Słoneczne ciepło powietrza
Słoneczne ogrzewanie powietrza to słoneczna technologia termiczna , w której energia słoneczna, nasłonecznienie , jest wychwytywana przez ośrodek pochłaniający i wykorzystywana do ogrzewania powietrza. Słoneczne ogrzewanie powietrza to energię odnawialną, wykorzystywana do ogrzewania lub klimatyzacji powietrza w budynkach lub w zastosowaniach związanych z ogrzewaniem procesowym. Jest to zazwyczaj najbardziej opłacalna ze wszystkich technologii słonecznych, zwłaszcza w zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych, i dotyczy największego zużycia energii w budynkach w klimacie grzewczym, czyli ogrzewania pomieszczeń i ogrzewania procesów przemysłowych.
Powietrzne kolektory słoneczne można podzielić na dwie kategorie:
- Nieszkliwione kolektory powietrza lub transpirowane kolektory słoneczne (używane głównie do ogrzewania powietrza otoczenia w zastosowaniach komercyjnych, przemysłowych, rolniczych i procesowych)
- Przeszklone kolektory słoneczne (typy z recyrkulacją, które są zwykle używane do ogrzewania pomieszczeń)
Typy kolektorów
Kolektory słoneczne do ogrzewania powietrza można klasyfikować ze względu na ścieżki dystrybucji powietrza lub materiały, z których są wykonane, takie jak przeszklone lub nieszkliwione. Na przykład:
- kolektory przelotowe
- przepustka przednia
- podanie wsteczne
- kombinowane kolektory z przodu iz tyłu
- nieszkliwione
- oszklony
Nieszkliwione kolektory powietrzne i transpirowane kolektory słoneczne
Tło
Termin „nieszkliwiony kolektor powietrzny” odnosi się do słonecznego systemu ogrzewania powietrza, który składa się z absorbera bez żadnej szyby lub przeszklenia na górze. Najpopularniejszym typem kolektora nieszkliwionego na rynku jest kolektor słoneczny transpirowany. Technologia ta została wynaleziona i opatentowana przez kanadyjskiego inżyniera Johna Hollicka z firmy Conserval Engineering Inc. w latach 90., który współpracował z Departamentem Energii USA ( NREL ) i Zasobami Naturalnymi Kanady nad komercjalizacją tej technologii na całym świecie. Technologia była szeroko monitorowana przez te agencje rządowe, a Natural Resources Canada opracowało narzędzie do analizy wykonalności RETScreen do modelowania oszczędności energii z transpirowanych kolektorów słonecznych. Johna Hollicka i transpirowany kolektor słoneczny został uhonorowany przez Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Mechaników (ASME) w 2014 roku jako jeden z najlepszych wynalazków ery uprzemysłowionej, obok Thomasa Edisona, Henry'ego Forda, silnika parowego i Kanału Panamskiego – na nowojorskiej wystawie uznającej najlepszych wynalazków, wynalazców i osiągnięć inżynieryjnych ostatnich dwóch stuleci.
Kilka tysięcy transpirowanych systemów kolektorów słonecznych zostało zainstalowanych w różnych zastosowaniach komercyjnych, przemysłowych, instytucjonalnych, rolniczych i procesowych w ponad 35 krajach na całym świecie. Technologia ta była pierwotnie stosowana głównie w zastosowaniach przemysłowych, takich jak zakłady produkcyjne i montażowe, gdzie występowały wysokie wymagania dotyczące wentylacji, rozwarstwione ciepło sufitu i często podciśnienie w budynku. Pierwszy na świecie nieszkliwiony transpirowany kolektor został zainstalowany przez firmę Ford Motor Company w jej zakładzie montażowym w Oakville w Kanadzie.
Wraz z rosnącym dążeniem do instalowania systemów energii odnawialnej w budynkach, transpirowane kolektory słoneczne są obecnie stosowane w całym budynku ze względu na wysoką produkcję energii (do 500-600 szczytowych watów termicznych/metr kwadratowy), wysoką konwersję energii słonecznej (do 90% ) i niższych kosztów kapitałowych w porównaniu z fotowoltaicznymi systemami fotowoltaicznymi i słonecznym ogrzewaniem wody.
Metoda operacji
Nieszkliwione kolektory powietrza podgrzewają powietrze z otoczenia (zewnętrzne) zamiast recyrkulowanego powietrza w budynku. Kolektory słoneczne Transpired są zwykle montowane na ścianach, aby uchwycić niższy kąt nasłonecznienia w zimowych miesiącach grzewczych, a także odbicie słońca od śniegu i osiągnąć optymalną wydajność i zwrot z inwestycji przy przepływie od 4 do 8 CFM na stopę kwadratową (72 do 144 m3/h.m2) powierzchni kolektora.
Zewnętrzna powierzchnia transpirowanego kolektora słonecznego składa się z tysięcy maleńkich mikroperforacji, które umożliwiają wychwytywanie granicznej warstwy ciepła i równomierne wciąganie jej do wnęki powietrznej za zewnętrznymi panelami. Powietrze wentylacyjne ogrzane energią słoneczną jest zasysane do systemu wentylacyjnego budynku z wylotów powietrza umieszczonych wzdłuż górnej części kolektora, a następnie powietrze jest rozprowadzane w budynku za pomocą konwencjonalnych środków lub przy użyciu systemu kanałów słonecznych.
Obszerny monitoring prowadzony przez Natural Resources Canada i NREL wykazał, że transpirowane systemy kolektorów słonecznych zmniejszają od 10 do 50% konwencjonalnego obciążenia grzewczego i że RETScreen jest dokładnym predyktorem wydajności systemu.
Kolektory słoneczne typu transpired działają jak osłona przeciwdeszczowa, a także wychwytują straty ciepła uciekające z przegród zewnętrznych budynku, które są gromadzone w komorze powietrznej kolektora i odprowadzane z powrotem do systemu wentylacyjnego. Słoneczne systemy ogrzewania powietrza nie wymagają konserwacji, a przewidywana żywotność wynosi ponad 30 lat.
Odmiany transpirowanych kolektorów słonecznych
Nieszkliwione kolektory transpirowane mogą być również montowane na dachu w zastosowaniach, w których nie ma odpowiedniej ściany skierowanej na południe lub z innych względów architektonicznych. Wiele firm oferuje kolektory powietrza transpirowanego odpowiednie do montażu na dachu, montowane bezpośrednio na pochyłym dachu metalowym lub jako moduły przymocowane do kanałów i podłączone do pobliskich wentylatorów i urządzeń HVAC.
Wyższe temperatury są również możliwe dzięki kolektorom transpirowanym, które można skonfigurować tak, aby podgrzewały powietrze dwukrotnie, aby zwiększyć wzrost temperatury, dzięki czemu nadają się do ogrzewania pomieszczeń w większych budynkach. W systemie 2-stopniowym pierwszy stopień to typowy nieszkliwiony kolektor transpirowany, a drugi stopień to przeszklenie zakrywające kolektor transpirowany. Przeszklenie umożliwia skierowanie całego ogrzanego powietrza z pierwszego stopnia przez drugi zestaw kolektorów transpirowanych do drugiego stopnia ogrzewania słonecznego.
Kolejną innowacją jest odzyskiwanie ciepła z modułów fotowoltaicznych (często czterokrotnie więcej niż energii elektrycznej wytwarzanej przez moduł fotowoltaiczny) poprzez zamontowanie modułów fotowoltaicznych na systemie powietrza słonecznego. W przypadkach, gdy istnieje zapotrzebowanie na ogrzewanie, włączenie elementu słonecznego powietrza do systemu fotowoltaicznego zapewnia dwie korzyści techniczne; usuwa ciepło PV i pozwala systemowi PV działać bliżej jego wydajności znamionowej (czyli 25 C); i zmniejsza całkowity okres zwrotu energii związany z połączonym systemem, ponieważ energia cieplna jest wychwytywana i wykorzystywana do kompensacji konwencjonalnego ogrzewania.
Przeszklone systemy powietrzne
Funkcjonując w podobny sposób jak konwencjonalny piec z wymuszonym obiegiem powietrza, systemy dostarczają ciepło poprzez recyrkulację klimatyzowanego powietrza w budynku przez kolektory słoneczne . Dzięki zastosowaniu powierzchni zbierającej energię do pochłaniania energii cieplnej słońca i kierowaniu powietrza w celu zetknięcia się z nią, można wykonać prosty i skuteczny kolektor do różnych zastosowań klimatyzacyjnych i procesowych.
Prosty słoneczny kolektor powietrzny składa się z materiału pochłaniającego, czasami mającego selektywną powierzchnię , do wychwytywania promieniowania słonecznego i przekazywania tej energii cieplnej do powietrza poprzez przewodzenie ciepła. To ogrzane powietrze jest następnie kierowane do przestrzeni budynku lub do obszaru procesu , gdzie ogrzane powietrze jest wykorzystywane do ogrzewania pomieszczeń lub ogrzewania procesu.
Pionierem tego typu systemu był George Löf , który w 1945 roku zbudował system ogrzewania słonecznego powietrza dla domu w Boulder w Kolorado. Później dodał żwirowe podłoże do magazynowania ciepła.
Przelotowy kolektor powietrza
W konfiguracji przelotowej powietrze kierowane na jedną stronę absorbera przechodzi przez perforowany lub włóknisty materiał i jest podgrzewane dzięki właściwościom przewodzącym materiału i właściwościom konwekcyjnym poruszającego się powietrza. Absorbery przelotowe mają największą powierzchnię, która umożliwia stosunkowo wysokie przewodzenie ciepła, ale znaczny spadek ciśnienia może wymagać większej mocy wentylatora, a niszczenie niektórych materiałów absorbera po wielu latach ekspozycji na promieniowanie słoneczne może dodatkowo powodować problemy z jakością i wydajnością powietrza .
Tylny, przedni i kombinowany kolektor powietrza
W konfiguracjach typu back-pass, front-pass i kombinowanych powietrze jest kierowane na tył, przód lub obie strony absorbera w celu ogrzania od powrotu do kolektorów kanałów zasilających. Chociaż przepuszczanie powietrza po obu stronach absorbera zapewni większą powierzchnię przewodzenia ciepła, problemy z kurzem (zanieczyszczeniem) mogą powstawać w wyniku przepuszczania powietrza z przodu absorbera, co zmniejsza wydajność absorbera poprzez ograniczenie ilości odbieranego światła słonecznego . W zimnym klimacie powietrze przechodzące obok przeszklenia spowoduje dodatkowo większe straty ciepła, co skutkuje niższą ogólną wydajnością kolektora.
Zastosowania słonecznego ogrzewania powietrza
Różnorodne zastosowania mogą wykorzystywać technologie słonecznego ogrzewania powietrza w celu zmniejszenia śladu węglowego wynikającego z wykorzystania konwencjonalnych źródeł ciepła, takich jak paliwa kopalne , w celu stworzenia zrównoważonych sposobów wytwarzania energii cieplnej. Zastosowania, takie jak ogrzewanie pomieszczeń , przedłużanie sezonu szklarniowego, wstępne podgrzewanie powietrza uzupełniającego wentylację lub ciepło procesowe , można rozwiązać za pomocą słonecznych urządzeń do ogrzewania powietrza. W dziedzinie „kogeneracji słonecznej” technologie słonecznej energii cieplnej są łączone z fotowoltaiką (PV) w celu zwiększenia wydajności systemu poprzez chłodzenie paneli fotowoltaicznych w celu poprawy ich wydajności elektrycznej przy jednoczesnym ogrzewaniu powietrza do ogrzewania pomieszczeń. [ potrzebne źródło ]
Zastosowania ogrzewania pomieszczeń
Ogrzewanie pomieszczeń w zastosowaniach mieszkalnych i komercyjnych można wykonać za pomocą paneli słonecznych do ogrzewania powietrza. Ta konfiguracja polega na zasysaniu powietrza z przegród zewnętrznych budynku lub ze środowiska zewnętrznego i przepuszczaniu go przez kolektor, gdzie powietrze ogrzewa się poprzez przewodzenie z absorbera, a następnie jest dostarczane do przestrzeni mieszkalnej lub roboczej w sposób bierny lub przy pomocy wentylator. W dawnych czasach, przed klimatyzacją, wewnątrz budynków w ciągu dnia nagrzewało się od ciepła słonecznego. Nawet w samochodach temperatura wewnątrz może przekraczać 50 stopni Celsjusza, jeśli szyby są uchylone i nie ma potrzeby włączania ogrzewania
Zastosowania ciepła procesowego
Słoneczne ciepło powietrza może być również wykorzystywane w zastosowaniach procesowych, takich jak suszenie prania, upraw (np. herbaty, kukurydzy, kawy) i innych zastosowaniach związanych z suszeniem. Powietrze ogrzane przez kolektor słoneczny, a następnie przepuszczone przez suszone medium, może zapewnić skuteczny sposób zmniejszenia zawartości wilgoci w materiale.
Zastosowania chłodzenia nocnego
Chłodzenie radiacyjne do nocnego nieba opiera się na zasadzie utraty ciepła przez promieniowanie długofalowe od ciepłej powierzchni (dach) do innego ciała o niższej temperaturze (niebo). W bezchmurną noc typowa powierzchnia zwrócona ku niebu może ochłodzić się z szybkością około 75 W/m2 (25 BTU/godz./stopę2). Oznacza to, że metalowy dach skierowany w stronę nieba będzie zimniejszy niż temperatura otaczającego powietrza. Kolektory mogą skorzystać z tego zjawiska chłodzenia. Gdy ciepłe nocne powietrze styka się z chłodniejszą powierzchnią transpirowanego kolektora, ciepło jest przekazywane do metalu, promieniowane do nieba, a schłodzone powietrze jest następnie zasysane przez perforowaną powierzchnię. Chłodne powietrze może być następnie zasysane do jednostek HVAC. Zobacz też
Zastosowania wentylacyjne
Zasysając powietrze przez odpowiednio zaprojektowany kolektor powietrza lub nagrzewnicę powietrza, świeże powietrze ogrzane energią słoneczną może zmniejszyć obciążenie grzewcze podczas słonecznej pracy. Zastosowania obejmują kolektory transpirowane podgrzewające świeże powietrze wchodzące do wentylatora z odzyskiem ciepła lub zasysanie wytwarzane przez odprowadzanie ogrzanego powietrza z innego komina słonecznego .
