В настоящее время широко используются гелиосистемы отопления, а элементы солнечных коллекторов, благодаря их многочисленным преимуществам, находят широкое применение в космической программе. Рассмотрим подробнее, что такое гелиосистема и на сколько целесообразно ее применение в разных сферах жизнедеятельности человека (в частности, при частном и коммерческом строительстве и монтаже систем отопления). Гелиосистема для отопления и охлаждения является одним из лучших решений текущих проблем энергетики и окружающей среды.

https://eco-kotly.ru/wp-content/uploads/7/e/1/7e199f8650039ee849e54bdec445f9e5.jpeg
https://eco-kotly.ru/wp-content/uploads/7/e/1/7e199f8650039ee849e54bdec445f9e5.jpeg
Солнечная система отопления частного дома

Сущность и целевое назначение гелиосистемы

 этой статье даются общие сведения и обзор систем солнечного отопления и охлаждения. В этих системах источником энергии является солнечная энергия, а потребляющими компонентами — устройства нагрева и охлаждения. Для обеспечения стабильной работы систем, работающих на солнечной энергии, также необходимы системы аккумулирования тепла. 

Системы солнечного отопления можно разделить на две группы: пассивная и активная. По сути, эти системы собирают тепловую энергию от солнца и используют собранное тепло для обогрева помещений или гелиосистема для нагрева воды. Пассивные солнечные системы полагаются на структуру/конструкцию здания для сбора тепла. Это может проявляться в форме наклона или ориентации крыши, что позволяет увеличить поглощение солнечной энергии. Напротив, активные солнечные системы отопления полагаются на тепловые насосы, которые передают тепло, накопленное солнечными коллекторами, в здание. В отличие от фотоэлектрических панелей, которые вырабатывают электричество, тепловые солнечные панели используются для улавливания энергии солнца и использования ее для обеспечения вышеупомянутых применений. Обычно эти системы не предназначены для автономных систем из-за непостоянства источника энергии и отсутствия жизнеспособных вариантов хранения. Однако эти системы могут дополнять другие существующие системы отопления, работающие на природном газе или других источниках.

Сложности при проектировании

Гелиосистема должна соответствовать местным строительным и планировочным нормам. Например, если коллектор установлен на крыше или прикреплен к дому, он должен быть надежным и не сноситься сильным ветром. Также вероятно, что некоторые органы планирования будут возражать, если солнечные панели отопления существенно изменят внешний вид здания. Это будет особенно актуально в случае старых зданий, представляющих исторический интерес. Многие люди могут возражать против довольно вызывающего и внушительного внешнего вида обогревателей для бассейнов, и может возникнуть необходимость разместить их за живой изгородью или подобным экраном в условиях, которые несколько не идеальны.

https://eco-kotly.ru/wp-content/uploads/c/4/b/c4bd1e137352a5dd47fdbecd15267962.jpeg
https://eco-kotly.ru/wp-content/uploads/c/4/b/c4bd1e137352a5dd47fdbecd15267962.jpeg
Схематичное изображение гелиосистемы

 системах солнечного отопления и охлаждения в качестве первичного теплоносителя может использоваться воздух или вода. В базовой системе воздушного отопления используется вентилятор для циркуляции воздуха через солнечные коллекторы для нагрева воздуха, а затем через резервуар с камнями для хранения тепла. Ночью или в пасмурные дни тепло восстанавливается за счет циркуляции комнатного воздуха через слой горячих камней. Гидравлические системы перекачивают воду через коллекторы, а избыточное солнечное тепло хранится в резервуаре с водой до тех пор, пока оно не понадобится.

Особенности проектирования пассивной гелиосистемы

Пассивная солнечная система отопления — это система, использующая солнечное тепло, которая объединяет здание и отопительное сооружение как одно целое. Зимой эта система может эффективно собирать, накапливать и распределять солнечное тепло. Летом он может препятствовать солнечному излучению и рассеивать избыток тепла. При проектировании пассивного солнечного здания необходимо правильно учесть следующее:

https://kupisantehniky.ru/wp-content/uploads/3/1/a/31ab065f481e7cf954140d36c37eb268.jpeg
https://kupisantehniky.ru/wp-content/uploads/3/1/a/31ab065f481e7cf954140d36c37eb268.jpeg
Вариант схемы гелиосистемы

  • Чтобы уменьшить теплопотери, правильно выполняйте монтаж герметичного утеплителя.
  • Установите достаточное количество солнечных коллекторов на южной стене.
  • Установите в здании достаточное количество аккумуляторов тепла.
  • Помещение, предназначенное для обогрева необходимо устроить напротив коллекторов и накопителей.

Адаптация помещения/здания к солнцу за счет ориентации, расположения окон, накопления деталей, сборок обшивки и т. д. может, с другой стороны, обеспечить значительный выигрыш в обогреве с небольшими затратами или без них.

https://newsroom.schwaebisch-hall.de/bsh-newsroom-content/uploads/themendienst/5_vater-und-sohn-vor-haus-mit-solaranlage.jpg
https://newsroom.schwaebisch-hall.de/bsh-newsroom-content/uploads/themendienst/5_vater-und-sohn-vor-haus-mit-solaranlage.jpg
Устройство гелиосистемы

Примеры знаменитых строений с использованием гелиосистем для отопления

Гелиосистема для отопления может поставлять все необходимое тепло в течение всего года, если используется какая-либо форма теплового насоса. Таким образом, тепловой насос можно рассматривать как эффективный и относительно дешевый вспомогательный источник тепла. Экономия, конечно, улучшается, если одна и та же система теплового насоса используется как для отопления зимой, так и для охлаждения летом.

В США дом в Тусоне использует неглазурованные коллекторы в качестве источника тепла и радиатора, а в Японии дом Янагимати делает то же самое. Здесь тепловой насос используется почти постоянно. Другие, такие как дома в Альбукерке, Линкольне и Лейк-Пэджетт, имеют застекленный коллектор и в течение коротких периодов времени используют только тепловой насос в качестве вспомогательного агрегата. В домах Thomason в качестве источника тепла используется застекленный коллектор, обращенный на юг, а северная неглазурованная поверхность крыши — в качестве радиатора, но вместо тепловых насосов используются циркуляционные насосы, однако аналогичная система может работать с тепловыми насосами.

https://otoplenie-gid.ru/wp-content/uploads/primerno-tak-dolzhna-vyglyadet-krysha-doma-s-avtonomnym-solnechnym-otopleniem.jpg
https://otoplenie-gid.ru/wp-content/uploads/primerno-tak-dolzhna-vyglyadet-krysha-doma-s-avtonomnym-solnechnym-otopleniem.jpg
Дом с солнечными коллекторами, установленными на крыше

В этом видео вы узнаете, как обустроить гелиосистему своими руками:

В некоторых домах, особенно в домах Линкольна и Форт-Коллинза в США и в Брисбене в Австралии, не используются компрессоры с тепловым насосом с электрическим приводом, а используется система абсорбции бромид лития/воды, которую в принципе можно сравнить с тепловым компрессором.

В этом видео вы узнаете общую информацию о системе солнечного отопления:

Дом SOLAR ONE в Делавэре, США, использует фотоэлектрические элементы для питания теплового насоса, и это единственный дом на солнечных батареях, который вырабатывает значительное количество электроэнергии с помощью солнечных элементов. Это, безусловно, самый сложный солнечный дом, который был построен до сих пор, и, хотя система неэкономична при нынешнем высоком уровне цен на фотоэлектрические элементы, она может стать экономичной когда-нибудь в будущем, когда ожидается, что солнечные элементы будут стоить лишь часть того, что они стоят сегодня.

https://crimeasystem.ru/wp-content/uploads/2019/07/dba6da16b86e3ac75e83c4278881027b.jpg
https://crimeasystem.ru/wp-content/uploads/2019/07/dba6da16b86e3ac75e83c4278881027b.jpg
Вариант активной гелиосистемы

Основные типы активных солнечных систем

Был разработан ряд различных активных солнечных тепловых технологий. Различия в основном связаны с условиями теплопотребления, определяемыми типом потребителя тепла. Активная гелиосистема — это система, которая активно преобразует солнечную энергию в полезное тепло, используя солнечные коллекторы. Задача активной солнечной системы — собирать солнечную энергию, преобразовывать ее в тепло, накапливать тепло, а затем поставлять его потребителю. Работа активных систем возможна благодаря механическим устройствам. Это могут быть циркуляционные насосы (в системах жидкостного отопления) и вентиляторы (в системах воздушного отопления).

Активные солнечные системы отопления можно классифицировать по различным критериям, таким как основные характеристики, функции, способ использования солнечной энергии, дизайн, способ взаимодействия с другими устройствами, а также системы или производственные технологии. Классификация солнечных активных систем отопления обычно основана на следующих особенностях и свойствах.

https://esr-energy.ru/800/600/https/st23.stpulscen.ru/images/product/288/150/134_big.jpg
https://esr-energy.ru/800/600/https/st23.stpulscen.ru/images/product/288/150/134_big.jpg
Гелиосистема для нагрева воды

  • Тип рабочего вещества, которое использует гелиосистема: жидкость (то есть вода или смесь антифриза, в зависимости от климата); жидкость, используемая как в жидкой, так и в газовой фазе (например, хладагент, термомасло); воздуха.
  • Функция, выполняемая системой: нагрев воды; обогрев помещения. охлаждение/кондиционирование.
  • Способ использования солнечной энергии: прямой, где энергия, собранная солнечными коллекторами, подается напрямую потребителям без промежуточных контуров (на практике этот принцип может использоваться только в открытых (проточных) системах водяного отопления в сельском хозяйстве и в простейших термосифонных системах); непрямой, когда между солнечным коллектором и пользователем существует более одного контура (это всегда связано с замкнутым контуром солнечного коллектора и другим разомкнутым контуром или замкнутый контур, если система обеспечивает только обогрев помещения.

https://eco-kotly.ru/wp-content/uploads/4/c/4/4c462b305bc4b1f1f59900cf7d07cfdd.jpeg
https://eco-kotly.ru/wp-content/uploads/4/c/4/4c462b305bc4b1f1f59900cf7d07cfdd.jpeg
Вариант гелиосистемы

  • Количество источников тепла, используемых в системе отопления: однополярные системы, не имеющие источников тепла, кроме солнечных коллекторов (примеры таких систем включают термосифонные установки, используемые для приготовления горячей воды в условиях очень хорошей инсоляции. В странах с более высокими широтами такие системы могут использоваться сезонно (летом), когда высокая освещенность позволяет полностью покрыть потребность в ГВС и, возможно, в воде для бассейнов); системы с двумя источниками (двухвалентные или гибридные), кроме солнечной энергии, они также используют другой вспомогательный источник тепла, особенно в виде различных электрических нагревателей (например, стержневой электрический нагреватель в накопительном баке); системы с несколькими источниками, которые представляют собой солнечные системы с несколькими вспомогательными (пиковыми) источниками тепла, в основном комбинированного типа. (типичные решения включают взаимодействие между солнечной системой и тепловым насосом (например, грунтовым тепловым насосом) и дополнительным обычным нагревателем для пиковых нагрузок, обычно электрическим нагревателем или газомазутным котлом).

https://houses.ru/upload/medialibrary/8ff/sun12.jpg
https://houses.ru/upload/medialibrary/8ff/sun12.jpg
Вариант гелиосистемы

  • Способ изготовления системы, в том числе: заводские солнечные системы отопления, которые представляют собой отдельные продукты, предлагаемые под одним торговым наименованием, продаются в виде готовых к установке комплектов фиксированной конфигурации; солнечные системы отопления, изготавливаемые по индивидуальному заказу, изготавливаются по индивидуальному заказу или собираются из стандартного набора компонентов.В этом видео вам будет представлен рассказ пользователя гелиосистемы после трех лет эксплуатации:

Диапазон температур гелиосистемы

Как уже упоминалось, солнечные системы могут поставлять тепло на разных уровнях температуры. Требуемая температура зависит от типа и характеристик потребителя тепла. Соответственно подбирается техническое решение и тип оборудования. В настоящее время солнечные системы отопления, используемые в зданиях, в основном представляют собой низкотемпературные системы с теплоносителем с температурой в диапазоне 20–60 ° C. Самая низкая температура требуется для простейших применений, таких как подогрев воды в сельском хозяйстве (например, для полива растений) и для открытых бассейнов. Есть и другие примеры низкотемпературных систем солнечного отопления.

https://huchentec.ru/wp-content/uploads/2016/02/%D0%93%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0-SOL-BOX-%D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D0%B7%D0%B0%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE-%D0%B4%D0%BE%D0%BC%D0%B0.png
https://huchentec.ru/wp-content/uploads/2016/02/%D0%93%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D0%BE%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0-SOL-BOX-%D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D0%B7%D0%B0%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE-%D0%B4%D0%BE%D0%BC%D0%B0.png
Компоненты гелиосистемы

Гелиосистема, соединенная с последовательным тепловым насосом, так называемая последовательная система теплового насоса с солнечной батареей, требует низких температур. Рабочая среда, циркулирующая в коллекторном контуре с температурой около 20 ° C, используется в качестве источника тепла для теплового насоса. Когда тепловой насос соединен с солнечной системой последовательно, это означает, что после предварительного нагрева в солнечном коллекторе рабочая жидкость передает тепло испарителю теплового насоса напрямую или через теплообменник, установленный в солнечном накопителе. Тепловой насос может использовать два возобновляемых источника энергии; тогда его называют двойным источником или двухвалентным тепловым насосом.

Гелиосистема с тепловым насосом

Когда два источника тепла соединяются последовательно, тогда рабочая жидкость, циркулирующая в грунтовом теплообменнике, предварительно нагревается там, затем нагревается дальше в коллекторном контуре солнечной системы и в конечном итоге попадает в испаритель теплового насоса. При параллельном подключении тепловой насос использует землю и резервуар для хранения солнечной энергии в качестве альтернативных источников тепла, в зависимости от того, температура какого источника выше в данный момент. Могут применяться также системы легкого подземного хранения тепловой энергии. Солнечные тепловые коллекторы используются для нагрузки на землю летом; затем зимой тепло, накопленное в земле, извлекается для обеспечения теплом испарителя теплового насоса.

http://xn--c1alobhdcid.com/pictures/product/big/19896_big.png
http://xn--c1alobhdcid.com/pictures/product/big/19896_big.png
Солнечные коллекторы на крыше частного дома

В настоящее время используемые системы отопления помещений включают в себя напольное или настенное отопление, когда теплоноситель не имеет (и может не иметь) чрезмерно высокой температуры, выше 40 ° C. В системах горячего водоснабжения требуется температура воды не выше 55 ° C. Только в системах солнечного охлаждения и кондиционирования воздуха, где солнечные коллекторы взаимодействуют с устройствами сорбционного охлаждения, могут потребоваться температуры 80 ° C или даже намного выше. Конечно, в любой солнечной тепловой системе мгновенная температура рабочей жидкости на выходе из коллектора может быть выше, чем значение, необходимое для удовлетворения тепловых требований потребителя. Это выгодно для тепла, хранящегося в накопительном баке, и не означает, что это тепло используется напрямую (и немедленно) в тот же момент, когда оно вырабатывается солнечными коллекторами. Обычно тепло, используемое для приведения в действие охлаждающих устройств или тепловых насосов, поступает из накопительного бака.

https://1-teplodom.ru/wp-content/uploads/8/d/8/8d809b2df6621b35f40f03720ab630bb.jpg
https://1-teplodom.ru/wp-content/uploads/8/d/8/8d809b2df6621b35f40f03720ab630bb.jpg
Солнечные коллекторы

В случае применения солнечных систем отопления помещений в существующих зданиях, замена существующей системы отопления на низкотемпературную (например, теплый пол) зачастую невозможна. В такой ситуации существующая система, оснащенная традиционными радиаторами, рассчитанными на температуру 90/70 ° C, может быть адаптирована для новых условий (то есть для работы с новым низкотемпературным источником тепла). Для этого необходимо увеличить количество радиаторов (их поверхность теплообмена), чтобы обеспечить подачу необходимого тепла с более низкой температурой (рабочего тела).

Устройство гелиосистемы

Как было отмечено ранее, в зависимости от функции, которую выполняет гелиосистема, ее конструкция и конфигурация могут быть более или менее сложными. В зависимости от пользовательского режима тепловой нагрузки и требуемой мощности могут потребоваться определенные устройства и вспомогательные устройства (за исключением солнечных коллекторов) для обеспечения работы всей системы и покрытия тепловой нагрузки. В зависимости от сложности системы ее элементы могут включать некоторые (или все) из следующего:

  • Солнечные коллекторы:

https://www.renwex.ru/common/img/uploaded/exhibitions/renwex/img/2020/rSolar_Vac.jpg
https://www.renwex.ru/common/img/uploaded/exhibitions/renwex/img/2020/rSolar_Vac.jpg
Вариант солнечных коллекторов для обустройства активной гелиосистемы

  • Подающие и обратные трубопроводы.
  • Циркуляционные насосы в контурах принудительной циркуляции.
  • Теплообменники, разделяющие замкнутые контуры в системе.
  • Резервуары для хранения тепла, поступающего от солнечных коллекторов или других источников.
  • Предохранительные устройства, предотвращающие чрезмерное повышение давления или температуры (например, расширительные баки, предохранительные клапаны, вентиляционные отверстия).
  • Системы КИПиА для отдельных контуров и устройств (включая датчики температуры, термостаты, регулирующую арматуру и др.).
  • Вспомогательные традиционные нагревательные устройства или системы, которые могут поддерживать солнечную систему непрерывно или обеспечивать резерв. Это могут быть электрические нагреватели или котлы, работающие на газе, масле или биомассе.
  • Вспомогательное оборудование, позволяющее использовать низкотемпературное тепло от солнечного источника или другого возобновляемого источника тепла через тепловой насос.
  • Чиллеры сорбционного типа, используемые в системах солнечного охлаждения и кондиционирования воздуха.

https://sellfrost.ru/image/catalog/data/products/lessar-luc-ssda1000cxh-p-990009786/pic_0.jpg
https://sellfrost.ru/image/catalog/data/products/lessar-luc-ssda1000cxh-p-990009786/pic_0.jpg
Система с использованием чиллеров

  • Основные внутренние компоненты комбинированной системы солнечного отопления.

В данном видео мы рассмотрим какие трубки солнечных коллекторов лучше выбрать:

Гелиосистема — это универсальная система с действительно возобновляемыми источниками энергии, которые можно использовать для стыковки или поддержки существующих систем возобновляемой энергии и/или помощи в сокращении выбросов в атмосферу.

Коротко о главном

Солнечная тепловая энергия используется для нагрева воды для бытовых нужд, бассейнов или промышленных водонагревателей. Это полностью возобновляемый источник, вырабатываемый непосредственно за счет солнечного света, и после установки он вообще не производит углерода.

Использование солнечной системы отопления для обогрева ваших радиаторов или системы подогрева полов — это вариант, но мы не рекомендуем это в России. Относительно низкие уровни солнечной радиации, доступные зимой, серьезно ограничивают вклад, который может внести система солнечных тепловых панелей разумного размера. Если вы увеличите площадь солнечных панелей, которые вы устанавливаете, то летом вы получите много энергии, которая тратится впустую.

А вы использовали когда-нибудь активную гелиосистему для отопления помещений?