Швидкий розрахунок геліосистем
Орієнтація та кут нахилу колекторів
Вплив орієнтації, кута нахилу та затінення на прийняту кількість сонячної енергії
Орієнтована на південь та встановлена під кутом приблизно від 30° до 65° щодо горизонту геліоустановка в Україні дозволяє приймати за рік у середньому максимальну кількість променистої енергії. Але навіть за помітних відхилень від вищевказаних умов (орієнтація від південного заходу до південного сходу, кут нахилу від 25 до 70 градусів) сонячна система працюватиме з максимальною ефективністю (рисунок нижче).
Мал. Вплив орієнтації, кута нахилу та затінення на прийняту променисту енергію
Установка під меншим кутом оптимальна в тому випадку, якщо поверхню колектора не можна орієнтувати на південь. В цьому випадку геліоустановка, розташована під кутом 30 градусів, навіть при орієнтації на південний захід, з азимутом 45 ° буде забезпечувати до 95% оптимального отримання сонячної енергії. І навіть при орієнтації на схід чи захід можна забезпечити отримання до 85% енергії, якщо кут нахилу даху становить від 25° до 40°. Якщо кут нахилу площини колектора більше, кількість енергії, що надходить, протягом року буде більш рівномірним. Тому колектори, використовувані підтримки системи опалення, встановлюють під великим кутом. Завдяки цьому зменшується кількість надлишкової теплоти влітку, тоді як ефективність роботи колекторів у зимовий час під час падіння сонячних променів під меншим кутом оптимізується. Вакуумні трубчасті колектори з тепловими трубами Heat Pipe колектори не слід встановлювати під кутом менше 20°, оскільки в цьому випадку пристрої Heat Pipe не ефективно працюватимуть через відсутність ефекту природної конвекції.
Кут нахилу
Кут нахилу утворюється між горизонтальною площиною та геліоколектором. При монтажі на похилому даху кут нахилу колектора визначається крутістю схилу даху. Абсорбер колектора може сприймати максимальну кількість енергії, якщо площина колектора перпендикулярна до напрямку падіння сонячних променів.
Мал. Встановлення колектора під кутом
Азімут
Азімут характеризує відхилення площини колектора від південного спрямування; при орієнтації площини колектора точно на південь азимут = 0. Оскільки інсоляція в середині дня є найбільш інтенсивною, площину колектора слід по можливості орієнтувати на південь. Однак хороші результати досягаються також при відхиленні від південного напрямку до 45 ° на південний захід або південний схід. Значніші відхилення можна компенсувати за рахунок невеликого збільшення площі поверхні колектора.
Мал. Приклад – азимут 15° на схід
Варіант установки колектора
Сонячні колектори можуть встановлюватися та кріпитися на будь-якій поверхні будівель, конструкцій або безпосередньо на землі. Слід врахувати, що колектори із вакуумних трубок функціонують за принципом «теплових труб». Тому мінімально допустимий кут, під яким слід монтувати, становить 25°. Вони відрізняються наявністю вбудованого захисту від перегріву.
1. На похилому даху 2. На похилому даху зі збільшенням кута 3. На плоскій поверхні даху 4. На землі 5. На стінах будівлі, 90 ° 6. На стінах будівель із зменшенням кута
Розрахунок площі та кількості колекторів
Тепло Сонця
Приблизно 1/3 загального споживання енергії в Україні посідає опалення будівель. Енергозберігаючі будівельні технології, а такожекономічні системи опалення можуть значно знизити енергоспоживання, таким чином сприяючи економії природних ресурсів та захисту атмосфери Землі. Значний потенціал економії міститься у системі приготування гарячої води. Так, сонячні колектори у поєднанні з накопичувальним водонагрівачем у наших широтах саме в літні місяці є найбільш цікавою альтернативою використанню опалювального котла. Навіть у перехідний період завдяки підтримці системи опалення приміщень за рахунок геліосистеми часто можна відключати опалювальний котел.
Потужність інсоляції
Інсоляція є потік енергії, рівномірно випромінюваний Сонцем у всіх напрямках. На зовнішню поверхню атмосфери Землі постійно впливає частина цього потоку променистої енергії потужністю 1,36 кВт/м2. Цю величину називають сонячною постійною. При проходженні через атмосферу Землі сонячне випромінювання послаблюється внаслідок ефектів відбиття, розсіювання та абсорбції частинками пилу та молекулами газів (рис. 1). Частина випромінювання, яка безперешкодно проходить крізь атмосферу, потрапляє безпосередньо поверхню Землі; це так зване пряме випромінювання. Частина сонячного випромінювання, що відбивається або поглинається частинками пилу та молекулами газу, потрапляє на поверхню Землі ненаправлено; це так зване розсіяне випромінювання. Суму прямого та розсіяного сонячного випромінювання (рис. 2) називають сумарним випромінюванням Од. За оптимальних умов (безхмарне, чисте небо, середина дня) воно досягає макс. 1000 Вт/м2. За допомогою геліоколекторів можна, залежно від їх типу та габаритів установки, використовувати близько 75% сумарного сонячного випромінювання.
Мал. 1. Залежно від погодних умов та стану атмосфери наповерхня землі потрапляє від 300 до 1000Вт/м2.
Мал. 2. Зміна енергії, що потрапляє на горизонтальну поверхню за добу, протягом року
Таблиця. Середньорічні показники кількості сонячної енергії, що потрапляє щодня на горизонтальну поверхню у різних регіонах України. Для площини колекторів, встановлених під кутом від 35 до 65 °, слід застосовувати коефіцієнти, що збільшують.
Визначення параметрів комбінованих систем
ГВП + підтримка опалення + підігрів басейнів
При проектуванні систем для часткового покриття витрат на опалення необхідно враховувати низьке становище Сонця в зимовий період. Відповідно, для більш ефективної роботи сонячної системи в міжсезоння та взимку необхідно встановлювати колектори під кутом у середньому на 10-15% більше, ніж зазвичай (50-60 °). При цьому сумарне річне вироблення енергії може незначно знизитися з умовою, що саме в зимовий період вироблення енергії збільшиться. Докладніше дивіться на сторінці "Орієнтація та кут нахилу колекторів".
Установка для підтримки системи опалення приміщень та підігріву басейнів
Періоди максимального надходження сонячної енергії не відповідають за часом періодам, коли потреба в енергії для опалення є найвищою. Якщо витрата тепла для приготування гарячої води протягом усього року залишається відносно постійною, то в періоди найбільшої потреби в теплі для опалення приміщень надходить лише невелика кількість сонячної енергії (див. малюнок знизу).
Зсув фаз між опалювальним періодом та періодом надходження максимальної кількості сонячної енергії: 1. Потреба теплоти приміщень у будинку старої постройки 2. Потреба в теплоті приміщеньбудинку з низьким споживанням енергії 3. Потреба у теплій або гарячій воді 4. Кількість сонячної енергії, що виробляється системою розрахованої для ГВС 5. Кількість сонячної енергії виробленої системою розрахованої для ГВП+опалення+басейн 6. Потреба енергії для підігріву басейну
Для забезпечення підтримки системи опалення приміщень площа поверхні колекторів має бути відносно великою. Внаслідок цього геліоустановка «простоюватиме» влітку. З точки зору технічної реалізації дуже просто використовувати геліоустановку для підтримки системи опалення завдяки використанню баковнакопичувачів з двома теплообмінниками. Підставою для розрахунку параметрів геліоустановки для підтримки системи опалення приміщень є потреба в теплі для приготування гарячої води. За наявності потреби в опаленні влітку, наприклад, підвальних приміщень, підігріву підлоги у ванних кімнатах, потреба у теплі зростає. Для забезпечення економічного режиму експлуатації геліоустановки для підтримки системи опалення площа поверхні колекторів має бути в 2-2,5 рази більшою, ніж це необхідно для забезпечення потреби в теплі для потреб ГВП. Орієнтація виключно на навантаження опалення взимку може призвести до завищення розмірів геліоустановки, що, у свою чергу, призводить до проблем під час експлуатації системи та невиправдано високої вартості системи. У будинках з низьким споживанням енергії (потреба в теплі менше 50 Вт/м2) слід забезпечувати частку покриття потреби енергії за рахунок геліоустановки до 50% від загальної потреби в енергії, включаючи підігрів питної води. У будинках з більш високим споживанням енергії частка покриття потреби в енергії за рахунок геліоустановки буде меншою.
Визначення параметрів (ГВП)
Установка для приготування гарячої води - ємнісний водонагрівач та геліоколектор
Основою для розрахунку параметрів геліоустановки для приготування гарячої води є потреба у теплій або гарячій воді. Якщо цю потребу встановити не вдається, її слід визначити за таблицею нижче. Іншим важливим параметром є частка покриття потреби в енергії за рахунок геліоустановки. Для невеликих установок для приготування гарячої води вона має становити від 50 до 90%. Для досягнення частки покриття потреби в енергії 90% обсяг бівалентного бойлера (ємнісного водонагрівача, що працює від двох джерел енергії) повинен бути приблизно в 1,5 - 2 рази більше, ніж добова потреба в теплій або гарячій воді. При змінному витраті теплої чи гарячої води слід вибирати коефіцієнт 2, за відносно постійному витраті - коефіцієнт 1,5.
Таблиця. Середня потреба у теплій чи гарячій воді