PL240758B1

PL240758B1 - System for solar energy house heating during winter

Info

Publication number: PL240758B1
Application number: PL431586A
Authority: PL
Inventors: Jacek Koziński; Stanisław Fiasiuk
Original assignee: Dworek Polski Spolka Jawna Kozinski Jacek Rybak Grzegorz
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2022-05-30
Also published as: PL431586A1

Abstract

System do ogrzewania domu energią słoneczną w zimnej części roku, który posiada niskotemperaturowy kolektor słoneczny (1) umieszczony pionowo w pobliżu domu i skierowany swoją powierzchnią roboczą w kierunku południowym oraz połączony z nim magazyn ciepła wewnątrz domu służący za bufor, przy czym kolektor słoneczny (1) wyposażony jest w ruchomy ekran (4) i jest chłodzony powietrzem czerpanym z domu.A system for heating a house with solar energy in the cold part of the year, which comprises a low-temperature solar collector (1) placed vertically near the house with its working surface directed south, and a heat storage connected thereto inside the house serving as a buffer, wherein the solar collector (1) is equipped with a movable screen (4) and is cooled by air drawn from the house.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest system do ogrzewania domu energią słoneczną w zimnej części roku, a więc przystosowany do pracy tylko i wyłącznie w zimie.The subject of the invention is a system for heating a house with solar energy in the cold part of the year, i.e. adapted to work only in winter.

Znane i powszechnie stosowane kolektory słoneczne zbierają energię słoneczną przez cały rok, przy czym olbrzymia większość tej energii przypada na okres letni i w konsekwencji konstrukcja kolektorów jest dostosowana do pracy w tym najbardziej wydajnym okresie. Jest w tym pewna sprzeczność, bowiem energii, a szczególnie ciepła, potrzebujemy najbardziej w zimie, a najwięcej do ogrzewania domów (energia do ogrzewania w zimie stanowi 40% całości energii zużywanej w Polsce).Known and commonly used solar collectors collect solar energy throughout the year, and the vast majority of this energy falls on the summer period and, consequently, the construction of the collectors is adapted to work in this most efficient period. There is a certain contradiction here, because we need energy, and especially heat, most in winter, and most for heating houses (heating energy in winter accounts for 40% of the total energy used in Poland).

Każdy znany system solarny, nawet dowolnie mało sprawny (byle o sprawności w zimie większej od zera) mógłby teoretycznie ogrzać dom gdybyśmy tylko dysponowali odpowiednio dużą powierzchnią dla kolektorów. W praktyce byłoby to jednak rozwiązanie ekonomicznie absurdalne. Fundamentalnym więc problemem związanym z kwestią pozyskania ze słońca wystarczającej ilości energii do ogrzewania domu w zimie jest znalezienie powierzchni dla kolektorów słonecznych, która byłaby wystarczająco duża, a jednocześnie akceptowalna kulturowo i ekonomicznie.Any known solar system, even any inefficient (as long as it is more efficient in winter than zero) could theoretically heat the house if we only had a sufficiently large area for collectors. In practice, however, this would be an economically absurd solution. The fundamental problem related to the issue of obtaining enough energy from the sun to heat a house in winter is finding a space for solar collectors that would be large enough, and at the same time culturally and economically acceptable.

Zwykle wykorzystywane są dla kolektorów wolne powierzchnie dachów. Rozwiązanie to jest dobre przy dużej wysokości słońca czyli w okresie letnim, lecz sprawność kolektorów umieszczonych na dachu jest nieakceptowalnie mała w zimie. Kolektory słoneczne bywają także umieszczane na południowych ścianach budynków, lecz rozwiązanie to jest trudne, ponieważ w tym przypadku kolektory bardzo mocno ingerują w architekturę domu. To rozwiązanie jest też bardzo ograniczone ilościowo ze względu na niewielką, zwykle zbyt małą dostępną powierzchnię.Usually, free roof surfaces are used for collectors. This solution is good at high sun altitude, i.e. in the summer period, but the efficiency of the collectors placed on the roof is unacceptably low in winter. Solar collectors are also placed on the southern walls of buildings, but this solution is difficult, because in this case the collectors greatly interfere with the architecture of the house. This solution is also very limited in quantity due to the small, usually too small, available space.

Celem wynalazku było opracowanie systemu do ogrzewania domu energią słoneczną w zimnej części roku, w którym wyżej opisane problemy zostałyby przynajmniej częściowo wyeliminowane. Celem wynalazku było więc opracowanie systemu, którego sprawność w okresie zimowym byłaby ekonomicznie akceptowalna i w którym kolektory słoneczne nie ingerowałyby w architekturę domu.The object of the invention was to develop a system for heating a house with solar energy in the cold part of the year in which the above-described problems would be at least partially eliminated. The aim of the invention was therefore to develop a system whose efficiency in winter would be economically acceptable and in which solar collectors would not interfere with the architecture of the house.

Według wynalazku opracowano system do ogrzewania domu energią słoneczną w zimnej części roku, który posiada niskotemperaturowy kolektor słoneczny, zawierający przewody do przepływu powietrza, umieszczony pionowo w pobliżu domu i skierowany swoją powierzchnią roboczą w kierunku południowym, oraz połączony z nim magazyn ciepła wewnątrz domu służący za bufor, przy czym kolektor słoneczny wyposażony jest w ruchomy ekran i jest chłodzony powietrzem czerpanym z domu.According to the invention, a system for heating a house with solar energy in the cold part of the year has been developed, which has a low-temperature solar collector with air flow ducts positioned vertically near the house and facing south with its working surface, and an interconnected heat store inside the house serving as buffer, the solar collector is equipped with a movable screen and is cooled by the air taken from the house.

System według wynalazku charakteryzuje się tym, że przewody do przepływu powietrza wykonane są z blachy pokrytej od zewnątrz niskoemisyjnym absorberem, a od wewnątrz powłoką wysokoemisyjną mającą współczynnik emisji większy niż 0,9, natomiast ruchomy ekran jest ekranem dwufunkcyjnym, połączonym z kolektorem, przy czym wspomniany ekran jest obrotowy wokół osi równoległej do dolnej krawędzi kolektora między położeniem, w którym odbija on światło słoneczne w kierunku powierzchni roboczej kolektora słonecznego, a położeniem pionowym, w którym zasłania powierzchnię roboczą kolektora słonecznego.The system according to the invention is characterized in that the air flow conduits are made of sheet metal covered on the outside with a low-emission absorber, and on the inside with a high-emission coating having an emission factor greater than 0.9, while the movable screen is a dual-function screen connected to the collector, said the screen is rotatable about an axis parallel to the lower edge of the collector between a position where it reflects sunlight towards the working surface of the solar collector and a vertical position where it obscures the working surface of the solar collector.

Korzystnie, kolektor słoneczny umieszczony jest na ogrodzeniu domu, ewentualnie stanowi ogrodzenie domu.Preferably, the solar collector is placed on the fence of the house, possibly constituting a fence of the house.

Zaletą systemu według wynalazku jest to, że kolektory słoneczne umieszczone są poza domem, w szczególności na ogrodzeniu domu, dzięki czemu mogą mieć bardzo dużą powierzchnię nie ingerując w architekturę domu. Jednocześnie nie zajmują one w ogóle dodatkowej powierzchni działki.The advantage of the system according to the invention is that the solar collectors are placed outside the house, in particular on the house fence, thanks to which they can have a very large surface without interfering with the house architecture. At the same time, they do not occupy any additional plot area.

Przykład wykonania systemu według wynalazku został przedstawiony na rysunkach, na których:An exemplary embodiment of the system according to the invention is shown in the drawings, where:

Fig. 1 przedstawia perspektywiczny widok zespołu domów z ogródkami, w których zastoso- wano system według wynalazku;Fig. 1 is a perspective view of a complex of houses with gardens in which the system according to the invention is applied;

Fig. 2 przedstawia przykładowy plan domu z systemem według wynalazku;Fig. 2 shows an exemplary floor plan of a house with a system according to the invention;

Fig. 3 przedstawia schematycznie strumień promieniowania słonecznego, bezpośredniego i odbitego padającego zimą na kolektory pionowe i pochylone pod kątem 45°;Fig. 3 schematically shows the direct and reflected solar radiation flux incident on the vertical collectors and inclined at an angle of 45 ° in winter;

Fig. 4a przedstawia schematyczny przekrój pionowy kolektora z ekranem w pozycji przystosowanej do pracy w zimie;Fig. 4a shows a schematic vertical section of the manifold with the screen in a position adapted for winter operation;

Fig. 4b przedstawia schematyczny przekrój pionowy kolektora z ekranem w pozycji złożonej w lecie;Fig. 4b shows a schematic vertical section of the collector with a screen in the folded position in summer;

Fig. 5 przedstawia schemat obiegu powietrza w systemie według wynalazku podczas pracy w zimie;Fig. 5 shows a diagram of the air circulation of the system according to the invention during winter operation;

Fig. 6 przedstawia w powiększeniu przekrojowy widok perspektywiczny fragmentu kolektora należącego do systemu według wynalazku.Fig. 6 shows, on a larger scale, a sectioned perspective view of a fragment of a manifold belonging to the system according to the invention.

PL 240 758 B1PL 240 758 B1

Na fig. 1 przedstawiony jest perspektywiczny widok zespołu domów w zabudowie zwartej z ogródkami, w których zastosowano system według wynalazku. Według zasad klasycznej urbanistyki najwłaściwsza i najczęściej stosowana dla zabudowy zwartej jest orientacja ulicy w kierunku PN-PD, która powoduje, że ogródki mają neutralną orientację ku wschodowi lub zachodowi. Tak ustawione domy nie mają ścian skierowanych na południe, ale ogrodzenia między ogródkami są bardzo dobrą i bardzo dużą wolną powierzchnią do wykorzystania dla kolektorów słonecznych pracujących w zimnej części roku. Co najważniejsze, tak ustawione kolektory, w tym typie zabudowy, nie naruszają przyzwyczajeń kulturowych - zwykle ogródki są rozdzielone identycznymi w gabarytach murkami czy płotami. W zespole domów widocznym na fig. 1 kolektory 1 stanowią części ogrodzenia, są umieszczone pionowo i skierowane powierzchnią roboczą na południe. Ewentualnie, tak ustawione kolektory mogą stanowić całe ogrodzenie, lub mogą być umieszczone na ogrodzeniach. Takie umieszczenie kolektorów skutkuje niezrównanie dużą gęstością powierzchni kolektorów w przeliczeniu na hektar gruntu terenów mieszkaniowych. Umieszczenie kolektorów (źródła energii cieplnej) tuż przy domu, czyli miejscu jej wykorzystania, jest warunkiem zastosowania kolektorów cieplnych, z natury najbardziej sprawnych, ale nie pozwalających na odległy przesył energii.Fig. 1 shows a perspective view of a group of houses built compactly with gardens, in which the system according to the invention has been applied. According to the principles of classical urban planning, the most appropriate and most often used for compact development is the orientation of the street towards PN-PD, which causes the gardens to have a neutral orientation to the east or west. Houses arranged in this way do not have south facing walls, but the fencing between the gardens is a very good and very large free space to be used for solar collectors working in the cold part of the year. Most importantly, collectors arranged in such a way, in this type of development, do not violate cultural habits - usually gardens are separated by walls or fences that are identical in size. In the group of houses shown in Fig. 1, the collectors 1 are part of the fence, they are placed vertically and with the working surface facing south. Alternatively, the collectors arranged in this way may constitute the entire fence, or they may be placed on fences. Such a location of the collectors results in an incomparably high density of the collectors' surface per hectare of land in residential areas. Placing the collectors (heat energy source) right next to the house, i.e. the place where it is used, is a prerequisite for the use of heat collectors, by nature the most efficient, but not allowing for remote energy transmission.

Fig. 2 przedstawia przykładowy plan domu z systemem według wynalazku. Pokazany jest kolektor słoneczny 1 umieszczony na ogrodzeniu, tak że jego powierzchnia robocza skierowana jest w kierunku południowym. Kolektor słoneczny 1 połączony jest przewodami powietrznymi 3, 3' z magazynem ciepła 2 znajdującym się wewnątrz domu. Ogrzewanie najpierw magazynu ciepła 2 jest korzystnie wobec bardzo nierównomiernego w czasie rozłożenia energii promieniowania słońca. Rolę magazynu ciepła 2 może pełnić np. „szafa wodna” czyli wydzielona z domu przestrzeń ok. 1-1,5 m² wypełniona umieszczonymi na pułkach butelkami z wodą. Najkorzystniejsze jest umieszczenie magazynu ciepła 2 w pokoju dziennym, czyli w największym pomieszczeniu domu, przylegającym do ogrodu i jego północnej granicy, na której znajduje się ogrodzenie zaopatrzone w kolektor słoneczny 1. Ze względu na zacienianie kolektorów najkorzystniejsze jest zastosowanie systemu według wynalazku w domach parterowych.Fig. 2 shows an exemplary plan of a house with a system according to the invention. The solar collector 1 is shown placed on the fence with its working surface facing south. The solar collector 1 is connected by air ducts 3, 3 'to a heat store 2 inside the house. The heating of the heat store 2 first is advantageous in view of the very uneven distribution of the energy of the solar radiation. The role of the heat storage 2 can be played, for example, by a "water closet", i.e. a space separated from the house, approx. 1-1.5 m ² , filled with water bottles placed on the shelves. The most advantageous is to place the heat store 2 in the living room, i.e. in the largest room of the house, adjacent to the garden and its northern border, on which there is a fence equipped with a solar collector 1. Due to the shading of collectors, it is most advantageous to use the system according to the invention in one-story houses.

Na fig. 3 pokazano schematycznie strumień promieniowania słonecznego, skierowany w jednym przypadku (lewa strona fig. 3) pod kątem 15° do poziomu, a w drugim przypadku (prawa strona fig. 3) pod kątem 30° do poziomu. Jak wynika ze schematu, w obu przypadkach, na kolektor umieszczony na dachu, np. pod kątem 45° do poziomu, pada tylko strumień bezpośredniego promieniowania słonecznego. Z kolei na kolektor pionowy zaopatrzony w ekran, który został rozłożony poziomo obok niego na ziemi, pada zarówno strumień promieniowania słonecznego bezpośredniego, jak i promieniowania odbitego od ekranu.Fig. 3 shows schematically the flux of solar radiation directed in one case (left side of Fig. 3) at an angle of 15 ° to the horizontal, and in the other case (right side of Fig. 3) at an angle of 30 ° to the horizontal. As shown in the diagram, in both cases, only the direct solar radiation stream falls on the collector placed on the roof, e.g. at an angle of 45 ° to the horizontal. In turn, the vertical collector equipped with a screen, which is placed horizontally next to it on the ground, receives both a stream of direct solar radiation and radiation reflected from the screen.

Oczywiste jest, że zimą, ze względu na bardzo niewielką wysokość słońca w tym okresie, znacznie korzystniejsze są kolektory o pionowej powierzchni roboczej niż kolektory umieszczone na pochylonej powierzchni dachów. Zasadnicze znaczenie dla efektywności systemu według wynalazku ma fakt, że pionowe kolektory słoneczne zaopatrzone w ekrany odbijające, w odróżnieniu od umieszczonych na dachach kolektorów pochylonych, wykorzystują promieniowanie odbite od ekranu. Szczególnie korzystny efekt występuje, gdy leży śnieg, zaś same kolektory są w pełni odporne na przysłanianie opadami śniegu.It is obvious that in winter, due to the very low height of the sun in this period, collectors with a vertical working surface are much more advantageous than collectors located on the inclined surface of roofs. Essential to the efficiency of the system according to the invention is the fact that vertical solar collectors provided with reflective screens, unlike inclined collectors on the roof, use the radiation reflected from the screen. Particularly beneficial effect occurs when there is snow, and the collectors themselves are fully resistant to being covered by snowfall.

Na fig. 4a pokazany jest schematyczny przekrój pionowy kolektora słonecznego 1 stanowiącego element systemu według wynalazku. Kolektor słoneczny 1, zaopatrzony jest w ruchomy ekran 4, połączony z kolektorem obrotowo, tak że można go obracać wokół osi równoległej do dolnej krawędzi kolektora. Ekran 4 może być np. zaczepiony przy dolnej krawędzi kolektora słonecznego 1 na hakach 1b. Dzięki takiemu mocowaniu ekran 4 można ustawić w położeniu rozłożonym pokazanym na fig. 4a, tak że odbija światło słoneczne w kierunku powierzchni roboczej 1a kolektora słonecznego 1. Takie położenie ekranu 4 stosowane jest w zimnej części roku, gdy kolektor słoneczny 1 pracuje.4a shows a schematic vertical section of a solar collector 1 forming part of a system according to the invention. The solar collector 1 is provided with a movable screen 4 which is pivotally connected to the collector so that it can be rotated about an axis parallel to the lower edge of the collector. The screen 4 can e.g. be hooked at the lower edge of the solar collector 1 on hooks 1b. Due to this fastening, the screen 4 can be placed in the unfolded position shown in Fig. 4a, so that it reflects sunlight towards the working surface 1a of the solar collector 1. This position of the screen 4 is used in the cold part of the year, when the solar collector 1 is in operation.

Na fig. 4b pokazany jest schematyczny przekrój pionowy kolektora słonecznego 1 z ekranem 4 w położeniu pionowym, tak że zasłania powierzchnię roboczą la kolektora słonecznego 1. W tym celu przy górnej krawędzi kolektora słonecznego 1 można przewidzieć haki 1c. Takie położenie ekranu 4 stosowane jest w ciepłej części roku, gdy kolektor słoneczny 1 nie pracuje. Ekran 4 może być wykonany np. z plandeki. Korzystne jest by widoczna podczas pracy w zimie powierzchnia 5 ekranu miała duży współczynnik odbicia promieni słonecznych. Może to być biała plandeka lub lepiej plandeka pokryta warstwą lustrzaną. Zastosowanie w tym celu materiałów powszechnie stosowanych na banery rekla4b shows a schematic vertical section of the solar collector 1 with the screen 4 in a vertical position so that it covers the working surface 1a of the solar collector 1. For this purpose, hooks 1c can be provided at the upper edge of the solar collector 1. This position of the screen 4 is used in the warm part of the year, when the solar collector 1 is not working. The screen 4 can be made e.g. of a tarpaulin. It is preferable that the screen surface 5 visible during winter operation has a high solar reflectance. It can be a white tarpaulin or better a tarpaulin covered with a mirrored layer. The use of materials commonly used for advertising banners for this purpose

PL 240 758 B1 mowe pozwala na nadrukowanie na widocznej latem powierzchni 6 dowolnych wzorów np. roślin pnących, sztachet płotu, faktury muru itp., co istotnie zmniejsza nietypowość wyglądu takiego ogrodzenia i ułatwia jego akceptację.It allows printing 6 any patterns, e.g. climbing plants, fence railings, wall texture etc. on the surface visible in summer, which significantly reduces the unusual appearance of such a fence and facilitates its acceptance.

Fig. 5 przedstawia schemat obiegu powietrza w systemie według wynalazku podczas pracy w zimie. Strzałkami wskazano kierunki przepływu powietrza - chłodnego z domu, przewodami 3 do kolektora 1 i ciepłego z kolektora 1 przewodami 3' do domu. Ruch powietrza w systemie według wynalazku wywołują wentylatory 7 umieszczone w przewodach 3, 3'.Fig. 5 shows a diagram of the air circulation of the system according to the invention during winter operation. The arrows indicate the directions of air flow - cool from the house, through pipes 3 to collector 1 and warm from collector 1, through pipes 3 'to the house. The air movement in the system according to the invention is caused by fans 7 placed in the ducts 3, 3 '.

Fig. 6 przedstawia w powiększeniu przekrojowy widok perspektywiczny fragmentu przykładowego kolektora słonecznego 1 należącego do systemu według wynalazku. Rury 8 do przepływu powietrza w przykładowym kolektorze słonecznym 1 mają przekrój prostokątny, wykonane są z blachy aluminiowej pokrytej z zewnątrz warstwą niskoemisyjnego absorbera 9, natomiast od środka warstwą wysokoemisyjną 10. Niskoemisyjny absorber 9 może stanowić np. warstwa Tinox, zaś wysokoemisyjną powłoka wewnętrzna może być tak wykonana, by miała współczynnik emisji większy niż 0,9. Na fig. 6 pokazane są kanały powietrzne, czyli rury 8, warstwa izolacji termicznej 11 oraz szyba stanowiąca powierzchnię roboczą 1a kolektora słonecznego 1. Elementy kolektora słonecznego 1 umocowane są do elementu konstrukcyjnego 12. Powierzchnia robocza 1a kolektora słonecznego 1 zastosowanego w systemie według wynalazku skierowana jest w kierunku południowym.Fig. 6 shows, on an enlarged scale, a sectional perspective view of a fragment of an exemplary solar collector 1 belonging to the system according to the invention. The pipes 8 for the air flow in the exemplary solar collector 1 have a rectangular cross-section, are made of aluminum sheet covered with a layer of low-emission absorber 9 on the outside, and with a high-emission layer 10 on the inside. made to have an emission factor greater than 0.9. Fig. 6 shows air ducts, i.e. pipes 8, a thermal insulation layer 11 and a pane constituting the working surface 1a of the solar collector 1. The elements of the solar collector 1 are attached to the structural element 12. The working surface 1a of the solar collector 1 used in the system according to the invention is directed towards is towards the south.

Szczególną cechą domów ogrzewanych energią słoneczną jest ich bezemisyjność w dni natężonego smogu, co wynika z silnej korelacji: największy smog jest w mroźne, ale wyżowe i słoneczne dni. Dla niskotemperaturowych kolektorów słonecznych jest to czas najefektowniejszej pracy, w takie dni bezemisyjne są nawet te domy, które w skali całego sezonu uzyskują tylko 30% ciepła ze słońca.A special feature of houses heated by solar energy is their zero emission on days of intense smog, which results from a strong correlation: the greatest smog is on frosty, but high and sunny days. For low-temperature solar collectors, this is the time of the most effective work, on such days, even those houses that receive only 30% of heat from the sun during the entire season are emission-free.

W klimacie Polski systemy według wynalazku z kolektorami umieszczonymi na ogrodzeniach mogą dostarczyć do domu rocznie ponad 200 kWh z 1 metra kwadratowego kolektora. Jaką część całego zapotrzebowania domu na ciepło może stanowić ta energia zależy od stosunku powierzchni kolektorów do wielkości całego zapotrzebowania domu na ciepło. Jeśli jest on niewielki, dom może ze słońca czerpać całość energii cieplnej potrzebnej zimą (przy odpowiednio dużym magazynie ciepła). Tak więc, system według wynalazku, przeznaczony do pracy tylko w zimie, może zastąpić w naszym klimacie centralne ogrzewanie domów.In the Polish climate, the systems according to the invention with collectors placed on fences can deliver over 200 kWh per year from 1 square meter of collector. How much of the total heat requirement of the house this energy can represent depends on the ratio of the collectors area to the total heat demand of the house. If it is small, the house can draw from the sun all the thermal energy needed in winter (with a sufficiently large heat store). Thus, the system according to the invention, intended to work only in winter, can replace central heating of houses in our climate.

Claims

1.A system for heating the house with solar energy in the cold part of the year, having a low temperature solar collector (1) with air flow ducts (8) placed vertically near the house and facing south with its working surface (1a) and connected to it a heat storage (2) inside the house serving as a buffer, the solar collector (1) is equipped with a movable screen (4) and is cooled by the air taken from the house, characterized in that the air flow conduits (8) are made of sheet metal covered with from the outside with a low-emission absorber (9), and from the inside with a high-emission coating (10) having an emission factor greater than 0.9, while the movable screen (4) is a dual-function screen connected to the collector (1), said screen (4) being rotating about an axis parallel to the lower edge of the collector (1) between the position where it reflects sunlight towards the working surface (1a) of the solar collector and the vertical position, in which it covers the working surface (1a) of the solar collector (1).

2. The system according to p. The solar collector (1) as claimed in claim 1, characterized in that the solar collector (1) is placed on the fence of the house, or it is possibly a fence of the house.