Материалы для отопления частных жилых домов: Какие трубы лучше использовать для отопления частного дома, как выбрать?

Высокие крыши и купола также могут позволять существующему теплу подниматься и уходить из используемых зон. Точно так же крытые веранды и навесы могут защитить интерьер от солнечного света и бликов.В целом соображения по материалам и конструкция конструкции идут рука об руку, чтобы создать эффективные альтернативы кондиционированию воздуха и механическому охлаждению, уменьшая использование ГФУ и вредные выбросы парниковых газов.

Использование тепловой массы для нагрева и охлаждения

Тепловая масса для комфорта вашего дома

Эти материалы тяжелые и плотные и поэтому имеют так называемую термическую массу. Обычные материалы, используемые для тепловой массы, включают бетон или заполненный бетонный блок, камень или кладку, обычно используемые для полов или стен.

При правильном использовании — в нужном количестве в нужном месте, с надлежащей внешней изоляцией — термальная масса может помочь поддерживать комфортную температуру в вашем доме круглый год. Тепловая масса будет поглощать тепло от солнца в течение дня и излучать его, когда днем ​​температура падает в течение всего вечера.

Тепловая масса снижает температуру в помещении в полдень и в начале дня и увеличивает температуру в помещении в конце дня и в ранние вечерние часы.

Установка тепловой массы в ваш новый дом или ремонт не повлечет за собой увеличения затрат. Деньги, потраченные на ковер, можно, например, потратить на полировку открытого бетонного пола.

Термомассы

Вероятно, самая простая форма термической массы — это бетонный пол. Также можно использовать бетонные блоки, плитку, кирпич, утрамбованную землю и камень. Три фактора определяют, насколько хорошо материал поглощает и сохраняет тепло.

Идеальный материал:

• плотный и тяжелый, поэтому он может поглощать и сохранять значительное количество тепла (более легкие материалы, такие как дерево, поглощают меньше тепла)
• достаточно хороший проводник тепла (тепло должно поступать и выходить)
• имеет темную поверхность, текстурированную поверхность или и то, и другое (помогая ей поглощать и повторно излучать тепло).

Различные материалы с тепловой массой поглощают разное количество тепла, и требуется больше (или меньше) времени для его поглощения и повторного излучения. Например, кирпичная стена имеет более высокую тепловую массу, чем полая стена с деревянным каркасом, поэтому она будет поглощать больше тепла, чем стена с деревянным каркасом той же толщины.

Когда солнце светит в комнату и воздух теплый, тепло будет поглощаться стенами, полом и другими поверхностями в комнате.

Сколько тепла они могут удерживать, зависит от того, из чего они сделаны и какой толщины.Некоторые материалы могут поглощать много тепла, не сильно нагреваясь. Другие станут довольно теплыми после поглощения небольшого количества тепла. К первым относятся термомассовые материалы. Это означает, что если, например, бетонный пол подвергается воздействию прямых солнечных лучей, он сможет поглощать и накапливать много тепла и медленно его выделять.

Другой материал, например деревянный пол, не может поглощать и хранить столько тепла, поэтому тепло, которое он поглощает, быстро выделяется. В результате большая часть энергии солнечного света быстро уходит в окружающий воздух, повышая температуру в помещении в самые жаркие периоды дня.

Вы можете сравнить тепловую массу с губкой. Большая часть попавшей в него воды будет поглощена. Материал с небольшими тепловыми массами будет вести себя больше как гладкая поверхность. Любая вода, попавшая на него, отскочит назад и окажется в воздухе.

Зимой правильно спроектированная тепловая масса будет поглощать тепло солнечного света на ней в течение дня. Затем, когда температура воздуха упадет, тепло перейдет от более теплой тепловой массы к более прохладному воздуху и другим поверхностям в комнате.

Летом тепловая масса внутри жилища должна быть защищена от прямых солнечных лучей на весь день и подвергаться воздействию прохладных бризов, чтобы обеспечить некоторое охлаждение в жаркие дни и ночи.

Взаимодействие изоляции, остекления и тепловой массы является сложным и меняется в зависимости от климата и времени года. В связи с этим важно попросить эксперта по солнечному дизайну, такого как дизайнер, архитектор или ученый-строитель, который специализируется на пассивном солнечном дизайне, посоветовать вам лучший вариант для вашей ситуации.

Пассивный дизайн дома на солнечных батареях | Министерство энергетики

Вы здесь

Этот дом в Северной Каролине получает большую часть отопления помещения за счет пассивной солнечной системы, но солнечная тепловая система (верхняя часть крыши) обеспечивает как бытовую горячую воду, так и вторичную систему обогрева полов.| Фото любезно предоставлено Jim Schmid Photography.

При проектировании пассивных солнечных батарей используются преимущества местоположения здания, климата и материалов, чтобы минимизировать потребление энергии. Хорошо спроектированный пассивный дом на солнечных батареях сначала снижает нагрузку на отопление и охлаждение за счет стратегий энергоэффективности, а затем полностью или частично удовлетворяет эти пониженные нагрузки за счет солнечной энергии.Из-за небольших тепловых нагрузок в современных домах очень важно избегать слишком большого размера стекла, выходящего на юг, и гарантировать, что стекло, выходящее на юг, должным образом затенено, чтобы предотвратить перегрев и повышенную охлаждающую нагрузку весной и осенью.

Прежде чем добавлять солнечные элементы в дизайн вашего нового или существующего дома, помните, что энергоэффективность является наиболее рентабельной стратегией сокращения счетов за отопление и охлаждение. Выберите специалистов-строителей, имеющих опыт проектирования и строительства энергоэффективных домов, и работайте с ними, чтобы оптимизировать энергоэффективность вашего дома. Если вы реконструируете существующий дом, первым делом необходимо провести энергетический аудит дома, чтобы определить наиболее рентабельные улучшения энергоэффективности.

Если вы планируете новый дом с пассивными солнечными батареями, с южной стороны вашего дома должен быть беспрепятственный «вид» на солнце.Подумайте о возможном будущем использовании земли к югу от вашего участка: маленькие деревья станут высокими, а будущее многоэтажное здание может заблокировать доступ к солнцу в ваш дом. В некоторых районах зонирование или другие правила землепользования защищают доступ землевладельцев к солнечной энергии. Если доступ к солнечной энергии в вашем регионе не защищен, поищите участок, расположенный глубоко с севера на юг, и разместите дом на северном конце участка.

Как устроен дом с пассивной солнечной батареей

Проще говоря, пассивный дом на солнечных батареях собирает тепло, когда солнце светит через окна, выходящие на юг, и сохраняет его в материалах, которые накапливают тепло, так называемой тепловой массе.Доля тепловой нагрузки дома, которую может выдержать пассивная солнечная конструкция, называется пассивной солнечной фракцией и зависит от площади остекления и количества тепловой массы. Идеальное соотношение тепловой массы и остекления зависит от климата. Хорошо спроектированные пассивные дома на солнечных батареях также обеспечивают дневной свет круглый год и комфорт во время сезона охлаждения за счет использования ночной вентиляции.

Чтобы быть успешным, дизайн дома с пассивными солнечными батареями должен включать в себя несколько основных элементов, которые работают вместе:

• Правильно ориентированные окна . Как правило, окна или другие устройства, собирающие солнечную энергию, должны быть обращены в пределах 30 градусов истинного юга и не должны быть затенены во время отопительного сезона другими зданиями или деревьями с 9:00 до 15:00. ежедневно. Весной, осенью и в сезон охлаждения окна следует затенять, чтобы избежать перегрева. Обязательно держите оконное стекло в чистоте.
• Тепловая масса . Тепловая масса в доме с пассивными солнечными батареями — обычно бетон, кирпич, камень и плитка — поглощает тепло от солнечного света во время отопительного сезона и поглощает тепло из теплого воздуха в доме во время сезона охлаждения.Другие материалы с термальной массой, такие как вода и продукты с фазовым переходом, более эффективно сохраняют тепло, но каменная кладка имеет то преимущество, что выполняет двойную функцию в качестве конструкционного и / или отделочного материала. В домах с хорошей изоляцией в умеренном климате тепловой массы, присущей домашней мебели и гипсокартону, может быть достаточно, что устраняет необходимость в дополнительных теплоаккумулирующих материалах. Убедитесь, что предметы не блокируют солнечный свет на термальных массах.
• Распределительные механизмы .Солнечное тепло передается оттуда, где оно собирается и хранится, в разные части дома за счет теплопроводности, конвекции и излучения. В некоторых домах небольшие вентиляторы и нагнетатели помогают распределять тепло. Проводимость возникает, когда тепло перемещается между двумя объектами, находящимися в прямом контакте друг с другом, например, когда нагретый солнцем пол согревает ваши босые ноги. Конвекция — это передача тепла через жидкость, такую ​​как воздух или вода, и дома с пассивными солнечными батареями часто используют конвекцию для перемещения воздуха из более теплых областей — например, солнечного пространства — в остальную часть дома. Излучение — это то, что вы чувствуете, когда стоите рядом с дровяной печью или солнечным окном и чувствуете его тепло на своей коже. Более темные цвета поглощают больше тепла, чем более светлые, и являются лучшим выбором для тепловой массы в домах с пассивными солнечными батареями.
• Стратегии управления . Свесы крыши подходящего размера могут затенять вертикальные южные окна в летние месяцы. Другие подходы к управлению включают электронные сенсорные устройства, такие как дифференциальный термостат, который сигнализирует вентилятору о включении; работающие форточки и заслонки, позволяющие или ограничивающие тепловой поток; жалюзи с низким коэффициентом излучения; действующие изолирующие ставни; и навесы.

Хотя концептуально простой, успешный пассивный дом на солнечных батареях требует сбалансированности ряда деталей и переменных. Опытный дизайнер может использовать компьютерную модель для моделирования деталей пассивного дома на солнечных батареях в различных конфигурациях, пока дизайн не будет соответствовать месту, а также бюджету владельца, эстетическим предпочтениям и требованиям к производительности.

Некоторые из элементов, которые разработчик рассмотрит, включают:

Разработчик будет применять эти элементы, используя методы проектирования пассивных солнечных батарей, которые включают прямое усиление, косвенное усиление и изолированное усиление.

В конструкции с прямым усилением солнечный свет проникает в дом через окна, выходящие на юг, и ударяет по каменным полам и / или стенам, которые поглощают и сохраняют солнечное тепло.По мере того как в течение ночи комната остывает, тепловая масса отдает тепло в дом.

Некоторые строители и домовладельцы используют резервуары с водой, расположенные внутри жилых помещений, для поглощения и хранения солнечного тепла. Хотя вода хранит в два раза больше тепла, чем кладочные материалы на кубический фут объема, для аккумулирования тепла водой требуется тщательно спроектированная опора. Преимущество водяного теплоаккумулятора заключается в том, что его можно установить в существующем доме, если конструкция может выдержать вес.

Косвенное усиление (стена тромба)

В доме с пассивной солнечной батареей с косвенным усилением теплоаккумулятор находится между окнами, выходящими на юг, и жилыми помещениями. Наиболее распространенный подход с косвенным усилением — стена тромба.

Стена состоит из кирпичной стены толщиной от 8 до 16 дюймов на южной стороне дома. Одинарный или двойной слой стекла, установленный на расстоянии примерно одного дюйма или меньше перед стеной темного цвета, поглощает солнечное тепло, которое сохраняется в массе стены. Тепло распространяется через стену и излучается в жилое пространство. Тепло проходит через каменную стену со средней скоростью один дюйм в час, поэтому тепло, поглощенное снаружи бетонной стены толщиной 8 дюймов в полдень, будет проникать во внутреннее жилое пространство примерно на 8 p.м.

Изолированное усиление (солнечные пространства)

Наиболее распространенная конструкция дома с пассивной солнечной батареей с изолированным усилением — это солнцезащитное пространство, которое можно закрыть от дома дверями, окнами и другими открытыми отверстиями. Солнечное пространство, также известное как солярий, солнечная комната или солярий, может быть включено в новый дизайн дома или добавлено к существующему дому.

Солнечные пространства не следует путать с теплицами, которые предназначены для выращивания растений. Солнечные пространства выполняют три основные функции — они обеспечивают дополнительное тепло, солнечное пространство для выращивания растений и приятную жилую зону. Конструктивные соображения для этих трех функций сильно различаются, и выполнение всех трех функций требует компромиссов.

Дизайн дома с пассивной солнечной батареей для летнего комфорта

Опытные дизайнеры домов с пассивными солнечными батареями планируют летний комфорт, а также отопление зимой.Пассивный солнечный дом требует тщательного проектирования и размещения, которые зависят от местных климатических условий.

В большинстве климатических условий потребуется навес или другие устройства, такие как навесы, ставни и решетки, чтобы блокировать рост солнечного тепла летом. Ландшафтный дизайн также может помочь сохранить ваш дом с пассивной солнечной батареей комфортным во время сезона охлаждения. Если вы подумываете о пассивном солнечном дизайне для нового дома или капитальном ремонте, проконсультируйтесь с архитектором, знакомым с пассивными солнечными технологиями.

Проектирование дома на пассивных солнечных батареях

Солнечное водонагревание | WBDG

Введение

Внутри этой страницы

ЭТА СТРАНИЦА ПОДДЕРЖИВАЕТСЯ

На водяное отопление приходится значительная часть энергии, потребляемой многими жилыми, коммерческими, институциональными и федеральными объектами. По стране примерно 18% энергии, потребляемой в жилых домах и 4% в коммерческих зданиях, приходится на нагрев воды. Солнечные водонагревательные системы, в которых для нагрева воды используется энергия солнца, а не электричество или газ, могут эффективно обслуживать до 80% потребностей в горячей воде без затрат на топливо или загрязнения окружающей среды и с минимальными затратами на эксплуатацию и техническое обслуживание. Солнечное водонагревание в настоящее время составляет менее 1% потенциального рынка водонагревания (около 1% жилых зданий имеют солнечное водонагревание, что обеспечивает около двух третей потребностей каждого здания в нагреве воды).

Солнечные водонагревательные системы могут эффективно использоваться на всей территории Соединенных Штатов на объектах, которые имеют подходящую крышу, ориентированную почти на юг, или близлежащие незатененные участки для установки коллектора. В различных типах зданий могут использоваться системы солнечного нагрева воды, включая бассейны, жилые дома, отели, прачечные, больницы, тюрьмы и кухни. Солнечные водонагревательные системы наиболее экономичны для объектов со следующими характеристиками:

• Нагрузка по водяному отоплению постоянна в течение года (летом не работает)
• Нагрузка на водонагреватель постоянна в течение недели (используйте солнечное тепло каждый день)
• Стоимость топлива, используемого для нагрева воды, высока (примеры включают электричество, которое составляет 46% рынка водяного отопления, и пропан, который составляет 2% рынка в удаленных местах)
• Солнечный климат (полезно, но не обязательно — в 2003 году тремя крупнейшими рынками были Флорида, Калифорния и Нью-Джерси).

Этот обзор предназначен для предоставления конкретных подробностей для федеральных агентств, рассматривающих солнечные технологии нагрева воды в рамках проекта нового строительства или капитального ремонта.

Описание

Солнечная система водяного отопления состоит из нескольких основных компонентов, в том числе:

• Солнечные коллекторы
• Тепловой накопитель
• Системные элементы управления / контроллер
• Резервный водонагреватель обычный.

Солнечный водонагреватель — это надежная технология с использованием возобновляемых источников энергии, используемая для нагрева воды.Солнечный свет падает и нагревает поверхность поглотителя в солнечном коллекторе или собственно резервуаре для хранения. Либо теплоноситель, либо реальная питьевая вода, которая будет использоваться, протекает по трубам, прикрепленным к абсорберу, и забирает тепло от него (системы с отдельным контуром теплопередающей жидкости включают теплообменник, который затем нагревает питьевую воду. ) Нагретая вода хранится в отдельном баке для предварительного нагрева или в обычном баке водонагревателя до тех пор, пока не понадобится. Если необходимо дополнительное тепло, оно вырабатывается электричеством или ископаемым топливом с помощью традиционной системы водяного отопления.

Накопление тепла обычно требуется для того, чтобы связать синхронизацию прерывистого солнечного ресурса с синхронизацией нагрузки горячей водой. Как правило, достаточно от 1 до 2 галлонов воды для хранения на квадратный фут площади коллектора. Если используется теплообменник на стороне нагрузки, для хранения может использоваться либо питьевая вода, либо непитьевая вода. Для небольших систем хранилище чаще всего осуществляется в виде стальных резервуаров, облицованных стеклом.

Активные системы имеют регулятор «дельта-Т» (разность температур) для запуска и остановки насосов.Если температура на выходе из солнечного коллектора превышает температуру на дне накопительного бака на заданную величину, например, на 6 ° C или 42,8 ° F, контроллер запускает насос. Когда эта разница температур падает ниже другого установленного значения, например, 2 ° C или 35,6 ° F, контроллер останавливает насосы. Контроллер также будет иметь функцию верхнего предела для отключения насосов, если температура в накопительном баке превышает третье значение, например 90 ° C или 194 ° F. Из-за простоты и невысокой стоимости контроллера дельта-T целесообразно сохранять средства управления независимыми от какой-либо системы управления энергопотреблением всей установки, хотя желательно включать некоторые показатели производительности системы, такие как выходной сигнал измерителя Btu или предварительный нагрев. датчик температуры бака в системе управления зданием.

Солнечные водонагреватели экономят энергию, предварительно нагревая воду до обычного водонагревателя. Солнечные системы горячего водоснабжения обычно рассчитаны на от 40% до 70% нагрузки по нагреву воды. Резервный обычный нагреватель по-прежнему необходим для удовлетворения 100% пикового спроса на горячую воду в целом, особенно в пасмурные дни или когда солнечная система не работает.

Виды технологий и стоимость

Типы коллекторов

Хотя все солнечные водонагревательные системы используют один и тот же базовый метод улавливания и передачи солнечной энергии, они делают это с помощью трех специальных технологий, которые различают разные коллекторы и системы.Различия важны, потому что разные потребности в нагреве воды в разных местах лучше всего удовлетворяются с помощью определенных типов коллекторов и систем.

Материалы и компоненты, используемые в солнечных водонагревательных системах, различаются в зависимости от ожидаемого диапазона рабочих температур.

Низкотемпературные системы (неглазурованные) обычно работают при низкой температуре, до 18 ° F (10 ° C) выше температуры окружающей среды, и чаще всего используются для обогрева бассейнов. Часто вода в бассейне холоднее воздуха, и изоляция коллектора была бы контрпродуктивной.Низкотемпературные коллекторы изготавливаются из полипропилена или других полимеров со стабилизаторами ультрафиолета. Проточные каналы для воды в бассейне отформованы непосредственно в пластине абсорбера, и вода в бассейне циркулирует через коллекторы с помощью циркуляционного насоса фильтра бассейна. По состоянию на 2004 год обогреватели для бассейнов стоили от 10 до 40 долларов за фут².

Небольшой образец неглазурованного низкотемпературного солнечного коллектора, показывающий проточные каналы и коллекторную трубу.

Небольшой образец среднетемпературного плоского пластинчатого коллектора с покровным стеклом, изоляцией, медной пластиной поглотителя и проходами для потока.

Среднетемпературные системы производят воду на 18–129 ° F (на 10–50 ° C) выше наружной температуры и чаще всего используются для нагрева воды для бытового потребления. Однако также можно использовать солнечные водонагревательные коллекторы средней температуры для отопления помещений в сочетании с конвекционными змеевиками с принудительной вентиляцией или лучистыми полами.

Среднетемпературные коллекторы обычно представляют собой плоские пластины, изолированные покровным стеклом с низким содержанием железа и изоляцией из стекловолокна или полиизоцианурата. Отражение и поглощение солнечного света в покровном стекле снижает эффективность при небольших перепадах температур, но стекло должно сохранять тепло при более высоких температурах.Используется медная пластина поглотителя с приваренными к ребрам медными трубками. Чтобы уменьшить потери на излучение коллектора, пластина поглотителя часто обрабатывается селективной поверхностью из черного никеля, которая имеет высокую поглощающую способность в коротковолновом солнечном спектре, но низкую излучательную способность в длинноволновом тепловом спектре. По состоянию на 2004 год среднетемпературные системы стоили от 90 до 120 долларов за квадратный фут площади коллектора.

Крупным планом — вакуумированная стеклянная трубка с черной медной поглощающей пластиной внутри.

В высокотемпературных системах используются вакуумные трубки вокруг приемной трубки для обеспечения высокого уровня изоляции и часто используются фокусирующие изогнутые зеркала для концентрации солнечного света.Высокотемпературные системы требуются для абсорбционного охлаждения или выработки электроэнергии, но также используются для среднетемпературных применений, таких как коммерческое или общественное водяное отопление. Из-за механизма слежения, необходимого для удержания фокусирующих зеркал направленными на солнце, высокотемпературные системы обычно очень большие и устанавливаются на земле рядом с объектом. Сами вакуумные трубчатые коллекторы стоят около 75 долларов за фут², но использование изогнутых зеркал и экономия на масштабе позволяют снизить эту стоимость для систем большого размера до относительно низкой стоимости — от 40 до 70 долларов за фут² (2004 г.).

Эффективность солнечного коллектора меняется в зависимости от того, насколько высокая температура на входе коллектора относительно температуры окружающего воздуха. На следующем рисунке показаны типичные кривые КПД для трех типов коллекторов. Обратите внимание, что недорогие неглазурованные коллекторы очень эффективны при низких температурах окружающей среды, но эффективность очень быстро падает при повышении температуры. Они обеспечивают лучшую производительность для низкотемпературных применений, но для эффективного достижения более высоких температур необходимы застекленные коллекторы.Вакуумные трубы необходимы для достижения более высоких температур воды, что необходимо для охлаждения и некоторых промышленных технологических процессов нагрева.

КПД типовых коллекторов

Типы солнечных водонагревательных систем

Типы солнечных водонагревательных систем подразделяются на следующие типы:

• Действует . Требуется электроэнергия для активации насосов и / или органов управления.
• Пассивный . Для циркуляции нагретой воды полагается на плавучесть (естественная конвекция), а не на электроэнергию. Системы Thermosyphon размещают резервуар для хранения над солнечным коллектором, в то время как коллекторы со встроенным коллектором-накопителем размещают накопитель внутри коллектора.
• Прямой . Подогревает питьевую воду прямо в коллекторе.
• Косвенный . Нагревает пропиленгликоль или другой теплоноситель в коллекторе и передает тепло питьевой воде через теплообменник.

Типы солнечных водонагревательных систем

Затраты на технологии

Стоимость системы будет варьироваться в зависимости от географического положения, использования воды и тарифов на коммунальные услуги.Установленные затраты на квадратный фут для коллекторов варьируются от 10 долларов для низкотемпературных систем, используемых для обогрева бассейнов, до 225 долларов для отдельных небольших систем для жилых помещений. Самая низкая стоимость достигается при использовании больших центральных систем отопления, используемых для обогрева больших объектов с потребностями в воде большого объема и высокой температуры. Однако большинство систем застекленного водяного отопления находятся в диапазоне установленных затрат от 60 до 150 долларов за квадратный фут площади коллектора. Новые строительные системы обычно имеют лучшую экономичность, чем проекты модернизации, из-за меньших затрат на установку.Новые недорогие пластиковые комплекты для солнечного нагрева воды значительно снизили затраты на установку, но они не работают так же хорошо, как некоторые традиционные системы в условиях более высоких температур.

Стоимость будет зависеть от географического положения и размера системы. Установленные затраты на квадратный фут для полных систем варьируются от 60 долларов за квадратный фут для большой системы в месте с конкурентоспособной солнечной промышленностью до 225 долларов за квадратный фут для небольшой системы в удаленном месте. Стоимость также зависит от типа системы: неглазурованные низкотемпературные коллекторы стоят намного дешевле, чем лучше изолированные.

Приложение

Решая, подходят ли солнечные водонагревательные системы для конкретного строительного проекта, необходимо учитывать несколько факторов. Солнечные водонагревательные системы пригодны для многих приложений по всей стране, но особое внимание следует уделять проектам, в которых:

• Избегаемые затраты на энергию высоки (газ недоступен, тарифы на электроэнергию выше 0,034 доллара США / кВтч)
• Существует надежная и постоянная потребность в горячей воде (например, в жилых помещениях, лабораториях или больницах).
• На наклонной поверхности достаточно высокая среднесуточная интенсивность солнечной радиации (более 4.5 кВтч / м² / день — хотя, если предотвращенные затраты достаточно высоки, солнечный нагрев воды эффективен в большинстве климатических условий)
• Энергетическая безопасность важна (например, на международной базе, где поставки энергии могут быть прерваны).

Для крупных объектов чаще всего используются активные непрямые системы. Для небольших предприятий в мягком климате с умеренной угрозой замерзания пассивные прямые или косвенные системы также являются жизнеспособным вариантом.

Руководство Федеральной программы энергоменеджмента (FEMP) по интеграции возобновляемых источников энергии в федеральное строительство содержит дополнительную информацию об оценке вариантов использования возобновляемых источников энергии.

Экономика

Экономия денег от установки солнечного водонагревателя зависит от множества факторов, включая климат, количество используемой горячей воды в данном месте, затраты на обычное топливо, требуемую температуру воды и производительность системы. В среднем, однако, установка солнечного водонагревателя снижает счета за нагрев воды на 50-80%.

Общее практическое правило для федеральных предприятий состоит в том, что солнечная установка для нагрева воды окупается в течение 10–15 лет при установке против электричества.Как указано в Законе об энергетической независимости и безопасности 2007 года, ожидаемый срок службы солнечной водонагревательной системы, используемой для анализа жизненного цикла, составляет 40 лет, что означает, что предприятие может рассчитывать на 30 лет «бесплатной» энергии.

Системы нового строительства обычно имеют лучшую экономичность, чем проекты модернизации, из-за меньших затрат на установку. Новые недорогие пластиковые комплекты для солнечного нагрева воды значительно снизили затраты на установку, но они не работают так же хорошо, как некоторые традиционные системы в условиях высоких температур и большого объема.Для федеральных объектов установка возобновляемой энергии должна окупить себя в течение срока службы системы, включая время / стоимость денег, чтобы она была рентабельной. Ключевой параметр — отношение сбережений к инвестициям. Отношение сбережений к инвестициям более 1,0 было бы рентабельным. Федеральные стандарты анализа затрат жизненного цикла изложены в положении 10 C.F.R. Статья 436.

Агентства часто могут улучшить экономику системы и получить доступ к дополнительным стимулам, когда используются альтернативные механизмы финансирования проектов.Среди вариантов финансирования проектов в области возобновляемых источников энергии — договор об энергосбережении и коммунальные программы. FEMP заключила бессрочные контракты на количество, по которым любое федеральное агентство может оформлять заказы на поставку солнечных водонагревательных систем в рамках контракта на энергосбережение. Некоторые коммунальные предприятия предлагают скидки, аренду или другие программы солнечного нагрева воды.

FEMP по интеграции возобновляемых источников энергии в федеральное строительство содержит дополнительную информацию о финансировании проектов использования возобновляемых источников энергии для федеральных строительных проектов.

Полный список стимулов представлен в базе данных государственных стимулов для возобновляемых источников энергии и повышения эффективности (DSIRE). Свяжитесь с местной коммунальной компанией для получения более подробной информации.

Оценка доступности ресурсов

Несколько факторов влияют на то, есть ли у участка хороший ресурс для солнечного нагрева воды. Во-первых, количество солнечного излучения, которое получает сайт. На первой карте показано базовое солнечное излучение, доступное в Соединенных Штатах. Как отмечалось ранее, многие участки со средней интенсивностью солнечной радиации выше 4.5 кВтч / м² в день следует тщательно рассмотреть для солнечного нагрева воды.

Но даже участок с менее привлекательными солнечными ресурсами может иметь хороший потенциал для солнечного нагрева воды, если компенсируемый им тариф на электроэнергию достаточно высок или имеются стимулы. Чтобы изобразить это, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) составила серию карт, которые объединяют солнечные ресурсы с предполагаемой стоимостью системы и отображают факторы, необходимые для обеспечения рентабельности системы. Эти карты доступны для систем, которые будут компенсировать использование электроэнергии, и для систем, которые будут компенсировать использование природного газа.

В качестве примера на двух приведенных ниже картах показан тариф на электроэнергию, необходимый для обеспечения рентабельности системы солнечного нагрева воды. Одна карта предполагает стоимость установленной системы в 75 долларов за квадратный фут площади коллектора (вероятно, для более крупной коммерческой системы), а вторая предполагает стоимость в 150 долларов за квадратный фут (меньшая система). Первая карта показывает, что большая часть страны могла бы с минимальными затратами использовать солнечное нагревание воды по цене 75 долл. США / фут², если компенсационная стоимость электроэнергии превышает 0,06 долл. США / кВтч. Доступные стимулы улучшат это еще больше.

Тарифы на электроэнергию, необходимые для создания рентабельной системы солнечного нагрева воды по цене 75 долларов за фут². Эта карта не учитывает какие-либо доступные финансовые стимулы.

Вторая карта также включает льготы для федеральных агентств. Даже при повышенных системных затратах тарифы на электроэнергию ниже 0,05 долл. США / кВтч позволят обеспечить рентабельный солнечный нагрев воды в Аризоне или Висконсине, но системе в Вайоминге может потребоваться компенсировать розничный тариф на электроэнергию в размере 0,09-0,11 долл. США / кВтч, чтобы обеспечить безубыточность.Конечно, ставки безубыточности значительно изменяются, если стоимость системы отличается от предположений карт или если стимулы меняются от изображенных.

Тарифы на электроэнергию, необходимые для создания рентабельной системы солнечного нагрева воды стоимостью 150 долл. / Фут². Эта карта учитывает финансовые стимулы.

Инструменты анализа

Чтобы определить, является ли проект возможным кандидатом на использование солнечной энергии для нагрева воды, агентства могут использовать программу Federal Renewable Energy Screening Assistant.Этот программный инструмент на базе Microsoft Windows, разработанный NREL, проверяет федеральные проекты в области возобновляемых источников энергии на предмет экономической целесообразности. Он также оценивает многие возобновляемые технологии, включая солнечное нагревание воды, фотоэлектрическую энергию и ветер. Несколько более подробный инструмент проверки предоставлен RETScreen International.

После того, как будет установлена ​​предварительная жизнеспособность, в конечном итоге потребуется оценить производительность системы для получения более точных инженерных данных и экономического анализа.Это может быть выполнено с помощью программного обеспечения для ежечасного моделирования или с помощью методов ручной корреляции на основе результатов почасового моделирования. Для этой задачи рассмотрите возможность использования:

• F-CHART, метод корреляции, доступный в Университете Висконсина
• TRNSYS, программа моделирования переходных систем, доступная в Университете Висконсина.

Рекомендации по проектированию

Солнечные водонагревательные системы должны быть спроектированы так, чтобы минимизировать стоимость жизненного цикла.Разработка системы, обеспечивающей 100% нагрузки солнечной энергией, никогда не будет экономически выгодной из-за чрезмерных инвестиций в площадь коллектора и объем хранилища. Стоимость жизненного цикла может быть минимизирована, если спроектировать систему, которая выдерживает 100% нагрузки в самый солнечный день года. Такая система обычно обеспечивает около 70% годовой нагрузки. Другие конструктивные особенности включают техническое обслуживание, защиту от замерзания, защиту от перегрева, эстетику крепления коллектора и ориентацию. Кроме того, программы скидок на коммунальные услуги могут налагать дополнительные требования к конструкции.Например, солнечная система нагрева воды на Гавайях должна удовлетворять 90% нагрузки, чтобы иметь право на скидки от Hawaiian Electric Company.

При проектировании солнечной системы водяного отопления рекомендуются определенные шаги. Во-первых, важно обеспечить правильное расположение солнечных коллекторов. Наилучшая годовая подача энергии достигается при обращении к экватору с наклоном вверх от горизонтали, равным местной широте. Недавние исследования показывают, что адекватные характеристики могут быть получены при углах наклона и ориентации, которые значительно отличаются от этого.

В континентальной части США коллекторы должны быть повернуты в пределах 30 ° от истинного (немагнитного) юга для максимальной производительности. Также важно оптимизировать наклон собирающего массива. Поверхности, наклоненные вверх от горизонтали под углом минус 15 ° к широте, максимизируют солнечную энергию летом, но уменьшают ее зимой. Поверхности, наклоненные вверх на широту плюс 15 °, максимизируют приток солнечной энергии зимой и обеспечивают более равномерную подачу солнечной энергии в течение всего года. Угол наклона, равный местной широте, обеспечивает близкое к максимальному круглогодичное увеличение солнечной энергии и обычно подходит для солнечного нагрева воды.Обычно приемлемо монтировать коллекторы заподлицо на скатной крыше — и как можно ближе к оптимальной ориентации — чтобы снизить затраты на установку и улучшить внешний вид. Карты и таблицы солнечных ресурсов США размещены в Центре данных по возобновляемым ресурсам NREL.

Во-вторых, повреждение может быть вызвано замерзанием воды в проточных каналах коллектора или соединительных трубопроводах. Существует несколько стратегий защиты от замораживания. Самый распространенный — это циркуляция раствора пропиленгликоля (никогда не используйте токсичный этиленгликоль) и воды в коллекторном контуре непрямой системы. Другая стратегия состоит в том, чтобы слить воду из коллектора обратно в сливной бак, размер которого позволяет вместить всю жидкость контура коллектора. Такая конфигурация с обратным сливом имеет дополнительное преимущество, заключающееся в защите системы от чрезмерных температур, если потребление горячей воды снижается из-за сезонного использования, реконструкции или отпуска. Там, где замерзание не является обычным явлением, функция контроллера, которая обеспечивает циркуляцию воды в коллекторном контуре, когда температура приближается к нулю, в сочетании со значениями защиты от замерзания может быть адекватной, но может значительно снизить чистый выигрыш энергии.

Еще одним шагом является создание регулирующего клапана и возможности байпаса. Клапан темперирования очень важен для обеспечения подачи воды с постоянной температурой в краны, даже когда накопление солнечной энергии намного превышает заданное значение водонагревателя. Байпасный трубопровод и клапаны позволяют обычной системе обеспечивать горячую воду, если солнечная система отопления не работает по какой-либо причине.

Наконец, необходимо проводить периодическое обслуживание всех систем. Проверьте наличие явных повреждений, таких как сломанное остекление коллектора или влажная изоляция труб.Проверьте pH и точку замерзания теплоносителей. Сравните датчики контрольной температуры с термометрами, чтобы убедиться, что датчики работают. Также не забудьте проверить правильность работы насоса и других функций системы. В качестве простого комплексного теста проверьте температуру резервуара для предварительного нагрева — после солнечного дня в нем должно быть жарко. Более подробные количественные тесты можно найти в руководствах по проектированию ASHRAE. Для получения дополнительной информации см. Страницы «Ввод здания в эксплуатацию и техобслуживание, ориентированное на надежность».

В частности, при интеграции солнечной системы водяного отопления в более крупный строительный объект обязательно:

• Включить солнечные батареи на крыше с выходом на южную сторону в архитектурную программу и конструктивный дизайн
• Спроектировать крышу, чтобы выдержать дополнительный вес солнечных водонагревательных панелей, включая их физический вес и ветровую нагрузку
• Рассмотрим интегрированные конструкции солнечной тепловой крыши
• Свести к минимуму проникновение в крышу
• Обеспечить достаточно места в помещении для нагревательного оборудования для размещения резервуаров для солнечного отопления, насосов и оборудования
• Обеспечить проход для водопровода и электропроводки от крыши до помещения с оборудованием
• При включении обогрева помещений вместе с подогревом воды, интегрируйте солнечную тепловую систему с системой отопления здания через теплообменник для отопления помещений

Для больших систем более низкая стоимость обычно достигается за счет установки солнечных коллекторов на незатененных участках земли рядом со зданием и рядом с отопительным оборудованием для предотвращения потерь.

Отличное руководство по проектированию и установке промышленных солнечных водонагревателей было выпущено в 1980-х годах компанией ASHRAE на основе опыта использования активной солнечной энергии в рамках программы «Солнечная энергия в федеральных зданиях». Эти три тома охватывают проектирование, установку и подготовку к эксплуатации и техническому обслуживанию вручную и доступны в Solar Rating and Certification Corporation.

Эксплуатация и обслуживание

Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание каждой солнечной системы водяного отопления оцениваются в половину от 0.5–2% от начальной стоимости в год, в зависимости от типа и конструкции системы. Oamp; M аналогичен тому, который требуется для любого контура водяного отопления, и может быть предоставлен персоналом объекта с привлечением экспертов, если что-то выйдет из строя. Регулярно плановое ТО включает:

• Проверка солнечных коллекторов и рам на предмет повреждений и определение местоположения сломанных или протекающих трубок для замены
• Проверка правильности положения всех клапанов
• Проверка и уход за изоляцией труб и защитными материалами для минимизации потерь и поддержания защиты от замерзания
• Проверка затяжки монтажных разъемов и ремонт погнутых или корродированных монтажных компонентов
• Определить, затеняют ли массив какие-либо новые объекты, такие как рост растений, и переместить их, если возможно
• Ежегодная очистка массива простой водой или мягким средством для мытья посуды (не используйте щетки, любые типы растворителей, абразивов или агрессивных моющих средств)
• Проверка всех соединительных трубопроводов на герметичность и ремонт поврежденных компонентов
• Осмотр водопровода на предмет коррозии
• Наблюдение за рабочими показателями температуры и давления для обеспечения правильной работы насосов и органов управления
• Обеспечение работы насоса в солнечный день, а не ночью
• Использование инсоляционного измерителя для измерения падающего солнечного света и одновременного наблюдения за температурой и выходом энергии на лицевой панели контроллера. Сравните эти показания с исходной эффективностью системы (дополнительные тесты см. В руководствах ASHRAE).
• Проверка индикаторов состояния лицевой панели контроллера и сравнение индикаторов с измеренными значениями
• Документирование всех операций по эксплуатации и техническому обслуживанию в рабочей книге и предоставление этой рабочей книги всему обслуживающему персоналу
• Ежегодная промывка бака для хранения питьевой воды от отложений
• Промывка и заливка теплоносителя каждые 10 лет
• Промывка системы для удаления накипи из-за плохого качества воды при необходимости (только части системы с питьевой водой)
• Замена расходуемого анода в резервуаре для хранения при необходимости.

Дополнительное обслуживание может включать замену отключенных датчиков температуры, замену конденсаторов и двигателей насоса, устранение утечек или повреждений от замерзания, а также замену стекла, разбитого в результате града или вандализма. В какой-то момент — обычно более 10 лет — может потребоваться замена резервуара.

Особенности

Особые соображения, которые следует учитывать при проектировании и установке солнечных систем горячего водоснабжения, включают доступ к солнечным батареям, права на использование солнечной энергии и соответствующие нормы и стандарты.

Доступ к солнечной энергии и права на солнечную энергию

Законы о доступе к солнечной энергии защищают право потребителя устанавливать и эксплуатировать системы солнечной энергии в доме или офисе, включая доступ собственности к солнечному свету. Доступ к солнечному свету означает способность одного объекта недвижимости продолжать получать солнечный свет через границы участка без препятствий со стороны ближайшего дома или здания, ландшафта или других препятствий. Наиболее распространенные типы законов о доступе к солнечной энергии — это сервитут и права на использование солнечной энергии.

Солнечный сервитут дает владельцам солнечных энергетических систем право на постоянный доступ к солнечному свету без препятствий со стороны соседской собственности и предотвращает будущую застройку собственности, которая может ограничить доступ к солнечной энергии. Соглашения об установлении солнечного сервитута должны быть в письменной форме и подлежат тем же требованиям регистрации и индексации, что и другие имущественные права. Большинство договоров об установлении солнечного сервитута предусматривают следующие элементы:

• Описание . Размеры сервитута, включая вертикальные и горизонтальные углы и необходимые часы солнечного света, в течение которых близлежащие здания, растительность или другие сооружения не могут препятствовать попаданию прямого солнечного света в солнечную энергетическую систему.
• Ограничения .Ограничения, накладываемые на ландшафтный дизайн и растительность, конструкции и другие объекты, которые могут ухудшить или затруднить прохождение солнечного света через сервитут и повлиять на работу солнечной энергетической системы.
• Условия . Сроки и условия, если таковые имеются, в соответствии с которыми сервитут может быть пересмотрен или прекращен.

Права на использование солнечной энергии обеспечивают защиту домов и предприятий, ограничивая или запрещая частные ограничения (например, договоренности и подзаконные акты соседства, постановления местных органов власти и строительные нормы) на установку систем солнечной энергии.Около дюжины штатов приняли законы о правах на солнечную энергию, которые ограничивают ограничения, которые могут накладываться соглашениями соседства и / или местными постановлениями на установку солнечного оборудования. Законы различаются по положениям о защите солнечного оборудования, типам покрываемых зданий, применимости к новому и существующему строительству и обеспечению соблюдения прав. Расплывчатые или отсутствующие положения в законах о правах солнечной энергии привели к судебным искам и задержкам в ряде штатов.

Использование солнечного нагрева воды в соответствии с директивами администрации:

• Распоряжение 13693 «Планирование обеспечения устойчивости федерального правительства в следующем десятилетии»
• Закон об энергетической политике 1992 года (EPAct) предписывает агентствам:
  • «включает возобновляемые источники энергии [например, солнечное нагревание воды], а также меры по повышению энергоэффективности» (раздел 542 Закона о национальной политике в области энергосбережения),
  • «демонстрируют новые технологии и включают экологические преимущества, такие как сокращение выбросов парниковых газов, в критерии отбора демонстрационных технологий» (Раздел 549),
  • «включают рекомендации по рентабельным проектам использования возобновляемых источников энергии» (Раздел 550).
• Закон об энергетической политике 2005 г. (EPACT), который требует, чтобы федеральные предприятия удовлетворяли 30% своих потребностей в горячей воде за счет солнечной энергии, при условии, что это будет рентабельно в течение всего срока службы системы
• Указ Президента № 13514, который расширяет требования к снижению энергопотребления и производительности EISA 2005 и последующих нормативных актов.

Установить все солнечное водонагревательное оборудование в соответствии с отраслевыми стандартами, в том числе:

Дополнительные ресурсы

Сертификат монтажника солнечного отопления

Североамериканский совет сертифицированных специалистов по энергетике (NABCEP) обеспечивает добровольную сертификацию установщиков слуховых аппаратов на солнечной энергии.Сертификация установщика солнечного отопления — это добровольная сертификация, которая обеспечивает набор национальных стандартов, по которым установщики солнечного отопления, обладающие навыками и опытом, могут выделиться среди своих конкурентов. Сертификация обеспечивает определенную защиту общественности, давая им возможность оценивать компетентность практикующих специалистов.

Программы сертификации оборудования

Solar Rating and Certification Corporation (SRCC) — независимая некоммерческая торговая организация, которая создает и внедряет программы сертификации солнечного оборудования и стандарты рейтинга.SRCC сертифицирует сборщиков и публикует рейтинги производительности и уравнения эффективности коллектора (необходимые для прогнозирования производительности системы в целом) в соответствии со своим стандартом OG-100. SRCC разработала рейтинг и программу сертификации солнечных водонагревательных систем, сокращенно OG300, для повышения производительности и надежности солнечных продуктов. Сводка сертифицированных SRCC рейтингов солнечных коллекторов и водонагревательных систем, в которой перечислены характеристики сертифицированной продукции, доступна бесплатно.

Сайтов

• Управление энергетической информации выпускает очень подробные отчеты о солнечной энергетике и использовании солнечного нагрева воды, включая отчет о деятельности производителей солнечных коллекторов.
• Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) предоставляет обширную информацию о солнечном нагреве воды, включая отличные карты и таблицы солнечных ресурсов в США и во всем мире.
• Ассоциация производителей солнечной энергии предлагает каталог производителей, дистрибьюторов, подрядчиков и консультантов по проектированию для производства горячей воды от солнечной энергии. Есть также несколько государственных глав SEIA, которые являются полезными ресурсами и источниками региональных участников торгов по проектам.
• Solar Rating & Certification Corporation — это некоммерческая организация, которая предоставляет авторитетные рейтинги производительности, сертификаты и стандарты для солнечной тепловой продукции с целью защиты и предоставления рекомендаций потребителям, поставщикам стимулов, правительству и отрасли.
• Solar-Estimate — это бесплатная государственная служба, предлагающая инструменты для оценки солнечной энергии и поддерживаемая Министерством энергетики и Комиссией по энергетике Калифорнии.
• Министерство энергетики США, Федеральная программа управления энергопотреблением, выпустило несколько публикаций, включая Федеральное технологическое предупреждение о солнечном водонагревании и тематические исследования. FEMP также периодически проводит учебные курсы под названием «Реализация проектов в области возобновляемых источников энергии» с двухчасовым модулем, посвященным солнечному нагреву воды.Расписание всех тренингов FEMP доступно на сайте выше.

Характеристика теплового поведения зданий и его влияния на городской тепловой остров в тропических районах