Основная роль в увеличении эффективности использования энергии принадлежит современным энергосберегающим технологиям. Их внедрение, помимо очевидных экологических плюсов, несет вполне реальные выгоды – уменьшение расходов, связанных с энергетическими затратами.

Режим энергосбережения особенно актуален для механизмов, которые часть времени работают с пониженной нагрузкой – конвейеры, насосы, вентиляторы и т.п. Кроме снижения расхода электроэнергии, экономический эффект от применения частотно-регулируемых электроприводов достигается путем увеличения ресурса работы электротехнического и механического оборудования, что становится дополнительным плюсом.

В Украине более трети всех энергоресурсов страны расходуется на отопление жилых, офисных и производственных зданий. Поэтому все нижеперечисленные технологии и методы энергосбережения будут малоэффективны без борьбы с непродуктивными потерями тепла.

• Солнечная батарея и коллектор
• Твёрдотопливный нагреватель
• Тепловой насос
• Биоэнергетическая установка

В последние годы все энергоэффективные технологии объединяются в концепцию экологического (энергосберегающего) дома, то есть жилища, максимально дружелюбного окружающей среде. Энергосберегающие технологии позволяют решить сразу несколько задач: сэкономить существенную часть энергоресурсов, решить проблемы отечественного ЖКХ, повысить эффективность производства и уменьшить нагрузку на окружающую среду.

3.1 Тепловые насосы – как же они работают?

Тепловые насосы действуют по простому принципу. Практически в каждом доме есть «тепловой насос» – это обычный холодильник, который отбирает тепло продуктов и передает его окружающему воздуху через теплообменник, расположенный сзади холодильника. Более точно принцип действия теплового насоса заключается в следующем (рисунок 1):

Хладагент (фреон) нагревается в испарителе до -5..25°С от тепла земли, воздуха, воды, закипает и испаряется. Полученный пар сжимается компрессором и при росте давления температура фреона поднимается до 35-65°С. Эта теплота передается через теплообменник конденсатора воде отопительного контура, которая нагревается до 35-55°С, и фреон конденсируется. Дроссельный клапан сбрасывает давление, перепуская хладагент в испаритель. Затем цикл работы теплового насоса повторяется. Чем выше температура первичного источника, тем больше мощность теплового насоса. Проектирование теплового пункта и подбор сопутствующего оборудования с тепловым насосом аналогично проектированию с котлом, с учетом того что необходимо дополнительно установить в систему отопления бак-резервуар объемом 10-20 л на 1 кВт мощности на подаче, в случае если используются тепловые насосы типа воздух-вода и на обратной линии в случае если используются тепловые насосы типа вода-вода, или тепловые насосы грунт-вода, а также возможность подключения через трехходовой смесительный клапан дополнительного источника энергии, при его установке на обратной линии. При установке бака-резервуара теплового насоса на подающей линии электронагреватель может быть встроен в него. Бак водонагреватель для получения горячей воды должен быть установлен дополнительно. Кроме того следует помнить, что максимальная температура получаемой горячей воды составляет 55°С, что делает возможным применять тепловые насосы в случае систем напольного, настенного и низкотемпературного радиаторного отопления и конечно же тепловые насосы обеспечивают приготовление горячей воды.

Каких источников тепла достаточно для работы тепловых насосов?

Тепловые насосы для своей работы с успехом используют следующие источники низкопотенциального тепла:

• Наружный воздух: от -15 до + 15°С;
• Отводимый воздух: 15-25°С;
• Подпочвенная вода: 4-10°С;
• Озерная вода: 0-10°С;
• Речная вода: 0-10°С;
• Поверхностный грунт: 0-10°С;
• Глубокий (>20 м) грунт: 10°С;
• Грунтовые воды: >10°С.

Солнечные коллекторы (СК) – солнечные нагревательные низкотемпературные установки для нагрева воды.

Солнечный коллектор – водонагреватель предназначенный для снабжения горячей водой, в основном, индивидуальных хозяйств. Устройство состоит из (рисунок 6) короба со змеевиком (1), бака холодной воды(2), бака-аккумулятора(3) и труб(4). Короб стационарно устанавливается под углом 30-50° с ориентацией на южную сторону. Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд. Дневная производительность на широте 50° примерно равна 2 квт/ч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе достигает 60...70°С. КПД установки – 40%. Самая многочисленная сегодня часть солнечных преобразователей работает при температурах порядка 100-200°С. С их помощью подогревают воду, обессоливают ее, поднимают из колодцев. В солнечных кухнях готовят пищу. Сконцентрированным солнечным теплом сушат овощи, фрукты и даже замораживают продукты. Энергию солнца можно аккумулировать днем для обогрева домов и теплиц в ночное время. Достоинством тепловых солнечных преобразователей является высокий КПД. У современных коллекторов он достигает 45 - 60%. Эффективность термальных гелиоприемников повышается, если они снабжены теми или иными концентрирующими излучение зеркальными поверхностями

4.1 Вакуумный трубный солнечный коллектор с тепловыми трубами

Отдельные трубы можно радиально поворачивать и таким образом оптимально ориентировать по отношению к солнцу. Этот вакуумный коллектор отличается особенно высоким КПД, в частности, при рассеянной инсоляции. Он может давать технологическое тепло, например, для гелиокондиционеров.

Рисунок 7 – Вакуумный трубный солнечный коллектор с тепловыми трубами

4.2 Плоский солнечный коллектор

Весьма перспективными для экодомов обещают стать плоские солнечные элементы с линейными концентраторами излучения – фоконы. Концентраторы-фоконы имеют в сечении V-образную форму (плоскую или парабалоидную). Высокая эксплуатационная надежность и длительный срок службы за счет использования высококачественных коррозионных материалов. Высокий КПД благодаря абсорберу с высокоизбирательным покрытием, встроенным трубам и высокоэффективной теплоизоляции. Абсорбер поставляется по выбору с: гальваническим покрытием; покрытием, нанесенным методом распыления. Малый вес и компактная конструкция. Площадь абсорбера 1,7кв.м.

Конденсатор с помощью гофрированной трубы из высококачественной стали гибко связан с вакуумной трубой. Поворачивая отдельные трубы, их можно оптимально ориентировать по отношению к солнцу. Пригоден для монтажа на плоской или наклонной крыше, а также свободной установки. Высокий КПД благодаря абсорберу с высокоизбирательным покрытием, вакуумным коллекторным трубам для уменьшения тепловых потерь и высокоэффективному 2-х трубному теплообменнику. Площадь абсорбера 2-3 кв.м.

Рисунок 8 – Плоский солнечный коллектор

4.3 Вакуумный трубный солнечный коллектор с прямым протеканием для использования солнечной энергии

Основным компонентом вакуумных трубчатых солнечных коллекторов являются стеклянные вакуумные трубки (рисунок 9).

Рисунок 9 – Трубки вакуумных коллекторов разных типов

Внешняя труба сделана из прозрачного сверхпрочного боросиликатного стекла, которое выдерживает удары града диаметром 25 мм. Внутренняя труба вакуумного гелиоколлектора также изготовлена из прозрачного боросиликатного стекла, покрытая специальным селективным покрытием (Al-N/al), которое обеспечивает отличное поглощение тепла с минимальным отражением. Для избежания кондуктивних и конвективных теплопотерь из пространства между двумя трубками солнечного водонагревателя выкаченый воздух и образован вакуум. Для поддержания вакуума между двумя стекляными трубками используется газопоглотитель (такой же, как и телевизионных трубках).

При производстве солнечных коллекторов Прогресс-ХХI газопоглотитель попадает под влияние высоких температур, в результате чего нижний конец вакуумной трубки покрывается слоем чистого бария. Этот слой бария поглощает СО, СО2, N2, O2, H2o и Н2, которые выделяются из трубы в процессе хранения и эксплуатации, поддерживая таким образом состояние вакуума. Слой бария также представляется четким визуальным индикатором состояния вакуума. Когда вакуум исчезает, бариевый слой из серебряного становится белым. Это дает возможность легко определить, исправная ли трубка вакуумного гелиоколлектора (рисунок 10).

Рисунок 10 – Схема солнечного коллектора

Вакуумные солнечные коллекторы показывают отличные результаты также в облачные дни, потому что трубы способны поглощать энергию инфракрасных лучей, который проходит через тучи. Благодаря изоляционным свойствам вакуума влияние ветра и низких температур на работу вакуумированных труб также незначительно в сравненных с влиянием на плоский солнечный коллектор. Стеклянные вакуумные трубки заключены параллельно; угол наклона зависит от географической широты данной местности. Ориентированные из Севера на Юг трубки пассивно «двигаются по солнцу» в течение всего дня. Форма трубок обеспечивает отличную степень поглощения вакуумных коллекторов в сравненных с плоскими коллекторами в результате целого ряда причин, а именно:

1. Трубка гелиоколлектора круглая, поэтому солнечные лучи всегда попадают на поверхность трубы под прямым углом, возводя отражение к минимуму.
2. Если поверхность солнечного водонагревателя плоская, то количество солнечного излучения, которое на него попадает, достигает своего максимума лишь в полдень, когда солнце находится прямо над солнечным коллектором. Утром и вечером солнечные лучи падают на поверхность гелиоколлектора под углом, и количество поглощенного солнечного излучения уменьшается.

Вакуумные трубки круглые, как следствие, количество солнечного излучения, которое попадает на трубки, остается постоянным с утра до вечера. Благодаря этому общее количество поглощенного солнечного излучения увеличивается. Более того, угол падения солнечных лучей всегда перпендикулярен поверхности трубы, и отражение, таким образом, уменьшается.[3]

4.4 Солнечные коллекторы – достоинства и преимущества

1. Вакуумные солнечные коллектора – возобновляемый источник энергии. Солнце представляет собой практически бесконечный, подлежащий восстановлению и бесплатный источник энергии.
2. Существенная экономия энергии, если использовать солнечные коллекторы. В среднем, в год с помощью солнечных коллекторов имеется возможность экономить 60…70% энергии, необходимой для приготовления теплой технической воды. Причем летом с использованием все тех же солнечных коллекторов, данная цифра представляет почти 100 %, весной — 30…50%, а зимой, используя солнечные коллекторы, экономим 20%.
3. Низкие эксплуатационные расходы на солнечные коллекторы. Солнечные коллекторы нагревают воду практически бесплатно, чего не скажешь о стоимости нагрева воды при использовании газа, и, тем более, электроэнергии.
4. Солнечные коллекторы – это выгодные инвестиции. В наших условиях солнечный коллектор служит, в первую очередь, в качестве дополнения главному источнику тепла и для получения теплой воды. Срок окупаемости системы солнечных коллекторов составляет около 4-6 лет. А срок эксплуатации солнечного коллектора представляет минимально 30 лет, так что в течение следующих 25 лет представляется возможным бесплатный нагрев воды.
5. Простой монтаж солнечного коллектора. Вакуумный солнечный коллектор представляет собой несложную конструкцию и не требует сложного и дорогостоящего оборудования для своей установки и работы.
6. Экологически чистые солнечные коллектора. Вакуумные солнечные коллекторы обладают нулевым негативным экологическим влиянием в процессе своей эксплуатации.
7. Комфорт для пользователя солнечных коллекторов. Системы солнечных коллекторов отличаются высокой надежностью, высокой степенью автоматизации и не требуют никакого добавочного обслуживания и контроля. Другими словами, после установки солнечные коллектора работают без обслуживания и с очень низкими эксплуатационными затратами.[2]