Předehřev solární ventilací označuje solární stěnu nebo transpirační solární kolektor, který ohřívá vzduch předtím, než vstoupí do konstrukce. Poskytuje velmi efektivní způsob snížení nákladů na energii budovy pomocí čistého obnovitelného zdroje energie. Koncept využití transpirovaného solárního kolektorového systému předehřívání vzduchu, který vynalezl inženýr John Hollick z Conserval Engineering, se používá od 1990. let – pod názvem Solar Wall. Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie provedla významný výzkum této technologie během desetiletí 90. let.
National Renewable Research Laboratory provedla významný výzkum této technologie v průběhu 1990. let. Technologie byla licencována společnosti Atlas, International, která se specializuje na výrobu kovových střešních krytin, stěnových, stropních panelů a doplňků pro komerční a obytné budovy. Společnost používá pro marketing produktu obchodní název Inspire Wall.
Základní systém ohřívá venkovní vzduch pomocí solárního kolektoru umístěného v blízkosti jihovýchodní nebo jihozápadní stěny, ideálně v blízkosti ventilačního systému budovy. Kolektor se skládá z tmavé stěny z hliníku nebo vlnité oceli. Stěna má četné perforované otvory. Systém nasává vzduch skrz otvory. Když vzduch prochází otvory, absorbuje teplo ve stěně.
Teplý vzduch stoupá mezi 4 až 6 palcovou dutinou, neboli přetlakovou komorou, umístěnou mezi solární stěnou a konstrukcí. Konzoly zajišťují solární stěnu budovy. Ventilátor – obvykle instalovaný jako součást stávajícího ventilačního systému – dopravuje upravený vzduch z přetlakové komory do vzduchotechnické jednotky.
Systém distribuuje teplý vzduch do různých prostorů v budově. Přídavný vzduch, nasávaný stropními potrubími, se zbavuje stratifikace, ke které dochází u konstrukcí s vysokými stropy. Stratifikace označuje vrstvy teplého vzduchu, který stoupá vzhůru, s nejteplejším vzduchem nahoře.
Obvykle má solární ventilační předehřívací kolektor komponenty nazývané ovládané obtokové klapky nainstalované na potrubí vedoucím z kolektoru a venkovní vzduchová klapka. Když ovládání vyžaduje teplo, klapka venkovního vzduchu se zavře a současně se otevře předehřev solární ventilace. Jednotka pracuje obráceně, pokud budova nepotřebuje teplo.
Instalační technik utěsní okraje kolem stěny, oken, panelu, dveří a dalších předmětů lemováním. Lemování má síťku proti hmyzu a odkapávací otvory pro odtok vody. Kromě shromažďování sluneční energie ze slunečního záření může systém znovu zachytit tepelné ztráty stěn.
Některé budovy mohou vyžadovat konvenční HVAC jednotku v noci nebo v zatažených dnech. Solární ventilační předehřívací systémy předehřívají okolní vzduch až na 30 stupňů Celsia (54 stupňů Fahrenheita). V závislosti na velikosti budovy a potřebách systém snižuje část celého zatížení konvenčního topného systému. V létě venkovní vzduch zcela obchází solární kolektor, aby se zabránilo předehřívání vzduchu.
Standardní Transpired Solar Collector
Předehřívací ventilační aplikace
Solární ventilační předehřívací systémy mají širokou škálu aplikací, zejména v průmyslových a komerčních zařízeních, které vyžadují významný ventilační systém. Sklady, skladovací budovy, laboratoře, tělocvičny a výškové bytové domy, které mají trvalou potřebu větrat, mohou také těžit z ventilačních předehřívacích systémů.
Majitelé budov si mohou nechat zabudovat předehřívací ventilační systém do návrhu nové budovy nebo jako součást projektu rekonstrukce. Protože systém nevyžaduje mnoho mechanického vybavení nebo pohyblivých částí nad rámec nákladů na systém vytápění, ventilace a klimatizace (HVAC).
Děrovaná stěna solárního kolektoru nevyžaduje skleněný kryt, který zakrývá prosklené ploché solární kolektory. Systémy mají účinnost až 80 procent a nevyžadují úložnou komponentu.
Učinit informované rozhodnutí o tom, zda má solární ventilační předehřívací systém dobrý smysl, závisí na řadě faktorů:
• Délka topného systému – systém funguje nejlépe ve slunečném a chladném klimatu.
• Cena zdroje energie na vytápění; vyšší náklady na energii činí systém hospodárnějším.
• Čtvercové rozměry stěny orientované na jih musí mít dostatečný povrch pro připevnění solárního kolektoru, aby byl vizuálně příjemný. Obvykle to vyžaduje jednu čtvereční stopu na každé čtyři až deset krychlových stop vzduchu za minutu.
• Budova musí mít specifikované minimální požadavky na ventilaci v souladu se standardem 62 Americké společnosti pro inženýry vytápění, chlazení a klimatizaci.
Systémy větrání se solárním předehřevem fungují nejlépe v konstrukcích, které mají značné objemy zatížení větráním venkovního vzduchu.
Provoz a údržba
Stejně jako většina solárních aplikací je O&M pro solární ventilační předehřívací systémy atraktivním řešením. Ve většině prostředí déšť zajišťuje dostatečné čištění kolektoru. V extrémně znečištěném nebo znečištěném prostředí mohou kolektory vyžadovat důkladnější čištění. Vyvarujte se lakování kolektorů, které mohou ucpat perforované otvory.
Údržba ventilátoru zahrnuje mazání ložisek. Pohon ventilátoru vyžaduje pravidelnou výměnu. Tato konkrétní součást však obvykle vyžaduje tyto O&M funkce pro běžný provoz systému HVAC. Vlastníci systému obvykle uzavírají smlouvu s firmou poskytující energetické služby, aby zajistili nejlepší výkon systému.
Podle Národního institutu stavebních věd budou náklady na budovu dovybavenou aplikací předehřívání solární ventilací, která zahrnuje kolektor, příslušenství, instalaci a další náklady, celkem 30.00 USD/ft².
V letech 1990 až 2009 bylo po celém světě instalováno 1,500 3.3 solárních ventilačních předehřívacích systémů – pokrývajících XNUMX milionu čtverečních stop. Spojené státy mají asi jednu třetinu jednotek. Systémy mají také Kanada, Německo, Francie, Itálie, Malajsie a Indonésie.
Typ paliva spáleného primárním systémem HVAC a náklady určují nákladovou efektivitu systému.
Návratnost nákladů na nové systémy se pohybuje od 3 do 4 let. Návratnost za modernizované systémy se pohybuje mezi 6 až 7 lety.
Budova byla vybavena solárním systémem předehřívání ventilace
Hodnocení NREL ukazuje, že nízké náklady a vysoká účinnost technologie solárního ventilačního předehřívacího kolektoru ji činí konkurenceschopnější vůči zemnímu plynu nebo dražším palivům, jako je elektřina a propan. V konečném důsledku finanční proveditelnost systému závisí na potřebách vytápění budovy a dostupných solárních zdrojích regionu.
Solární předehřev ventilačního vzduchu neboli solární ventilační předehřev využívá energii slunečního záření k předehřívání ventilačního vzduchu. Tato technologie, která využívá principu prodyšného kolektoru sestávajícího z perforovaného kovového obkladu typicky natřeného tmavou barvou, je komerčně dostupná od 1990. let XNUMX. století. Nároky na údržbu jsou díky jednoduchosti technologie minimální. Technologie nemá kromě ventilátoru žádné pohyblivé části, takže vydrží desítky let.
Nejlepšími aplikacemi technologie předehřívání solární ventilace jsou průmyslové budovy, jako je vozový park údržby vozidel, které vyžadují hodně větracího vzduchu a dobře ladí s estetikou kovových obkladů. Tato technologie však byla použita v aplikacích, kde je estetika na prvním místě, včetně návštěvnických center v rekreačních oblastech.
Solární ventilační předehřev má nejnižší náklady a nejvyšší účinnost ve srovnání s jinými solárními technologiemi, jako je fotovoltaika nebo solární ohřev vody. Elektřinu z fotovoltaiky lze ale využít k mnoha věcem; zatímco solární ventilační předehřívací systém slouží pouze k předehřívání ventilačního vzduchu. Byl také použit k sušení plodin v Kalifornii a Střední Americe. Rekuperace tepla z odpadního vzduchu nabízí možná levnější způsob předehřívání větracího vzduchu 24 hodin denně a snížila by úspory očekávané od solárního systému předehřívání větracího vzduchu. I když je lze použít společně, stačí k ohřevu větracího vzduchu tolik energie, že stejné britské tepelné jednotky (Btu) nelze ušetřit dvakrát.
SolarWall solární systém předehřívání vzduchu ventilace na hangáru údržby vrtulníku AVUM na americké armádní základně Fort Carson, jižně od Colorado Springs, Colorado.
Účelem tohoto přehledu je poskytnout konkrétní podrobnosti pro federální úřady, které zvažují technologie předehřívání solární ventilace jako součást nového stavebního projektu nebo velké renovace.
Popis
Solární systém předehřívání ventilačního vzduchu obsahuje následující komponenty:
- Transpirovaný solární kolektor
- Montážní konzoly
- Obvod bliká
- Větrák
- Potrubí a potrubí
- Ovládané obtokové klapky.
Proces solárního systému předehřívání větracího vzduchu začíná, když dopadající sluneční záření ohřívá transpirovaný sluneční kolektor. Jedná se o stěnu vyrobenou z perforovaných kovových panelů širokých čtyři stopy a libovolné délky. Kolektor je perforován drobnými otvory a natřen tmavou barvou, aby absorboval maximum slunečního záření.
Transpirační kolektor je připevněn ke stěně orientované na jih pomocí montážních držáků, které oddělují transpirační kolektor od stěny, aby vytvořily 4 až 6 palců přetlakový prostor neboli prostor pro zadržování předehřátého ventilačního vzduchu. Stejně jako všechny kovové obklady musí kolektor a montážní konzoly odolat zatížení větrem v rozsahu 90 až 110 mil za hodinu ve většině oblastí a až 150+ mil za hodinu v oblastech s potenciálem hurikánů.
Typický solární ventilační předehřívací systém.
Obvodové lemování se používá k utěsnění okrajů kolem stěny a kolem jakýchkoliv dveří, oken, nástěnných elektroměrů nebo panelů a dalších překážek. Osvětlovací tělesa lze namontovat na povrch kolektoru. Ve spodní části jsou odkapávací otvory se síťkami proti hmyzu, které lemují, aby mohla uniknout voda, která se může dostat za sběrač.
Ventilační vzduch je nasáván otvory v kolektoru a do přetlakového prostoru působením větracího ventilátoru, který již v budově obvykle existuje. Sluneční záření ohřívá vzduch v plénu při jeho nasávání do budovy. Při práci se vzduchotechnickou jednotkou lze provést úpravy pro přivádění předehřátého větracího vzduchu do prvního stupně.
K distribuci horkého vzduchu ze solárního ventilačního předehřívacího systému přímo do prostoru vytápěného jinými prostředky, jako jsou ohřívače jednotky, lze použít pahýlový kanál, tkaninový kanál nebo stávající potrubí. Je však pravděpodobnější, že solární předehřátý vzduch bude odváděn do prvního stupně vzduchotechnické jednotky. Tento první stupeň by měl ovládanou obtokovou klapku na potrubí od kolektoru předehřevu solární ventilace a také jednu na klapce venkovního vzduchu. Tyto klapky by byly řízeny tak, že když prostor vyžaduje teplo, klapka venkovního vzduchu by byla uzavřena a klapka předehřívání solární ventilace by byla otevřena. Pokud prostor nepotřebuje teplo, klapka venkovního vzduchu by byla otevřená a klapka předehřívání solární ventilace by byla zavřená.
Jak to funguje?
Jak funguje kolektorový panel solárního ventilačního předehřevu vzduchu.
Princip činnosti solárního kolektoru pro předehřívání vzduchu je založen na konceptu zvaném „mezní vrstva“. Bez ohledu na vítr se vzduch v kontaktu s deskou kolektoru nepohybuje, protože se nepohybuje stěna. V tenké vrstvě vzduchu o tloušťce menší než 1 mm má tato mezní vrstva za následek efektivní přenos tepla z desky kolektoru do vzduchu. Otvory jsou dostatečně blízko u sebe, aby vtáhly tuto hraniční vrstvu solárně ohřátého vzduchu dříve, než má šanci uniknout.
Pokud průtok přes stěnu klesne na méně než 2 kubické stopy za minutu vzduchu na čtvereční stopu (CFM/ft²) kolektoru, pak má toto teplo šanci uniknout a účinnost kolektoru dramaticky poklesne. Na druhou stranu, pokud je průtok větší než 8 CFM/ft², může být výkon ventilátoru potřebný k nasávání vzduchu malými otvory nadměrný. V závislosti na velikosti a rozteči otvorů v kolektoru může představovat optimální průtok 4 CFM/ft². Klíčem je specifikovat pórovitost a/nebo velikost kolektoru, která udrží pokles tlaku 25 pascalů (Pa) při požadovaném průtoku.
Druhy a náklady na technologie
Technologie předehřívání solární ventilace byla vynalezena Johnem Hollickem z Conserval Engineering a představena v roce 1994 pod názvem SolarWall. V 1990. letech byla technologie zkoumána v NREL. Nedávno byla tato technologie licencována společnosti ATAS International, výrobce kovových stavebních prvků, a je prodávána pod obchodním názvem InSpire. Od roku 1990 do roku 2009 bylo po celém světě instalováno více než 1,500 3.3 systémů s kombinovanou plochou kolektorů přes XNUMX milionu čtverečních stop. Americký trh může představovat přibližně jednu třetinu z toho, zejména v průmyslových zařízeních na severovýchodě a vojenských zařízeních, jako jsou obchody a letecké hangáry. Některé z největších mezinárodních systémů se používají pro sušení plodin v teplých klimatických podmínkách.
Navzdory vysoké účinnosti a nízkým nákladům je technologie solární ventilace nedostatečně využívána. Následující tabulka uvádí typické instalační náklady pro tuto technologii, ačkoli byly hlášeny náklady až 40 USD za čtvereční stopu.
Náklady na instalaci technologie předehřívání solární ventilace v aplikacích dodatečného vybavení.
| Transpirovaný kolektor | 14.50 $/ft² |
| Podporuje, blikání a tak dále. | 7.50 $/ft² |
| Instalace | 4.00 $/ft² |
| Ostatní náklady | 4.00 $/ft² |
| Celková cena | 30.00 $/ft² |
Informace od Ambient Energy.
editaci videa
Při rozhodování o tom, zda je předehřev solární ventilací vhodný pro stavební projekt, je třeba vzít v úvahu několik faktorů: stálý požadavek na denní ventilační vzduch, místo s velkým počtem topných denostupňů, žádná rekuperace tepla z odpadního vzduchu, a žádné nadměrné vnitřní tepelné zisky (od světel, počítačů nebo lidí), které eliminují potřebu ohřívání větracího vzduchu.
Následující části poskytují konkrétní informace o místě a charakteristikách použití, ekonomice, potenciálu úspor tepla, požadavcích na provoz a údržbu a další úvahy, které mohou ovlivnit toto rozhodnutí.
Mezi faktory, které určují, zda je místo vhodné pro předehřívání solární ventilací, patří:
- Stálý požadavek na ventilační vzduch
- Klima s dostatečným požadavkem na vytápění (otopné denostupně) pro ospravedlnění ekonomiky
- Budova, která ještě není vytápěna vnitřními zisky (mnoho počítačů nebo jiného zařízení, které vydává teplo a vyžaduje celoroční chlazení)
- Velká, nestíněná jižní stěna na podporu solárního větrání předehřívacího kolektoru
- Faktory, jako jsou saze z nafty, které způsobují, že konvenční rekuperace tepla je neúčinná (úspory díky systému předehřívání solární ventilace jsou sníženy v systému, který má rekuperaci tepla z odpadního vzduchu)
- Drahá paliva pro vytápění, jako je elektřina, ropa nebo propan, jsou zvláště dobré aplikace
- Solární ventilační předehřívací kolektor by neměl být umístěn v blízkosti zdrojů znečištění, jako jsou nákladní vozy.
Solární ventilační předehřívací systémy by měly být v ideálním případě navrženy a instalovány v poloze, která směřuje do 45° od skutečného jihu (pro severní polokouli), aby se maximalizoval sběr solární energie. Pokud je to možné, je předehřev solární ventilací lepší na východní než na západní straně, protože teplo je obvykle potřeba více ráno než odpoledne.
Zařízení, které již má k dispozici nebo plánuje rekuperaci tepla z odpadního vzduchu – z tepelného výměníku vzduch-vzduch, oběhové glykolové smyčky nebo rotačního entalpického kola – může mít levnější způsob předehřívání ventilačního vzduchu 24 hodin denně. To by snížilo úspory očekávané od solárního ventilačního systému předehřívání vzduchu a tím i jeho ekonomickou životaschopnost. Předehřívání solární ventilací se často používá tam, kde proud výfukových plynů obsahuje saze z nafty nebo jiné nečistoty, které by znečišťovaly systémy rekuperace tepla. I když je lze použít společně, je zapotřebí pouze tolik energie k ohřevu ventilačního vzduchu a stejné Btu nelze ušetřit dvakrát.
Ekonomie
Předpokládané náklady uvedené v této části silně závisí na trhu s hliníkem a stavební prací. Neočekává se, že tyto náklady v budoucnu klesnou, ale spíše se předpokládá, že budou eskalovat při obecné míře inflace.
Náklady na solární systém předehřívání ventilačního vzduchu lze odhadnout na základě instalovaných nákladů na čtvereční stopu systému (uvedeno výše) a velikosti systému. Velikost kolektoru by měla umožňovat 1 čtvereční stopu plochy kolektoru na 4 kubické stopy za minutu ventilovaného vzduchu, ačkoli velikost kolektoru může být omezena dostupným prostorem na stěně.
Ušetřené teplo lze odhadnout tak, že se z posouzení zdrojů odebere 70 % celkové roční dodávky tepla solárního ventilačního předehřívacího systému (kilowatthodiny za rok, kWh/rok) – na základě typické účinnosti vytápění 70 % pro solární kolektory s propustným vzduchem. . Určitá vstupní energie bude použita k napájení ventilátoru, ale to lze odhadnout na 1 watt na čtvereční stopu kolektoru za každou hodinu použití za rok. Životnost 40 let specifikovaná pro systémy obnovitelné energie podle zákona o energetické nezávislosti a bezpečnosti z roku 2007 je vhodná pro použití pro kolektory s průsvitem v analýze nákladů životního cyklu.
Vzhledem k nízkým nákladům a vysoké účinnosti solárního ventilačního předehřívacího kolektoru analýza provedená National Renewable Energy Laboratory (NREL) ukazuje, že je často nákladově efektivní, i když konkuruje relativně levnému zemnímu plynu. Při konkurenci dražších topných paliv, jako je elektřina nebo propan, je ekonomika ještě lepší. Ekonomická životaschopnost však nezávisí pouze na solárním zdroji, ale také na tom, zda budova teplo potřebuje.
Mapa zobrazující výpočet ceny zemního plynu, který by vedl k poměru úspor k investicím ≥1
Odpovídající mapa ukazuje cenu zemního plynu (v dolarech za term), která by vedla k poměru úspor k investici 1 nebo více. Mapa ukazuje, že technologie dodává teplo za méně než 50 USD/term v nejlepších oblastech a méně než 1 USD/term ve většině země. Mapa také ukazuje vliv pobídek ve státech, jako je Illinois.
Posouzení dostupnosti zdrojů
Úspory díky solárnímu systému předehřevu ventilačního vzduchu závisí na dvou faktorech: solárním zdroji na jižní stěně a denostupních vytápění pro dané místo. Na základě těchto faktorů mapa ukazuje potenciální úspory energie v celých Spojených státech v ročních ušetřených kilowatthodinách na metr čtvereční kolektoru.
Mapa potenciálního odvodu tepla z technologie předehřevu solárního větrání pro předehřev větracího vzduchu.
Mapa ukazuje terč na jihozápadě Spojených států s dobrým zdrojem až ke kanadské hranici. Úspory jsou zanedbatelné v místech, jako je jižní Texas a Florida, která nepotřebují teplo. Tyto úspory vycházejí z předpokladu, že teplo je využíváno 7 dní v týdnu. Tato hodnota by byla o 28 % nižší, pokud by se větrací vzduch o víkendech neohříval, a asi o 20 % nižší, pokud je stěna umístěna 45° východně nebo západně od jihu.
Důležité informace o návrhu
Klíčové úvahy při integraci solárního ventilačního systému předehřívání vzduchu do stavebního projektu jsou:
- Poskytněte prostor pro montáž transpiračního solárního kolektoru na jižní straně
- 1 čtvereční stopa plochy kolektoru na 4 kubické stopy za minutu ventilovaného vzduchu
- Vyhněte se zdrojům znečištění, jako jsou nákladní doky
- Vyhněte se stínu jiných budov nebo stromů
Provoz a údržba
Provoz a údržba (O&M) je u solárních ventilačních předehřívacích systémů minimální. Za prvé, samotný kolektor nemá žádné pohyblivé části. Ve velmi znečištěném prostředí lze doporučit pravidelné čištění kolektoru. Nelakujte kolektor, protože malé otvory se ucpou barvou. Dodavatelé nabízejí standardní 20leté záruky na vady materiálu obkladu a na použitý fluoropolymerový nátěr. Záruky za plnění související s dodávkou energie by musela poskytovat společnost poskytující energetické služby na základě smlouvy o plnění nebo zvláštní smlouvy o záruce plnění.
Údržba spojená s ventilátorem by probíhala i bez systému předehřívání solární ventilace za předpokladu, že by budovy měly větrací vzduch tak jako tak. Údržba ventilátoru zahrnuje mazání ložisek a pravidelnou výměnu pohonu ventilátoru. Údržba spojená s obtokovou klapkou může zahrnovat výměnu ovladače klapky, pokud by časem selhal.
Zvláštní důvody
Environmentální přezkoumání / Povolení
Systémy solárního ventilačního předehřívání vzduchu namontované na stávajících zařízeních obvykle splňují podmínky pro kategorickou výjimku. Systémy přidané do nové výstavby by neměly přidávat žádnou další zátěž do procesu přezkoumání zákona o národní politice životního prostředí ani žádné další problémy související s povolováním.
Příslušné kodexy a normy
Pro systémy ventilovaného vzduchu existují různé místní a národní předpisy a normy. Rychlosti ventilace jsou často stanoveny podle normy 62 Americké společnosti inženýrů pro vytápění, chlazení a klimatizaci (ASHRAE).
Národní elektrický zákon má požadavky, jako je uzemnění elektrických součástí (ventilátor a ovládací prvky), Mezinárodní stavební zákon a normy Americké společnosti stavebních inženýrů týkající se fasády budovy (jako je zatížení větrem).
Jednotný stavební zákon týkající se potrubí také obsahuje normy platné pro běžná solární ventilační předehřívací instalace.
Kromě toho se doporučuje razítko profesionálního inženýra pro upevnění konstrukce stěny, návrh ventilačního systému a elektrický návrh.
Další zdroje
Webové stránky
- Solární výzkum společnosti NREL
- Software pro řízení čisté energie RETScreen
- Databáze státních pobídek pro obnovitelné zdroje a účinnost (DSIRE)
Publikace
- Průvodce plánováním budov připravených na solární energii, NREL
