotních čidel a termostatů.

Biologické vytápění – biopaliva (obvykle hnůj se slámou, rašelina) jsou umístěna přímo v zemi.

Kabelové vytápění – rozvod topného tělesa přímo v půdě skleníku.

Všechny způsoby organizace mají své výhody a nevýhody, které se nebudeme zabývat, podrobně popisující způsoby vytápění skleníků a skleníků pomocí elektrického topného kabelu.

Kabelové vytápění půdy ve skleníku

Systém kabelového elektrického vytápění skleníku se skládá z přímotopného kabelu uloženého v zemi a řídicího systému, který představují regulátory teploty a teplotní čidla.

Výhody kabelového vytápění skleníků

Kabel je položen pouze pod postelemi, rovnoměrně rozložený po celé ploše. Topný kabel má po celé délce stejný tepelný výkon, takže se nemusíte bát přehřátí nebo podchlazení rostlin.

Kromě toho lze pokládání kabelů provádět s různými roztečemi (vzdálenost mezi závity) – a v různých částech skleníku si můžete vytvořit vlastní mikroklima, které je pro určitý typ rostliny nezbytné. Takový efekt je obtížné vytvořit a udržet pomocí například ohřevu vody nebo vzduchu.

Topný kabel pro skleníky

Pro ohřev půdy a vzduchu ve sklenících se používá dvoužilový odporový topný kabel v sekcích s lineárním výkonem 14-17 W / m. Tento výkon stačí k zajištění požadované teploty 15-25°C v závislosti na druhu pěstovaných rostlin. Odporový topný kabel má konstantní lineární výkon (na rozdíl od samoregulačního), používá se také pro vytápění střech a podlah (včetně betonových).

Kabel se skládá ze dvou žil vedoucích proud (hlavního a zpětného) – dvoužilového kabelu, takže není nutné vracet další část napájecího kabelu ke zdroji energie, přičemž konec části umístěte tam, kde je to vhodné.

Vnitřní izolace (čím vyšší je teplota tání izolace, tím spolehlivější je ochrana kabelu před přehřátím a zničením). Proto moderní kabely používají teflonovou izolaci s bodem tání 185°C. Odtokové jádro spolu s hliníkovou clonou plní funkci uzemnění, clona zároveň slouží jako mechanická ochrana.

Vnější plášť kabelu zajišťuje těsnost konstrukce a chrání ji před vnějšími vlivy.

Samoregulační kabel v systémech zemního vytápění není účinný, protože schopnost samoregulace (závislost výkonu kabelu na vnější teplotě) vede k rychlému poklesu výstupního výkonu při práci v půdní vrstvě. Zhruba řečeno, kabel se zahřeje sám.

Odporový kabel se prodává v hotových sadách různých délek, . není možné změnit délku hotového úseku, protože výkon odporového kabelu závisí na průřezu vodiče. Pro každou délku úseku je použit kabel určitého úseku. Změnou délky topné části změníte výkonovou charakteristiku sekce, což může vést k nedostatečnému výkonu, případně k přehřátí či dokonce zkratu.

Tovární část je vybavena napájecím kabelem pro připojení k napájecí síti, studená část drátu je připojena k topné pomocí objímek s teplem smrštitelnými bužírkami. V moderních kabelových topných systémech se využívá i technologie bezespárového spojování, kdy je spoj přívodní a topné části umístěn pod vnějším pláštěm kabelu. Takové spojení je spolehlivější a bezpečnější, protože není narušena celistvost pláště, neexistuje žádná lepicí základna, která časem koroduje, čímž se narušuje těsnost spojení.

Maximální teplota ohřevu kabelu pro skleníky je 65°C, jedná se o nízkoteplotní topný kabel. Maximální provozní teplota je charakteristika, která určuje mez ohřevu kabelu.

Nechybí ani parametr „maximální expoziční teplota“, který udává teplotní limit vnějšího vlivu prostředí, při kterém si kabel zachovává své vlastnosti. U nízkoteplotního kabelu je to obvykle 70-85 °C. Pro použití ve skleníku není tento parametr tak důležitý, protože kabel je pod zemí a není vystaven hmatatelnému vlivu vnějšího prostředí. Tato hodnota je však stále uvedena v charakteristikách odporového kabelu, protože jej lze také použít pro vytápění střechy, kde vystavení například slunečnímu záření může vést k přehřátí pláště.

Hotová část odporového kabelu se smršťovací manžetou.

Hotová odporová kabelová část s bezobjímkovým připojením.

Výpočet délky topného kabelu pro vytápění skleníku

Při výpočtu celkové kapacity topného systému se bere v úvahu užitná plocha skleníku (plocha obsazená lůžky a jejich umístění) a stupeň izolace. Dále je nutné určit, zda se bude ohřívat pouze půda – pak lze výkon systému brát 75-80 W/m2, nebo také vzduch skleníku. V tomto případě je výkon od 80 do 100 W / m2.

Celkový výkon topného systému se vypočítá podle vzorce:

Plocha * 100 W/m2 = pro ohřev vzduchu ve skleníku.

Plocha * 80 W/m2 = pro zemní vytápění.

Nejnižší tepelnou vodivost má komůrkový polykarbonát komůrkový 4-6 mm, skleníky z tohoto materiálu jsou nejteplejší, nejodolnější a nejspolehlivější. Při stavbě skleníků se používá také sklo a samozřejmě plastová fólie.

Topný výkon tedy přímo souvisí s tepelnou vodivostí materiálu, ze kterého je vyroben. Vzhledem k tomu, že úkolem vytápění je přesně kompenzovat teplotní rozdíl uvnitř skleníku a okolí. Výpočty v tomto článku jsou uvedeny pro vytápění skleníku vyrobeného z komůrkového polykarbonátu 6 mm, jehož koeficient tepelné vodivosti je 3.6.

Výkon = T1 – T2 * S * K.

Kde T1 – T2 je teplotní rozdíl,

S je plocha skleníku,

K – součinitel tepelné vodivosti.

Topný výkon pro skleník vyrobený z jiných materiálů se tedy vypočítá s ohledem na jejich tepelnou vodivost:

Vytápění skleněného skleníku – Topný výkon (polykarbonát 6 mm) * 1.7

Polyetylenové vytápění skleníku – Tepelný výkon (polykarbonát 6 mm) * 2.1

Dále je třeba v sekci vybrat hotovou sadu pro napájení nebo délku kabelu. Jak jsme řekli výše, odporový kabel se prodává pouze v hotových sadách, takže před zahájením instalace musíte vybrat úseky požadované délky a vypočítat jejich počet, protože délku úseků nemůžete změnit.

V závislosti na lineárním výkonu kabelu (W / m) – se vypočítá celkový výkon jedné sady (část kabelu v sekci).

Skleník s užitnou plochou 17 m2 vyžaduje topný systém o celkové kapacitě 17 m2 * 100 W/m2 = 1700 W.

Pokud má vámi vybraný topný kabel lineární výkon 14 W/m, budete potřebovat úsek 121 m.

Pokud celková vytápěná plocha přesahuje maximální délku jednoho kabelového úseku v sestavě (obvykle maximální délka jedné kabelové sady nepřesahuje 200 m), použijí se dvě nebo více samostatných sekcí, připojených k síti přes termostat.

Výběr systému regulace vytápění skleníku

POZORNOST! Připojení odporových kabelových úseků k síti se provádí pouze. přes termostat. Vzhledem k tomu, že odporový kabel má konstantní výkon, závisí jeho teplota ohřevu pouze na parametrech nastavených nastavením termostatu. Systém zapojený bez termostatu se zahřeje na maximální teplotu bez zohlednění parametrů vnějšího prostředí, což povede k přesušení kořenů rostlin, rychlému výpadku systému a havarijním provozním stavům.

Pomocí termostatu můžete nastavit požadovanou teplotu vzduchu ve skleníku a také upravit provozní režimy v závislosti na denní době (při použití programovatelných modelů termostatů). Termostat tak umožňuje ušetřit až 30 % elektrické energie.

Regulace teploty se provádí pomocí teplotních čidel (obvykle se jedná o teplotu půdy – čidlo se instaluje mezi závity topného kabelu) a čidla teploty vzduchu (umístěné v samotném termostatu). Termostat se instaluje uvnitř skleníku ve výšce minimálně 30 cm od povrchu země.

Existují omezení výkonu systému připojeného k jednomu termostatu. Existují různé typy termostatů v závislosti na výkonu – 3/3,5/4/6 kW. Celkový výkon systému by tedy neměl překročit jmenovitý výkon termostatu.

V našem případě je celkový výkon systému 1.7 kW, což znamená, že lze použít termostat 3-3.5 kW, což odpovídá většině domácích termostatů používaných v systémech kabelového vytápění.

Připojení kabelové části k termostatu.