Системи опалення за рахунок сонячної енергії набули розвитку, Сонячна енергія, Теоретичні
У канадському місті Окотоксі, Альберта, розташованому на 51.1 градусі північної широди та 114 градусах західної довготи, було реалізовано успішну технологічну систему опалення за рахунок енергії сонця, яка обладнана ґрунтовим сезонним акумулятором і не має теплового насосу. Називається система DLSC – Drake Landing Solar Community.
Під час проектування системи канадські фахівці вивчили результати досліджень європейців та врахували накопичений іншими фахівцями практичний досвід для того, щоб створити ефективну цілорічну опалювальну систему, яка була б економічно вигідною та максимально використала відновлювану енергію сонця у загальному споживанні енергії житлового району.
Опалювальна сонячна система, оснащена ґрунтовим акумулятором, була введена в експлуатацію в районі Окотокс ще дві тисячі сьомого року. Вона була першою системою сонячного опалення у всій Північній Америці, яка покривала б понад дев'яносто відсотків потреби п'ятдесяти двох приватних будинків в опаленні. Централізована опалювальна система району була спеціально спроектована, щоб запасати надлишок одержаної сонячної енергії у теплий період з використанням ґрунтового акумулятора, що зберігає енергію до періоду її використання.
Складається теплова система з наступних компонентів:
1) 800 сонячних колекторів, закріплених на дахах гаражів, а також перекриттях між ними, на всій площі житлового району, під кутом сорок п'ять градусів до лінії горизонту;
2) Тимчасового інтегрованого акумулятора теплової сонячної енергії, що є двома металевими резервуарами ємністю сто двадцять кубічних метрів кожен;
3)Ґрунтовий акумулятор, що складається зі ста сорока чотирьох свердловин глибиною тридцять сім метро і відстанню між ними 2.25 метра. Діаметр площі поверхні, що використовується, дорівнює тридцяти п'яти метрам;
4) розподільної місцевої системи;
5) П'ятдесят двох енергетично ефективних будинків.
Сонячна енергія, що вбирається за допомогою плоских сонячних колекторів, загальна площа яких перевищує дві тисячі двісті дев'яносто квадратних метрів, накопичується в ґрунті завдяки спеціальній системі, що акумулює. Коли ж з'являється необхідність обігріву приміщень, вона може бути вилучена зі сховища та направлена за призначенням, тобто до житлових будинків, що підключені до неї. Ґрунтовий акумулятор розміщений на розі розташованого неподалік парку та покритий значним шаром ізоляції під верхнім шаром ґрунту. Грунтову систему, що акумулює, складають сто сорок чотири свердловини, які розташовані в двадцять чотири паралельних контури і мають глибину тридцять п'ять метрів. Підключення рядів з'єднаних послідовно свердловин реалізовано таким чином, щоб під час зарядки теплоносій тек із центру пристрою до периферії, і зворотним способом у процесі розрядки, що дозволяє підтримувати максимально можливу температуру в центрі пристрою. Для того, щоб забезпечити ефективне збереження теплової енергії протягом тривалого часу, ґрунтовий акумулятор, теплоносій в якому може бути розігрітий до вісімдесяти градусів, має складну систему теплоізоляції. Вона представлена глиною, спеціальною теплоізоляцією R-40, шаром піску, водостійкою мембраною, а також деякими іншими матеріалами з низькою теплопровідністю. У теплу пору року ґрунтова система, що акумулює, отримує тепло від тимчасового акумулятора. У холодні пори року,коли сонячного тепла на землю потрапляє недостатня кількість і виникає потреба у додатковому обігріві житлових приміщень, надходження нагрітого теплоносія до опалювальної мережі також здійснюється через тимчасовий акумулятор. Коли теплоносій у часовому акумуляторі має недостатню температуру, в енергетичному центрі району запускається газовий котел.
Житлові споруди – енергоефективні котеджі, завдяки сучасним технологічним досягненням, зберігають на тридцять відсотків більше тепла в порівнянні зі звичайними будинками, що підтверджується отриманим канадським сертифікатом стандарту R-2000. У кожному будинку реалізована сучасна система теплоізоляції, рекуперативної вентиляції та повітряний бар'єр. Опалення будинків реалізується за рахунок чотирьох гілок розподільчої мережі, що складається із сучасних подвійних трубопроводів. Спліт-система рекуперації тепла та кондиціювання забезпечує ефективне повітряне опалення та приплив свіжого повітря до приміщень. Також незалежна двоколекторна система нагрівання гарячої води та якісний газовий котел, що має високу ефективність, забезпечують безперервне постачання житлових будівель гарячою водою. Завдяки використанню такої комбінації технологічних рішень, стало можливим досягти сімдесяти відсоткового зниження обсягу споживаного газу.
Основна частина енергетичного обладнання, а це контролери, насоси, резервний газовий котел і так далі, а також два часові акумуляторні резервуари загальним обсягом двісті сорок кубічних метрів, розташовані в спеціально відведеній споруді – Енергетичному Центрі.
Тимчасові резервуари, що акумулюють, виступають у ролі буфера між розподільчим контуром, контуром сонячних колекторів і грунтовою акумулюючою системою. Доосновним функціям тимчасового акумулятора відносяться: отримання та подальший розподіл теплової енергії залежно від поставлених на даний момент часу завдань. Тимчасові накопичувальні резервуари є невід'ємною частиною енергетичної системи даного типу, оскільки вони мають більш високу теплопровідність, що дозволяє їм інтенсивніше утилізувати теплову енергію, ніж ґрунтова акумулююча система, що має значно більшу теплоємність. У теплу пору року, коли сонячного тепла на землю надходить надмірна кількість, ґрунтовий акумулятор також не може швидко поглинати тепло, що робить необхідним використання тимчасових акумуляторів теплової енергії, щоб уникнути зниження ефективності всієї установки. Тимчасові акумуляторні резервуари ефективно накопичують сонячну енергію протягом дня та продовжують її передачу в основний накопичувальний блок протягом усієї ночі.
У світлі вищесказаного можна однозначно стверджувати, що використання сонячних теплових систем, схожих із системою Drake Landing Solar Community, дозволить вплинути на стабілізацію екологічної ситуації. У цьому випадку реалізація технічно досконалої та економічно вигідної системи опалення дозволило знизити викиди парникових газів на п'ять тонн на рік. Крім того, система має приголомшливу економічну ефективність за рахунок значного зниження обсягів викопного палива, що використовується. Більше того, сонячне тепло є невичерпним джерелом енергії, що дозволяє говорити про довгострокову стабільність таких систем в умовах енергетичної кризи.
Канадська система сонячного опалення з ґрунтовою акумулюючою системою є сьогодні найуспішнішою системою не тільки цьоготипу, але і всіх систем, що мають на увазі обігрів житлових приміщень за рахунок сонячного тепла. Канадцям вдалося досягти вражаючих показників – 86 відсотків тепла, що використовується, припадає на сонячну енергію.
Ґрунтова акумуляторна система ще не досягла стаціонарного температурного стану, проте отримані результати дуже перспективні. Порівняльну таблицю параметрів сонячних систем опалення з ґрунтовою акумулюючою системою, зведених у Швеції та Канаді, ви можете побачити на відповідному зображенні в тілі статті.
Шведська система сонячного опалення вже до восьмого року досягла стаціонарного температурного стану, що дозволило точно виміряти складову сонячного тепла в сумарному енергоспоживання. В результаті проведеного фахівцями аналізу було отримано цифру у двадцять вісім відсотків. Однак слід враховувати, що на момент її запуску, а це був далекий дві тисячі другий рік, дана система була унікальною у своєму роді, оскільки ніде більше у світі не було аналогів. Під час проектування та безпосереднього будівництва фахівці стикалися з серйозними труднощами, крім того, через відсутність реального досвіду були допущені деякі огріхи при плануванні системи, які стали причиною зниження загальної ефективності системи. Тим не менш, шведська опалювальна система сонячного типу є важливим пристроєм, що забезпечує вчених усього світу необхідною тестовою інформацією, яка дозволила канадцям побудувати значно досконалішу опалювальну систему.
Канадські фахівці після ретельного аналізу світового досвіду, та шведського досвіду зокрема, розпочали створення власної великомасштабної опалювальної сонячної системи із сезонними ґрунтовими акумуляторами, яка булавведено в експлуатацію вже у дві тисячі сьомого року. Нині система добре функціонує. Головним висновком, який зробили канадські фахівці, провівши всебічний аналіз шведської розробки – це значно вищий рівень реальних втрат, ніж прогнозувалося на стадії проектування. Щоб уникнути цього негативного аспекту, було вирішено використовувати досконалу систему теплової ізоляції ґрунтових накопичувачів тепла. Також за рахунок використання продуманої централізованої системи розміщення складових системи вдалося ще більше знизити невиправдані втрати теплової енергії. Використання двох тимчасових акумулюючих резервуарів великої ємності – сто двадцять тисяч літрів замість кількох невеликих також дозволило уникнути додаткових втрат тепла.
Переглянувши порівняльну таблицю, можна побачити, що є суттєві розбіжності у створенні та конфігурації двох систем сонячного опалення. Канадська система, на відміну від шведської, оснащена сучасною системою контролю та моніторингу, яка здійснює запис та зберігання всіх даних, прийнятих з відповідних датчиків. Крім того, розроблена система моніторингу оснащена спеціальною логікою для проведення подальших досліджень системи та якісного порівняння з віртуальною моделлю, спроектованою у програмі TRNSYS. Координуючий проект SAIC Canada спеціаліст постійно стежить за роботою системи, а також займається удосконаленням обладнання контролю та моніторингу; проводить інспекції робочих приміщень, розташованих у межах житлового району. Така увага до деталей дозволяє своєчасно виявити помилки та неполадки, які можуть виникнути в процесі роботи системи та заздалегідь їх усунути.
Так чи інакше, ні в кого не виникає сумнівівв тому, що два розглянуті приклади: першопрохідницька шведська система сонячного опалення та досконаліша канадська, довели світовій громадськості перспективність цілорічного використання енергії сонця для опалення житлових будівель в умовах суворого клімату, а також для безперебійного водопостачання. Описані системи зробили величезний крок уперед для просування сонячної енергетики у світових масштабах та є яскравим прикладом застосування екологічно чистих, економічно вихідних та ефективних енергетичних систем.