Gelios Energy

13°C
Киев

Быстрый рассчет гелиосистем

Ориентация и угол наклона коллекторов

Влияние ориентации, угла наклона и зате¬нения на принимаемое количество солнечной энергии

Ориентированная на юг и установленная под углом примерно от 30° до 65° относительно горизонта гелиоустановка в Украине позволяет принимать за год в среднем максимальное количество лучистой энергии. Но даже при заметных отклонениях от вышеуказанных условий (ориентация от юго-запада до юго-востока, угол наклона от 25 до 70 градусов) солнечная система будет работать с максимальной эффективностью (рисунок ниже).

Рис. Влияние ориентации, угла наклона и затенения на принимаемую лучистую энергию

Установка под меньшим углом является оптимальной в том случае, если поверхность коллектора нельзя ориентировать на юг. В этом случае гелиоустановка, расположенная под углом 30 градусов, даже при ориентации на юго-запад, с азимутом 45° еще будет обеспечивать до 95% оптимального получения солнечной энергии. И даже при ориентации на восток или запад еще можно обеспечить получение до 85% энергии, если угол наклона крыши составляет от 25° до 40°. Если угол наклона плоскости коллектора больше, количество поступающей энергии в течение года будет более равномерным. Поэтому коллекторы, используемые для поддержания системы отопления, устанавливают под большим углом. Благодаря этому уменьшается количество избыточной теплоты летом, в то время как эффективность работы кол¬лекторов в зимнее время при падении солнечных лучей под меньшим углом оптимизируется. Вакуумные трубчатые коллекторы с тепловыми трубами Heat Pipe коллекторы не следует устанавливать под углом менее 20°, поскольку в этом случае устройства Heat Pipe не будут эффективно работать ввиду отсутствия эффекта естественной конвекции.

Угол наклона

Угол наклона образуется между горизонтальной плоскостью и гелиоколлектором. При монтаже на наклонной крыше угол наклона коллектора определяется крутизной ската крыши. Абсорбер коллектора может воспринимать максимальное количество энергии, если плоскость коллектора перпендикулярна направлению падения солнечных лучей.

Рис. Установка коллектора под углом

Азимут

Азимут характеризует отклонение плоскости коллектора от южного направления; при ориентации плоскости коллектора точно на юг азимут = 0. Поскольку инсоляция в середине дня является наиболее интенсивной, плоскость коллектора следует по возможности ориентировать на юг. Однако хорошие результаты достигаются также при отклонении от южного направления до 45° на юго-запад или юго-восток. Более значительные отклонения можно компенсировать за счет небольшого увеличения площади поверхности коллектора.

Рис. Пример - азимут 15° на восток

Вариант установки коллектора

Солнечные коллекторы могут устанавливаться и крепиться на любой поверхности зданий, конструкций или непосредственно на земле. Следует учесть, что коллекторы из вакуумных трубок функционируют по принципу «тепловых труб». Поэтому минимально допустимый угол, под которым их следует монтировать, составляет 25°. Они отличаются наличием встроенной защиты от перегрева.

1. На наклонной крыше
2. На наклонной крыше с увеличением угла
3. На плоской поверхности крыши
4. На земле
5. На стенах здания, 90°
6. На стенах зданий с уменьшением угла

Расчет площади и количества коллекторов

Тепло Солнца

Примерно 1/3 общего потребления энергии в Украине приходится на отопление зданий. Энергосберегающие строительные технологии, а также экономичные системы отопления могут значительно снизить энергопотребление, таким образом способствуя экономии природных ресурсов и защите атмосферы Земли. Значительный потенциал экономии заключен в системе приготовления горячей воды. Так, солнечные коллекторы в сочетании с накопительным водонагревателем в наших широтах именно в летние месяцы представляют собой наиболее интересную альтернативу использованию отопительного котла. Даже в переходный период благодаря поддержке системы отопления помещений за счет гелиосистемы, часто можно отключать отопительный котел.

Мощность инсоляции

Инсоляция представляет собой поток энергии, равномерно излучаемый Солнцем во всех направлениях. На внешнюю поверхность атмосферы Земли постоянно воздействует часть этого потока лучистой энергии мощностью 1,36 кВт/м2. Эту величину называют солнечной постоянной. При прохождении через атмосферу Земли солнечное излучение ослабляется вследствие эффектов отражения, рассеивания и абсорбции частичками пыли и молекулами газов (рис. 1). Часть излучения, которая беспрепятственно проходит сквозь атмосферу, попадает непосредственно на поверхность Земли; это так называемое прямое излучение. Часть солнечного излучения, которая отражается или поглощается частичками пыли и молекулами газа, попадает на поверхность Земли ненаправленно; это так называемое рассеянное излучение. Сумму прямого и рассеянного солнечного излучения (рис. 2) называют суммарным излучением Ед. В оптимальных условиях (безоблачное, чистое небо, середина дня) оно достигает макс. 1000 Вт/м2. С помощью гелиоколлекторов можно, в зависимости от их типа и габаритов установки, использовать около 75 % суммарного солнечного излучения.

Рис. 1. В зависимости от погодных условий и состояния атмосферы на поверхность земли попадает от 300 до1000Вт/м2.

Рис. 2. Изменение энергии, попадающей на горизонтальную поверхность за сутки, в течении года

Таблица. Среднегодовые показатели количества солнечной энергии, попадающей ежедневно на горизонтальную поверхность в разных регионах Украины. Для плоскости коллекторов, установленных под углом от 35 до 65°, следует применять увеличивающие коэффициенты.

Средний показатель за последние 22 года (По данным NASA) Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Средне годовой
г.Киев, Широта 50.5 N, Долгота 30.5 Е 1.69 2.56 3.15 3.49 4.71 4.19 4.48 4.4 3.14 2.44 1.39 1.44 3.1
г.Львов, Широта 49.5 N, Долгота 24 Е 1.66 2.49 2.9 3.23 3.96 3.81 3.9 4.06 3.01 2.34 1.48 1.34 2.85
г.Харьков, Широта 49.59 N, Долгота 46.13 Е 1.19 2.18 3.42 4.48 5.65 5.89 5.83 5.05 3.71 2.24 1.27 0.93 3.49
г.Одесса, Широта 46.30 N, Долгота 30.46 Е 1.08 1.78 2.68 3.87 5.4 5.7 6.39 5.63 3.96 2.45 1.06 0.87 3.41
г.Тернополь, Широта 49.33 N, Долгота 25.5 Е 1.09 1.86 2.85 3.85 4.84 5 4.93 4.51 3.08 1.91 1.09 0.85 2.99
г.Ялта, Широта 44.29 N, Долгота 34.9 Е 1.27 2.06 3.05 4.3 5.44 5.84 6.2 5.34 4.07 2.67 1.55 1.07 3.58
г.Ужгород, Широта 48.37 N, Долгота 22.18 Е 1.13 1.91 3.01 4.03 5.01 5.31 5.25 4.82 3.33 2.02 1.19 0.88 3.16
г.Хмельницкий, Широта 49.25 N, Долгота 27.00 Е 1.09 1.86 2.87 3.85 5.08 5.04 4.58 3.33 3.14 1.98 1.1 0.87 3.06
г.Днепропетровск, Широта 48.36 N, Долгота 34.58 Е 1.21 1.99 2.98 4.05 5.55 5.57 5.7 5.08 3.66 2.27 1.2 0.96 3.36

Определение параметров комбинированных систем

ГВС + поддержка отопления + подогрев бассейнов

При проектировании систем для частичного покрытия затрат на отопление необходимо учитывать низкое положение Солнца в зимний период. Соответственно, для более эффективной работы солнечной системы в межсезонье и зимой необходимо устанавливать коллекторы под углом в среднем на 10-15% больше, чем обычно (50-60°). При этом суммарная годовая выработка энергии может незнчительно снизиться с условием, что именно в зимний период выработка энергии увеличится. Подробнее смотрите на странице "Ориентация и угол наклона коллекторов".

Установка для поддержки системы отопления помещений и подогрева бассейнов

Периоды максимального поступления солнечной энергии не соответствуют по времени периодам, в которые потребность в энергии для отопления является наивысшей. Если расход тепла для приготовления горячей воды в течение всего года остается относительно постоянным, то в периоды наибольшей потребности в тепле для отопления помещений поступает лишь весьма небольшое количество солнечной энергии (см. рисунок снизу).

Сдвиг фаз между отопительным периодом и периодом поступления максимального количества солнечной энергии:
1. Потребность в теплоте помещений в доме старой постройки
2. Потребность в теплоте помещений в доме с низким потреблением энергии
3. Потребность в теплой или горячей воде
4. Количество солнечной энергии производимой системой расчитеной для ГВС
5. Количество солнечной энергии производимой системой расчитеной для ГВС+отопление+бассейн
6. Потребность в энергии для подогрева бассейна

Для обеспечения поддержки системы отопления помещений площадь поверхности коллекторов должна быть относительно большой. Вследствие этого гелиоустановка будет «простаивать» в летнее время. С точки зрения технической ре¬ализации очень просто использовать гелиоустановку для поддержки системы отопления, благодаря использованию баковнакопителей с двумя теплообменниками. Основанием для расчета параметров гелиоустановки для поддержки системы отопления помещений, является потребность в тепле для приготовления горячей воды. При наличии потребности в отоплении летом, например, подвальных помещений, подогрева пола в ванных комнатах, потребность в тепле возрастает. Для обеспечения экономичного режима эксплуатации гелиоустановки для поддержки системы отопления площадь поверхности коллекторов должна быть в 2-2,5 раза больше, чем это необходимо для обеспечения потребности в тепле для нужд ГВС. Ориентация исключительно на нагрузку отопления зимой может привести к завышению размеров гелиоустановки, что в свою очередь приводит к проблемам во время эксплуатации системы и неоправданно высокой стоимости системы. В домах с низким потреблением энергии (потребность в тепле меньше 50 Вт/м2) следует обеспечивать долю покрытия потребности в энергии за счет гелиоустановки до 50% от общей потребности в энергии, включая подогрев питьевой воды. В домах с более высоким потреблением энергии доля покрытия потребности в энергии за счет гелиоустановки будет меньше.

Определение параметров (ГВС)

Установка для приготовления горячей воды - емкостный водонагреватель и гелиоколлектор

Основой для расчета параметров гелиоустановки для при¬готовления горячей воды является потребность в теплой или горячей воде. Если эту потребность установить не удается, ее следует определить по таблице ниже. Другим важным параметром является доля покрытия по¬требности в энергии за счет гелиоустановки. Для небольших установок для приготовления горячей воды она должна состав¬лять от 50 до 90%. Для достижения доли покрытия потребности в энергии 90%, объем бивалентного бойлера (емкостного водонагревателя, работающего от двух источников энергии) должен быть примерно в 1,5 - 2 раза больше, чем суточная потребность в теплой или горячей воде. При переменном расходе теплой или горячей воды следует выбирать коэффициент 2, при относительно постоянном рас¬ходе - коэффициент 1,5.

Таблица. Средняя потребность в теплой или горячей воде

Потребность в теплой воде, [л/(день•чел.)]
Температура теплой/горячей воды
45 °С 60 °С
В жилищном строительстве
высокие требования от 50 до 80 от 35 до 56
средние требования от 30 до 50 от 21 до 35
низкие требования от 15 до 30 от 11 до 21

 

Выбор емкостного водонагревателя и коллектора

Данные в таблице приведены для:

  • ориентации установки на юго-запад, юг или юго-восток
  • угол наклона крыши от 25° до 55°

Количество
людей

Потребность в теплой / горячей воде в день, л

Объем накопителя, л

Количество вакуумных
трубок

45 °С

60 °С

2

80

60

100-150

10-15

3

120

90

150-200

15-20

4

160

120

200-250

20-25

5

200

150

250-300

25

6

240

180

300-350

25-30

7

280

210

350-400

30-35

8

320

240

400-450

35-40

10

400

300

500

45-60

Доля покрытия потребности в энергии для приготовления горячей воды за счет гелиоустановки в частном доме