test

Применение и автоматизация воздушного солнечного коллектора в условиях местной приточной вентиляции

Аннотация

Цель исследования - оценка возможности применения воздушного солнечного коллектора плоского типа особой конструкции в качестве системы подачи, подогрева и очистки воздуха. В качестве объектов сравнения применялись представленные на рынке потребительские устройства, рассмотрен их принцип работы и особенности применения для организации местной приточной вентиляции.  

В результате выделены достоинства и недостатки конструкции воздушного солнечного коллектора, а также определены возможные методы улучшения его рабочих характеристик и повышения удобства пользования.

Ключевые слова

Микроклимат, приточная вентиляция, возобновляемые источники энергии, солнечная энергия, солнечный коллектор.

Введение

Стремительно набирающие популярность принципы ESG, а также политика «зеленой энергетики» определяют направления развития рынка и умение компаний подстраиваться под новые тенденции. Уклон в сторону использования возобновляемых источников энергии влечет усиленное развитие и усовершенствование технологий и производств, удовлетворяющих экологичным принципам и использующих передовые средства альтернативной энергетики. Солнечная энергетика в данном случае является одним из самых распространенных и достаточно простым в использовании видом.

Повышение энергоэффективности и внедрение энергосберегающих технологий и материалов при их производстве является одним из важных направлений в развитии строительства, экологии и экономики. При проектировании и дальнейшем строительстве зданий и инженерных систем необходимо обеспечивать комфортный микроклимат помещений, рассчитывая потребление определенного уровня тепловой энергии.

Микроклимат помещения - это состояние внутренней среды помещения, которое оказывает воздействие на людей и характеризуется несколькими показателями: температурой воздуха, температурой ограждающих конструкций, влажностью и подвижностью воздуха, наличие в воздухе пыли, запахов и др. [2].

Вентиляционная система - это организация естественного или искусственного воздухообмена с помощью систем воздуховодов и других элементов, которые обеспечивают подачу наружного воздуха, удаления избыточной теплоты, влаги, вредных и других веществ, с целью обеспечения необходимого микроклимата и качества воздуха в помещении [3].

По направлению движения воздушного потока вентиляцию можно разделить на приточную и вытяжную. Объем приточного и вытяжного воздуха должен быть практически равным для соблюдения баланса, в противном случае может наблюдаться разряжение воздуха, либо повышение давления в случае поступления большого количества воздуха в помещении. Но можно предусмотреть один тип вентиляции, для сохранения баланса в данном случае воздух должен или удаляться через специальные проемы или щели, или поступать внутрь.

При рассмотрении приточных систем вентиляции взамен загрязненного воздуха поступает свежий, который иногда подвергают обработке, если это необходимо.

Общественные и производственные здания в основном имеют центральную систему канальной вентиляции, она обеспечивает эффективную подготовку чистого воздуха и механически отводит загрязненный. 

Местную вентиляцию чаще всего применяют для обслуживания определенных зон в помещении, это позволяет снизить затраты на оборудование и на нагревании воздуха.

Использование систем, основанных на солнечной энергии, имеет тенденцию к росту из-за их легкой применимости и потенциала использования. Кроме того, за счет использования солнечного излучения можно удовлетворить потребности не только в электрической, но и в тепловой энергии. Солнечная энергия широко используется в различных тепловых приложениях, таких как сушка сельскохозяйственной продукции, обогрев помещений, опреснение воды и подогрев воды в быту [9].

Методология исследования

В работе были исследованы наиболее распространенные технические решения, предложенные на рынке, проанализирован принцип работы, их характеристики, выявлены преимущества и недостатки, удобства их использования, экономические затраты на их внедрение.

В данной работе рассматривается метод использования плоского воздушного солнечного коллектора с воздухопроницаемым абсорбером для осуществления фильтрации и подогрева воздуха в местной приточной вентиляции в течение светового дня, то есть во время наибольшей активности людей в помещении.

Для дальнейшей оценки спроектирован и собран опытный образец. В ходе испытаний выделены особенности конструкции, пути её доработки и модернизации.

На основе полученных результатов об эффективности работы существующих и предложенного решений, сделаны выводы о возможности применения воздушного солнечного коллектора плоского типа с воздухопроницаемым абсорбером для подготовки и подачи воздуха в местной приточной вентиляции.

Существующие решения для организации местной приточной вентиляции

• Бризер

Представляет собой компактное устройство, размещаемое на наружную стену и принудительно подающее очищенный и нагретый до комфортной температуры воздух с улицы внутрь помещения. Некоторые бризеры имеют функцию рециркуляции и могут очищать воздух, прогоняя его через систему фильтрации, работая как на его подачу, так и как воздухоочиститель [10].

Воздух с улицы через впускное отверстие засасывается в корпус бризера, где он проходит через систему ступенчатой фильтрации от грубой до сверхтонкой очистки, и через угольный фильтр, очищающий от запахов и газов. Затем очищенный воздух нагревается керамическим РТС-нагревателем до заданной температуры. Далее, с помощью блока вентиляторов, необходимый объём воздуха подаётся в помещение через решётку бризера и перемешивается с воздухом в помещении [10].

Производительность бризеров зависит от его характеристик и выполняемых функций и колеблется в пределах 15-200 м3/ч.

Недостатком бризеров является высокий расход электроэнергии, особенно в условиях большой разницы температур.

• Приточные клапаны

Данный вид местной приточной вентиляции является одним из самых простых, и недорогих способов решения проблем с вентиляцией, но не может обеспечить необходимый приток воздуха из-за малой производительности. Приточный клапан используют в качестве дополнения к естественной вентиляции. В отличие от бризера клапан не нагревает и не очищает поступающий с улицы воздух. На его интенсивность работы влияет разность температур на улице и помещении, так зимой при значительной разнице давлений тяга будет лучше, соответственно, приточный клапан будет работать эффективнее [1]. 

• Рекуператор

Устройство использует теплоту удаляемого воздуха или газов для нагревания приходящего в приточной вентиляции потока воздуха. Основным рабочим элементом является теплообменник, рекуперативного типа, в котором не смешиваются среды уходящего и приходящего потоков. 

Данный вид приточной вентиляции достаточно прост в конструкции, но имеет ряд недостатков: малая производительность, увеличение размеров и стоимости в случае увеличения охватываемой площади для осуществления вентиляции.

Функции солнечного коллектора с воздухопроницаемым абсорбером

Поиск новых экономически выгодных решений и использования возобновляемых источников энергии выявил, что солнечную энергию можно использовать для выработки тепла в помещении в виде горячего воздуха для сушки, опреснения, вентиляции и обогрева помещения. Солнечный коллектор предназначен для улавливания и преобразования солнечной энергии в тепловую, в случае организации местной вентиляции данный способ очень удобен и относительно недорогой. 

Используя конструкцию солнечного коллектора с воздухопроницаемым абсорбером возможно решать следующие задачи:

• Нагнетание свежего воздуха в помещение;
• Фильтрация поступающего воздуха;
• Нагрев и осушение воздуха

Предложенное техническое решение является более выгодным за счет использования энергии солнечного излучения чем установка бризера, который требует затрат электроэнергии на нагрев воздуха, а также дешевле в производстве чем рекуперативные теплообменники [6]. 

Существуют различные виды воздушных солнечных коллекторов, которые отличаются по форме и материалам теплопоглощающих панелей. Для интенсификации теплообмена стремятся повысить эффективность тепловых систем. Одним из популярных методов является увеличение теплопроводности материала поверхности поглотителя путем добавления микро- или наночастиц в покрытие поглотителя, как правило, наночастицы обладают высокой площадью поверхности теплопередачи. Использование различных доступных нанопоглощающих покрытий, таких как углеродные нанотрубок, наночастицы оксида меди в черной краски, позволило увеличить эксплуатационные характеристики, а также привело к увеличению тепловой эффективности от 20 до 51% [12].

Повышению эффективности воздушного коллектора способствует изменения конструктивной части устройства. Большая площадь поверхности теплопередачи и время пребывания воздуха благоприятствуют увеличению теплопередачи с помощью перегородок, турбулизаторов, шероховатостей и препятствий. Тепловой КПД оребренного и пористого абсорбера варьируется от 71,4% до 93%. Интеграция материала с фазовым переходом и ребер в солнечный воздушный коллектор повышает ежедневную тепловую эффективность на 0,1%-4% благодаря пористым структурам [11].

Устройство и принцип работы солнечного коллектора с воздухопроницаемым абсорбером

Основным элементом солнечного воздушного коллектора является абсорбер с поглощающей пластиной, которая задерживает солнечный свет и передает его теплоносителю (воздуху). Для более эффективной работы пластину окрашивают в черный цвет. Для уменьшения потери тепла в корпусе устанавливают прозрачное покрытие.  На задней поверхности располагаются патрубки для входа и выхода воздуха, который нагнетается вентилятором, работающим, в свою очередь, от небольшого солнечного фотоэлемента. [4].

Солнечный свет, проходя через прозрачное покрытие, поглощается абсорбером и перфорированными пластинами, которые в результате нагреваются. Воздух подается через входной патрубок и, проходя через отверстия пластин, которые способствуют его турбулизации и интенсификации нагрева, нагревается и подается в помещение, холодны воздух отводится через выходящий патрубок [5]. 

Таким образом, обеспечивается приток воздуха в помещение. Пористый абсорбер задерживает в себе загрязнения и нагревает проходящий через него воздух.

Было предложено смещение нагревающего элемента от задней стенки корпуса коллектора и увеличение эффективности теплопередачи от абсорбера воздуху. Поместив нагреваемый элемент в центр рабочего объема коллектора, отдалиться наиболее нагретый элемент от внешних частей конструкции, а также будут использованы обе плоскости абсорбента для нагрева воздуха. Таким образом одновременно выполняются задачи по увеличению эффективности передачи тепла от нагревательного элемента воздуху и уменьшаются теплопотери.

Установлено, что коэффициенты конвективной теплопередачи между воздухом и абсорбером низкие из-за плохих теплофизических свойств воздуха, что приводит к низким тепловым характеристикам устройства. Было рассмотрено много исследований с применением различных методов по повышению производительности солнечных воздухосборников с использованием материалов для аккумулирования тепла, создания шероховатости, использования препятствий, перегородок, ребер жесткости на поверхности поглотителя.

Использование тканевого воздухопроницаемого абсорбера позволяет существенно снизить металлоемкость и, как следствие, стоимость коллектора. В дополнение абсорбер выступает в качестве воздушного фильтра. Конструкция установки предполагает простую замену панели абсорбера в случае загрязнения. 

Система автоматизации солнечного коллектора

Повышение эффективности использования солнечного коллектора можно путем реализации автоматического управления. Система автоматизации включает в себя две цепочки независимого управления. Контроллер принимает сигналы от фотоэлектрических датчиков и, формируя их в дискретный вид, передает блоку управления, который управляет работой электрического привода [8]. Основной функцией второй цепочки является поддержания температурных параметров, за счет этого повышается эффективность солнечной установки

Повысить производительность системы отопления и горячего водоснабжения с солнечным коллектором возможно путем оптимизации системы, а именно – за счет изменения расхода теплоносителя в зависимости от солнечной радиации. Значение расхода устанавливается автоматически посредством контроллера и зависит от уровня солнечной радиации. Значения уровня солнечной радиации поступают с датчика, установленного на метеостанции. Контроллер меняет значение расхода, регулируя в реальном времени мощность [7].

Управляющее устройство вырабатывает положительный импульс всякий раз, когда тепловая мощность установки начинает уменьшаться. Триггер работает в счетном режиме, т.е. после прихода входного импульса изменяет свое состояние на противоположное (с плюс единицы на минус единицу и наоборот). Как следствие управляющее воздействие меняет направление изменения каждый раз, когда выходная величина объекта управления уменьшается. Таким образом реализуется поисковая система [7].

Преимущества и недостатки предлагаемого подхода

Проанализировав различные виды местной приточной вентиляции, можно выделить ряд преимуществ при использовании воздушного солнечного коллектор по сравнению с выше рассмотренными типами установок местной приточной вентиляции:

• Низкая себестоимость;
• Практически отсутствуют затраты на эксплуатацию;
• Сопротивление при просачивании, создаваемое воздухопроницаемой теплопоглощающей панелью, приводит к равномерному распределению давления поступающего воздуха и позволяет эффективно нагревать задействуя обе плоскости абсорбера, а также фильтровать поступающий воздух
• Возможность работы без затрат электроэнергии (работа вентилятора для нагнетания и лучшей циркуляции воздуха осуществляется за счет встроенной солнечной батареи);

Тем не менее использование солнечной радиации как источника энергии является причиной следующих недостатков установки:

• Зависимость производительности от величины фактической инсоляции коллектора, т.е. от погоды, времени суток и особенности расположения на здании и географической широты.
• Необходимость подбора оптимального места для установки (внешняя стена с южной стороны зданий с прямым доступом к солнечному свету) 

Изготовление опытного образца

Для дальнейшей оценки был изготовлен опытный образец из общедоступных, недорогих и простых в обработке материалов. Рама конструкции выполнена из алюминиевого профиля для световых коробов, профиль утеплен пенополистиролом, задняя панель изготовлена из данного материала, в ней сооружены вентканалы. Передняя прозрачная панель изготовлена из сотового поликарбоната.

Для большей устойчивости к ветровым нагрузкам рама усилена алюминиевым уголком, одновременно являющийся опорой для подрамника абсорбера, который прижимается к ней с помощью пластиковых съемных упоров, изготовленных с помощью FDM печати. 

Проектирование и построение чертежей выполнялось в программе Компас 3Д. Габаритный и общий чертежи приведены в Приложении 1.

Итоги испытаний опытного образца

Использование опытного образца предполагалось в режиме полной автономности, поэтому для питания вентилятора была использована солнечная панель. Для получения данных об условиях работы коллектора, был использован микроконтроллер с питающим его аккумулятором. Испытаниями было установлено, что коллектор функционирует только при прямом солнечном свете, что связано с небольшой эффективностью солнечной панели. Конструкция получилась легкой и прочной. Расчетная мощность коллектора размерами 0,7 х 0,5 метров равна 300 Вт при установке под прямым углом к солнцу. 

Тем не менее испытания также показали, что в условиях плотной городской застройки, затруднительно установить коллектор так, чтобы он освещался солнцем максимально эффективно, что ограничивает его применение в условиях большого города.

Для проверки возможности использования солнечного коллектора совместно с устройствами умного дома, был установлен контроллер с блоком реле BLE радиопередатчиком, который передавал данные от встроенных датчиков температуры и влажности, а также давал возможность устанавливать температуру, при которой включался встроенный вентилятор. В результате была выявлена необходимость установки более мощной солнечной панели для питания блока управления и вентилятора.

Заключение

Солнечный коллекторы являются удобным и эффективным методом обеспечения приточной вентиляции, они долговечны, на их обслуживание уходят минимальные средства, также они считаются экологически эффективным вариантом отопления. Некоторые из моделей работают автономно, другие используют немного электроэнергии из сети. 

Плоский воздушный солнечный коллектор возможно использовать для организации местной приточной вентиляции, при условии установки под прямым солнечным светом, но его использование в условиях многоэтажной застройки будет не столько эффективно, как в загородных условиях. В городских условиях наиболее предпочтительно использование бризеров или рекуператоров.

Список использованных источников

1. Алдаков М. О. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ГРАЖДАНСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ //Качество в производственных и социально-экономических системах. – 2021. – С. 28-31.

2. ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях».

3. СП 60.13330.2020 «СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха»

4. Курись А. Г., Антонович А. А. Современные солнечные энергетические установки. – 2018

5. Плешка М. С., ВЫРЛАН П. М. Разработка и исследование солнечного воздушного коллектора //Сантехника, Отопление, Кондиционирование. – 2013. – №. 6. – С. 58-63.

6. Рашидов Ю. К., Орзиматов Ж. Т., Эсонов О. О., Зайнабидинова М. И. Солнечный воздухонагреватель с воздухопроницаемым матричным абсорбером // SCIENTIFIC PROGRESS. 2022. №4, том 3. С. 1237-1244

7. Шамигулов П. В., Жадаева О. П. Разработка и исследование алгоритма оптимального управления системой отопления и горячего водоснабжения с солнечным коллектором //Инженерные решения. – 2020. – №. 2. – С. 26-30

8. Эргашев С. Ф., Хайдаров А., Мамадиева Д. Система автоматизации солнечных коллекторов //Точная наука. – 2019. – №. 43. – С. 6-8

9. Патент РФ №2018133908, 25.09.2019

УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ // Патент России № 188550. 2018 бюл. №11 / Мельников А. В. – 2019

10. Бризер – что это за устройство и как оно работает? [Электронный ресурс]: URL: https://xn--90aifdm6al.xn--p1ai/blog/brizer-chto-ehto (дата обращения 02.04.2023)

11. Charvát P. et al. Solar air collector with the solar absorber plate containing a PCM–Environmental chamber experiments and computer simulations //Renewable Energy. – 2019. – Т. 143. – С. 731-740

12. Selimefendigil F. et al. Enhancing the performance of a greenhouse drying system by using triple-flow solar air collector with nano-enhanced absorber coating //Case Studies in Thermal Engineering. – 2022. – Т. 34. – С. 102011.

Приложение 1. Чертеж опытного образца