Category Archives: ИСУ

ИЗГОТОВЛЕНИЕ И МОНТАЖ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

Коллекторы солнечной энергии, как правило, изготов­ляются в заводских условиях, а на месте они монтиру­ются на опорной конструкции. Однако простые коллек-

торы можно изготовить собственными силами, хотя сле­дует иметь в виду, что их эффективность будет не слиш­ком высокой. Основным элементом солнечного коллек­тора является абсорбер, т. е. лучепоглощающая поверх­ность. Конструктивное выполнение абсорберов различных типов для жидкостных и воздушных коллекторов пока­зано на рис. 10 и 11. В жидкостных коллекторах наибо­лее часто используется лучепоглощающая поверхность, представляющая собой ряд трубок небольшого диаметра (10—15 мм), соединенных с плоским ребром (листом). Трубки могут располагаться сверху, снизу или в плоско­сти листа. Трубки присоединяются к верхнему и нижне­му гидравлическим коллекторам. В других конструкциях используются соединенные между собой плоский и гофри­рованный листы с каналами для теплоносителя либо штампованный абсорбер. В воздушных коллекторах лу — чевоспринимающая поверхность обычно представляет со­бой плоский лист с оребрением или без него, омываемый потоком воздуха снизу, сверху или с обеих сторон.

Для эффективной и надежной работы коллектора в те­чение длительного срока важное значение имеет правиль­ный выбор материала для изготовления абсорбера, о чем говорилось выше. Не менее важно обеспечить хороший тепловой контакт между трубками и оребрением. Ребро может быть приварено, припаяно и присоединено к труб­кам с помощью хомутиков или пружинящих прижимов. Конечно, наилучший способ соединения — сварка или пайка. Способ и качество соединения трубок для тепло­носителя е лучепоглощающим листом сильно влияют на его тепловую эффективность, которая зависит от многих конструктивных факторов.

Корпус коллектора должен быть герметичным и не должен допускать утечки теплоносителя и попадания вла­ги и пыли внутрь коллектора. Для этого остекление долж­но быть надежно уплотнено. Примеры конструктивного выполнения уплотнения узлов соединения лучепоглоща — ющей поверхности н остекления с корпусом показаны на рис. 73.

На рис. 73, а показана конструкция уплотнения двух­слойного остекления жидкостного солнечного коллектора. Стекло уплотняется с помощью П-образной прокладки из силиконовой резины. Для обеспечения необходимого воз­душного зазора толщиной 15—25 мм между слоями ос­текления используется деревяввая или пластмассовая

вставка. При сборке коллектора остекление зажимается между деталью корпуса коллектора и прижимной крыш­кой. Форма этих двух деталей обеспечивает фиксацию их взаимного расположения и положения остекления. Они соединяются с помощью винтов.

На рис, 73, б показан вариант крепления солнечного коллектора на крыше дома. Коллектор содержит луче — поглощающую поверхность с трубами для теплоносителя,

image102

Рис. 73. Конструкция уплотнения двухслойного остекления (а) и крепления солнечного коллектора (б) на крыше дома:

а: I — стекло; 2 — уплотнение: 3 — вставка: 4 — корпус коллектора; S — крыш­ка: 6 — винтовое соединение; б: і — абсорбер; 2 — теплоизоляция: 3 — стекло; 4 — уплотнение; S — штампованная деталь: 6 — накладка; 7 —винтовое соеди­нение; 8 — балка; 9 — стропило; 10 — покровный материал крыши; // — доска; 12 — уголок; S3 — винтовое соединение

теплоизоляцию и однослойное остекление. Стекло поме­щается между двумя резиновыми прокладками на полке фигурной детали корпуса и прижимается с помощью на­кладки и винтового соединения. Коллектор крепится к строительной конструкции крыши, включающей дере­вянную балку и стропило. Покровный материал крыши закрепляется на досках с уплотнительными уголками и резьбовым соединением.

image103 image104

На рис. 74 представлены схемы подвода и отвода жид­кого теплоносителя в коллектор, абсорбер которого вы­полнен из ряда трубок (а и б) или из змеевика (в). Со­единение по схеме б менее удачно, чем по схеме а, так

Рис. 74. Схемы соединения труб в КСЭ:

а — Z-образная схема; б — центральный подвод и отвод воды; в — змеевик

как не обеспечивает равномерного распределения жидко­сти по трубкам. В змеевике (схема в) должен быть ук­лон, обеспечивающий вытеснение воздуха при его запол­нении водой.

Конструктивное исполнение жидкостного штампован­ного коллектора показано на рис. 75. Коллектор может иметь большие размеры, и в нем предусмотрен уклон верхнего и нижнего гидравлических коллекторов для удаления воздуха. Толщина листа 1—1,5 мм, площадь поперечного сечения канала для теплоносителя 10X2 мм, а размеры сечения гидравлических коллекторов 25X3 мм.

Коллектор солнечной энергии может содержать не­сколько отдельных модулей, соединенных параллельно. Для обеспечения равномерного распределения жидкого теплоносителя необходимо использовать схемы соедине­ния, показанные на рис. 76, а и б, или устанавливать на

Рис. 75. Конструкция штампо-
ванного жидкостного солнечно-
го коллектора:

image105

image106

1 — остекленный теплоизолирован-
ный корпус; 2 — канал для тепло-
носителя; 3 — подвод теплоноси-
теля; 4 — отвод теплоносителя

бивается на несколько подмассивов, состоящих из опре­деленного числа рядов, включающих по пять—десять модулей. На рис. 77 показан подмассив из 50 модулей КСЭ, разделенный на десять рядов по пять модулей в каждом.

Коллекторы солнечной энергии могут быть установ­лены на крыше дома, на земле, на козырьке над окном или на навесе для автомобиля (рис. 78). Целесообразно устанавливать коллектор в плоскости наклонной крыши в случае, если углы наклона крыши и КСЭ совпадают.

При монтаже КСЭ на горизонтальной крыше К. СЭ уста­навливают на опорной конструкции, обеспечивающей оптимальный угол наклона. Коллектор может служить ограждением балкона (рис. 79) или быть частью стены.

Подпись: ГВ ГВ Рис. 77. Схемы параллельного соединения плоских fa) и вакуумиро- ванных (б) солнечных коллекторов:

Возможны различные варианты размещения солнеч-

І — нодуль КСЭ; 2 — трубопровод холодной воды; 3 — ответвление к группе КСЭ; 4 — сборный трубопровод горячей воды; 5 — общий трубопровод горячей

воды

ного коллектора на крыше (рис. 80). Коллектор совме­щается с южным склоном крыши (а), составляет часть южной стены (б), размещается вертикально за стеклян­ной частью крыши (в) или устанавливается на опорах на крыше и на балконе (г). Вариант а используется для горячего водоснабжения, остальные — для отопления, так как в системе отопления угол наклона коллектора должен быть большим. Для увеличения поступления солнечного излучения на коллектор применяется плос­кий отражатель (б иг). Бак аккумулятор для горячей воды может размещаться на чердаке.

Совмещение коллектора с крышей дает следующие

image108

Рис. 78. Варианты установки солнечных коллекторов:

о —на земле; б — на крыше дома; в — на навесе для автомобиля; г — как

часть стены

преимущества: удешевляется строительство, так как кол­лектор заменяет крышу и не требуется специальная опор­ная конструкция; снижаются теплопотери коллектора, так как его нижняя поверхность и соединительные трубы не контактируют с наружным воздухом, однако усложня­ются монтаж и ремонт. Недостатком является также то, что угол наклона крыши может не совпадать с оптималь­ным углом наклона коллектора. При свободной установ­ке коллектора или гелиоустановки в целом облегчается монтаж и ремонт, обеспечивается оптимальная ориента­ция и наклон коллектора, но требуется устойчивая опор­ная конструкция, а это повышает стоимость строитель­ства, увеличивает теплопотери от коллектора и труб и при этом не всегда удается удовлетворить эстетичес­кие требования при размещении гелиоустановки на кры­ше дома.

При прохождении труб через крышу или стену отвер­стия должны быть тщательно уплотнены. Осуществляя

image109

Рис. 79. Солнечные коллекторы — ограждение балкона

монтаж КСЭ, следует соблюдать меры предосторожно­сти, чтобы не повредить остекление.

На рис. 81 показан пример расположения солнечно­го коллектора на крыше жилого дома. Обращает на себя внимание рациональное архитектурное решение, обеспе­чивающее хорошее эстетическое восприятие гелиосис­темы.

Крыша должна выдерживать вес гелиоустановки. Для уменьшения локальной нагрузки под ножки опорной конструкции подкладывают настил или швеллеры. При

image110

Рис. 80. Варианты размещения солнечного коллектора на крыше:

а — совмещение с кровлей; б — на южной стене с отражательной поверхно­стью; в — на чердаке с остекленной крышей; г — на опорной конструкции и на балконе; / — коллектор; 2 — бак-аккумулятор; 3 — отражательная поверх­ность; 4 — остекленная крыша; 5—ограждение балкона

необходимости несущая способность крыши должна быть усилена. Гелиоустановка должна быть надежно закреп­лена с помощью проволочных растяжек, анкерных болтов (заделанных в бетонное основание), чтобы она могла выдерживать ветровую нагрузку. Размещать гелиоуста­новку следует ближе к коньку в центре крыши. Все от­верстия для труб должны быть тщательно уплотнены, чтобы в дом не попадала влага.

image111

Рис. 81. Жилой дом с солнечными коллекторами на крыше

Современная тенденция состоит в разработке коллек­торов с малой удельной массой и хорошими оптико-теп­лотехническими характеристиками. При этом легко осу­ществляется их монтаж. Примером может служить кол­лектор МЕГА, разработанный совместно Швецией и Канадой. Особенностью коллектора является применение сворачиваемого в рулон абсорбера, представляющего со­бой медную трубку с алюминиевым ребром с селектив­ным покрытием. Он может иметь большие длину (до 100 м) и поверхность (до 250 м2). На место монтажа сол­нечной установки абсорбер поставляется в виде рулона, а там он «разматывается» и монтируется в корпусе. Тех­нология монтажа демонстрируется на рис. 82. Вначале (/) анкерными болтами закрепляют опорную конструк­цию и подкладывают резиновую надувную подушку под корпус коллектора. Затем на закрепленный в корпусе слой тепловой изоляции укладывают разматываемые по-

image112

image113

Рис. 82. Монтаж крупномасштабного солнечного коллектора

лосы абсорбера, которые предварительно «раздувают». На этом же этапе (2) производят механическое соеди­нение медных трубок абсорбера с гидравлическими кол­лекторами. После этого с помощью _ сжатого воздуха (1 МПа) раздувают все трубки абсорбера до их полного размера в поперечном сечении (5). Па следующем этапе (4) устанавливают остекление, при этом используют ли­сты размером 1,2X1.2 м. Накачивают (5). резиновые ка­меры, поднимающие коллектор до такого положения, ко­торое соответствует оптимальному углу наклона для данной местности. Устанавливают постоянную, опорную конструкцию и убирают надувные подушки (6).

Описанная прогрессивная технология обеспечивает высокую производительность труда монтажников — трое рабочих за день могут собрать 125 м2 коллектора, име­ющего длину 50 м. Единичный модуль размером 2,5>< Х3<2 м поступает е завода в собранном виде (кроме аб­сорбера и остекления), имеет массу 50 кг, поэтому его легко устанавливать двум рабочим.

Эти коллекторы имеют следующие преимущества: ма­лую удельную массу, отнесенную к 1 м2 площади поверх­ности коллектора; отличные оптико-теплотехнические ха­рактеристики: эффективный оптический КПД, который равен 0,746, коэффициент теплопотерь 3,68 Вт/ (м2• К), высокую надежность. В этой конструкции исключается 75—80 % наружных соединений труб, благодаря чему снижаются теплопотери и исключаются затраты на мон­таж, тепло — и гидроизоляцию трубопроводов. При темпе­ратуре теплоносителя до 60 °С можно использовать не­большое количество теплоизоляционного материала, а при более высокой температуре требуется система подав­ления конвекции воздуха в з|зоре между лучепоглоща — ющей поверхностью и остеклением Коллектора. Стои­мость коллектора ниже, чем коллекторов стандартных конструкций, и соответственно меньше срок окупаемости. Еще одной особенностью этого коллектора является ис­пользование легковесной опорной конструкции.

Существенно повышает КПД коллектора наряду с применением селективных покрытий также использо­вание прозрачной гофрированной вставки между одно­слойным остеклением и селективным абсорбером и отра­жательной пленки (фольги) над слоем теплоизоляции ‘(рис. 83). Вставка предназначена для снижения конвек­тивных теплопотерь и изготовлена из фторированного
полимера (пленка толщиной 0,025 мм), имеющего про — пускательную способность 0,98. Абсорбер изготовлен из нержавеющей стали и имеет селективное покрытие. Эф­фективный оптический КПД коллектора равен 0,79, а ко­эффициент теплопотерь 3,3 Вт/(м2-К).

Солнечные коллекторы из полимерных материалов. Дешевые высокоэффективные и надежные плоские сол­нечные коллекторы могут быть изготовлены с широким

Подпись: Рис. 84. Складывающийся жидко-стный коллектор большой длины: Подпись: 1 — абсорбер; 2 — отражатель; «? — полимерная пленка; 4 — теплоизоля- ция; 5 — наружная полимерная плен- ка; 6 — автопокрышка _________ 2________ __

/VWWW

’мш:

Рис. 83. Высокоэффектив-
ный солнечный коллектор с
низкими конвективными
теплопотерями:

1 — прозрачная гофрированная вставка; 2 — остекление; 3 — абсорбер: 4 — отражательная

пленка; 5 — теплоизолирован-
ный корпус

использованием тонких полимерных пленок и пеноплас­тов. Масса КСЭ может быть доведена до 2,5 кг на 1 м2 лучепоглощающей поверхности.

Конструкция КСЭ содержит всего четыре элемента: абсорбер с селективным покрытием, алюминиевую штам­пованную раму, пенопластовую теплоизоляцию и внеш­нюю оболочку из полимерной пленки, приклеенной краме.

Один и тот же элемент выполняет несколько функций. Пленка, служащая прозрачной изоляцией, одновременно обеспечивает подавление конвекции воздуха. Нижняя пленка защищает коллектор от воздействия внешней сре­ды. Обе эти пленки работают на растяжение. В то же время пенопласт, служащий тепловой изоляцией, работа­ет на сжатие.

При рациональном выборе полимерных материалов обеспечивается такая конструкция КСЭ, которая отли­чается высокой эффективностью и хорошими прочностны-
ми характеристиками при малой массе. КСЭ способен выдерживать силу ветра в 5 м/с и более.

Полимерная пленка предварительно термически де­формируется, благодаря чему она образует элементы, работающие на растяжение. В сочетании с жесткой пено­пластовой теплоизоляцией образуется конструкция КСЭ, подобная конструкции предварительно напряженного крыла самолета.

Селективная поглощательная способность абсорбера зависит от толщины пленки. По сравнению со стеклом полимерная пленка лучше пропускает солнечное излуче­ние.

Совершенствование конструкции КСЭ позволит повы­сить его КПД при сравнительно невысокой равновесной температуре, благодаря чему тепловое напряжение ма­териалов абсорбера уменьшится и значительно снизится стоимость при широком выборе полимеров.

На рис. 84 показана конструкция дешевого жидкост­ного КСЭ, который может применяться в гелиосистемах горячего водоснабжения, отопления, опреснения морской воды и т. п. Коллектор содержит абсорбер с каналами для теплоносителя, отражатель, два слоя полимерной пленки с сеткой между ними, теплоизоляцию, защищен­ную полимерной пленкой. Под коллектор подкладывают старые автопокрышки. Коллектор имеет малую массу, его длина может достигать 50 и 100 м. Он может. достав­ляться в рулонах. На месте рулон разворачивают и го­товый коллектор устанавливают на отведенной площад­ке. Стоимость коллектора весьма низкая, кроме того, он прост в эксплуатации, КПД его может достигать 75 %. При длине секции КСЭ 100 м и расходе воды 3 л/с тем­пература воды повышается на 40 °С при плотности по­глощенного потока солнечной радиации 500 Вт/м2, а па­дение давления составляет всего 5 кПа на 100 м длины.

Дешевые воздушные коллекторы могут быть изготов­лены на месте. В частности, часть крыши здания или его стены может быть использована как абсорбер (метал­лический лист), сверху защищенный стеклом, а снизу омываемый потоком воздуха. Другой вариант воздушно­го солнечного коллектора можно самим изготовить, ис­пользуя недорогие и доступные материалы. Корпус кол­лектора изготовляется из фанеры или тонких досок, на дно ящика укладывается слой теплоизоляции толщиной 50—75 мм (минеральная вата или пенопласт), сверху на
него кладется отражательная пленка (фольга), затем в наклонном положении по диагонали закрепляется ме­таллическая сетка, предварительно окрашенная в черный матовый цвет. На сетку кладут небольшой слой (5— И) мм) зачерненной стружки черного металла. Подвод холодного воздуха осуществляется через патрубок 6, а отвод нагретого воздуха — через патрубок 7. Сверху коллектор имеет остекление (рис. 85). Нагрев воздуха солнечной энергией осуществляется при его движении через слой стружки на сетке, который поглощает солнеч­ную энергию. Внутренняя поверхность коллектора долж­на быть покрашена матовой черной краской. Необходимо обеспечить герметичность канала, по которому движется воздух.

Подпись: 8 4 5 ^ 2 J ■ f> Рис. 85. Воздушный солнечный коллектор матричного типа:

1 — Ropjiyc; 2 — теплоизоляция? З — отражательная пленка; 4 — сетка; 5 —стружка; € — подводи* щий патрубок; 7 — отводящий па­трубок; 8 — остекление

Изготовление и установка аккумулятора теплоты.

Бак-аккумулятор горячей воды должен изготовляться промышленным способом. Водяной бак-аккумулятоо теплоты может быть изготовлен из листовой стали, асбо­цементного стекловолокна, бетона, а бункер галечного аккумулятора — из бетона или дерева с металлической обшивкой. Следует иметь в виду, что асбоцементный бак выдерживает температуру не выше 80 °С.

Резервуар должен иметь внутреннее защитное по­крытие. Основание аккумулятора может быть выполнено из бетонной плиты или залито при строительстве фунда­мента дома. Толщина тепловой изоляции составляет от 75 до 300 мм.

Трубопроводы и теплообменники для солнечных ус­тановок. Расход воды в солнечных установках может из­меняться от 30 до 100 л/ч на 1 м2 лучепоглощающей по­верхности КСЭ, точнее, 30—40 л/ч для водонагревате­лей с естественной циркуляцией воды, 40—60 л/ч для установок отопления и горячего водоснабжения с прину­

дительной циркуляцией, 70—100 л/ч для установок, ис­пользуемых в плавательных бассейнах. При использова­нии антифриза, теплоемкость которого на 20 % ниже, чем воды, расход должен быть больше на 20 %. Скорость теплоносителя в трубопроводах должна быть равной 0,5—1м/с. Диаметр трубопроводов можно определить по полезной мощности коллектора. Так, при КПД коллек­тора 0,5, плотности потока солнечной энергии 800 Вт/м2 и разности температур воды в КСЭ 10 °С расход теплоносителя равен 0,5-800/(1,16* 10) =41,3 кг/(м*-ч). При площади поверхности КСЭ 20 м2 и скорости воды 1 м/с площадь поперечного сечения трубопровода соста­вит 41,3-20/(1 -3600* 103) =2,29-10-4 м2 и его диаметр бу­дет равен]/ 4 • 0,000229/л=0,017 м. Скорость воды в во­донагревателях с естественной циркуляцией равна 0,05— 0,1 м/с. Тогда при площади КСЭ 10 м2, удельном рас­ходе воды 30 л/ (м2-ч) и скорости 0,1 м/с диаметр труб составит 32,6 мм.

Скорость воздуха в воздуховодах принимается до 3 м/с. Удельная объемная теплоемкость воздуха в 3500 раз меньше, чем воды, и соответственно объемный рас­ход воздуха в КСЭ составит 50—300 м8/ч на 1 м2 пло­щади поверхности КСЭ. Диаметр воздуховодов в 30 раз больше диаметра трубопроводов для воды.

Теплопотери от трубопроводов существенно умень­шаются при применении теилоизоляции. Так, при диа­метре трубы ’20 и 48 мм без теплоизоляции теплопотери при разности температур воды и наружного воздуха 40 °С составляют 27 и 57 Вт на 1 м длины трубы, а при применении теплоизоляции с коэффициентом теплопро­водности 0,035 Вт/(м-К) и толщине 40 мм — 5,2 и 7,7 Вт соответственно.

Трубопроводы следует прокладывать по кратчайше­му пути между КСЭ, аккумулятором теплоты и потреби­телем в сухих местах с обязательным применением теп­лоизоляции и обеспечением возможности удлинения.

При разности температур 100 °С удлинение составля­ет для стекла 0,45 мм/м, плексигласа 3,5, поливинилхло­рида 3,8, полиэтилена 10, стали 1,2, меди 1,7, алюминия 2,4 мм/м.

Для передачи теплоты из КСЭ в аккумулятор исполь­зуется теплообменник — это может быть змеевик внутри бака-аккумулятора, или рубашка вокруг его наружной поверхности, или отдельный противоточный теплообмен-

 

image117

 

 

image118

САЧ

 

{жНЗ~

 

ОП

 

Котел

 

J—г

 

ОН 3 HJL 3

 

ок 3 рд Уй

ККхыхь«Дя

 

*1

 

РВ

 

д.

 

image119

ник. Коэффициент теплопередачи К составляет 300— 400 Вт/(м2-°С) для рубашки, 500—900 для гладкотруб­ного змеевика в неподвижной жидкости, 1000—2000 Вт/ /(м2*°С) для противоточного теплообменника, а для воз­душного теплообменника /С=12-н20 Вт/(м2>°С). При средней разности температур теплоносителей 8 °С плот­ность передаваемого теплового потока составляет для указанных теплообменников 2,4—3,2; 4—7,2; 8—16 и 0,096—016 кВт/м2. Для нетеплоизолированного трубо­провода коэффициент теплопотерь составляет 10 Вт/ / (м2-°С).

Теплообменник для передачи теплоты из аккумуля­тора к потребителю обычно имеет большие размеры но сравнению с теплообменником в контуре солнечного кол­лектора, и поэтому в большинстве случаев (кроме не­больших установок) используются отдельные теплооб­менные аппараты противоточного типа.

При использовании воздушных коллекторов для на­грева воды требуется пластинчатый теплообменник типа воздух — вода, в этом случае обязательно применение ребер со стороны воздуха, так как теплообмен там про­исходит весьма неинтенсивно и коэффициент теплопере­дачи от воды к воздуху составляй[3] 16—-15 Вт/(м2*°С).

На рис. 86 показана схема солнечной установки ото­пления и горячего водоснабжения с необходимой арма­турой и измерительными; приборами. Для удаления воз­духа в верхней точке установлен воздушник В, из ниж­них точек предусмотрен слив жидкости через дренажные вентили Д, на линии горячей воды установлен пре­дохранительный клапан 17, на линии возврата теплоно — носителя в КСЭ имеются запорные краны 3 (до и после насоса Я), расширительный бак РБ и обратный клапан ОК, на линии подачи водопроводной воды устанавлива­ются регулятор давления РД, запорный кран 3, обрат­ный ОК и предохранительный П клапаны. Включение и выключение насоса происходит автоматически по раз­ности температур в КСЭ и аккумуляторе. На схеме так­же показаны система автоматического управлення (САУ), отопительные приборы (ОП), измерительные приборы— манометр М и термометры Т, линии холод­ной (ХВ) «горячей (ГВ) воды.

Работает ли гелиоустановка зимой?

Да. Но зимой поступление солнечной энергии невели­ко, продолжительность инсоляции короткая, а угол па­дения солнечных лучей мал. При этом КПД гелиоуста­новки низкий, а тепловая нагрузка отопления велика. Поэтому солнечная установка может обеспечить лишь небольшую долю всей тепловой нагрузки. Требуется до­полнительный источник теплоты — котел на обычном топливе. Наиболее эффективны зимой коллекторы, рас­положенные на вертикальных поверхностях или имею­щие большой угол наклона. Для защиты от замерзания используется антифриз.

Солнечный пруд

В солнечном пруду происходит одновременно улавли­вание и накапливание солнечной энергии в большом объеме жидкости. Обнаружено, что в некоторых естест­венных соленых озерах температура водЬҐу, дна может достигать 70 °С. Это обусловлено высокой концентраци­ей соли. В обычном водоеме поглощаемая солнечная энергия нагревает в основном поверхностный слой и эта теплота довольно быстро теряется, особенно в ночные часы и при холодной ненастной погоде из-за испарения воды и теплообмена с окружающим воздухом. Солнечная энергия, проникая через всю массу жидкости в солнеч­ном пруду, поглощается окрашенным в темный цвет дном и нагревает прилегающие слои жидкости, в результате чего температура ее может достигать 90—100 °С, в то время как температура поверхностного слоя остается на уровне 20 °С. Благодаря высокой теплоемкости воды в солнечном пруду за летний сезон накапливается боль­шое количество теплоты, и вследствие низких тепловых потерь падение температуры в нижнем слое в холодный период года происходит медленно, так что солнечный пруд служит сезонным аккумулятором энергии. Теплота к потребителю отводится из нижней зоны пруда.

Схема солнечного пруда и график изменения темпе­ратуры по его глубине даны на рис. 23. Обычно глубина пруда составляет 1—3 м. На 1 м2 площади пруда тре­

буется 500—1000 кг поваренной соли, ее можно заменить хлоридом магния.

Подпись: 1 2 3 Ч оО Рис. 23. Схема солнечного пруда (а) я изменение температуры (б) жидкости но высоте пруда:
image036

Наиболее крупный из существующих солнечных прудов нахо­дится в местечке Бейт-Ха-Арава в Израиле. Его площадь составляет 259000 м2. Он используется для производства электроэнергии. Элек­трическая мощность энергетической установки, работающей по цик­лу Ренкина, равна 5 МВт. Себестоимость 1 кВт-ч электроэнергии значительно ниже, чем на СЭС других типов. Удельная стоимость самого пруда составляет 24 руб/м2, а при площади в 1 млн. м* — всего в руб/м2.

1 — пресная вода; 2 — изолирующий слой с увеличивающейся кинзу концент-
рацией; J — слой горячего раствора; 4 — теплообменник

Описанный эффект достигается благодаря тому, что по глубине солнечного пруда поддерживается градиент концентрации соли, направленный сверху вниз, т. е. весь объем жидкости как бы разделен на три зоны, концент­рация соли в которых возрастает от поверхости к дну. Верхний тонкий слой (10—20 мм) практически пресной воды граничит с неконвективным слоем жидкости боль­шой толщины, в котором концентрация соли по глубине постепенно увеличивается и достигает максимального значения на нижнем уровне. Толщина этого слоя состав­ляет 2/з общей глубины водоема. В нижнем конвектив­ном слое концентрация солн максимальна и равномерно распределена в объеме жидкости. Итак, плотность жид­кости максимальна у дна пруда и минимальна у его по­верхности в соответствии с распределением концентра­ции соли. Солнечный пруд служит одновременно коллек­тором и аккумулятором теплоты и отличается низкой стоимостью по сравнению с обычными коллекторами сол-
вечной энергии. Отвод теплоты из солнечного пруда мо­жет осуществляться либо посредством змеевика, разме­щенного в нижнем слое жидкости, либо путем отвода жидкости из этого слоя в теплообменник, в котором цир­кулирует теплоноситель. При первом способе меньше на­рушается температурное расслоение жидкости в пруду, но второй способ теплотехнически более эффективен и экономичен.

Солнечные пруды могут быть использованы в гелио­системах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах кондиционирования воздуха абсорб­ционного типа, для производства электроэнергии.

Глава третья

СОЛНЕЧНЫЕ УСТАНОВКИ КОММУНАЛЬНО-БЫТОВОГО
НАЗНАЧЕНИЯ

СОЛНЕЧНЫЕ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

На отопление, горячее водоснабжение и кондициони­рование воздуха в жилых, общественных и промышлен­ных зданиях расходуется 30—35 % общего годового энер­гопотребления.

Наиболее крупная солнечная система теплоснабжения в СССР построена в пансионате в г. Кастрополе (Крым), там суммарная площадь 1850 солнечных коллекторов’ равна 1600 м2. В целом по стране введено в действие более 50 демонстрационных и опытных солнечных уста­новок теплохолодоснабжения с суммарной площадью поверхности коллекторов более 10 000 м2. Стоимость плоских Солнечных коллекторов 50—75 руб. в расчете на 1 м2 площади лучевоспринимающей поверхности, а стои­мость всей системы теплоснабжения в 3—5 раз выше.

Максимальная суточная производительность плоско­го солнечного коллектора Братского завода равна 70— 100 л горячей воды на 1 м2 площади КСЭ в летний сол­нечный день, а годовая экономия топлива от применения солнечных систем теплоснабжения составляет 100 — 170 кг условного топлива на 1 м2 площади КСЭ в зави­симости от района страны, в котором установлены кол­лекторы.

Масштабы использования солнечной энергии зависят прежде всего от метеорологических условий — количест­ва солнечных дней в году, годового количества поступа­ющей солнечной радиации и его распределения по сезо­нам, температуры наружного воздуха и т. п. В районах, имеющих более 1800 ч солнечного сияния в год, целесо­образно использовать солнечную энергию для теплохо — лодоснабжения зданий. Солнечные водонагревательные установки получили довольно широкое распространение благодаря простоте их конструкции, надежности, быст­рой окупаемости.

Сейчас во всем мире в эксплуатации находится бо­лее 5 млн. солнечных водонагревательных установок, используемых в индивидуальных жилых домах, централи­зованных системах горячего водоснабжения жилых и об­щественных зданий, включая гостиницы, больницы, спор­тивно-оздоровительные учреждения и т. п. Налажено промышленное производство солнечных водонагревате­лей в таких странах, как Япония, Израиль, Кипр, США, Австралия, Индия, Франция, ЮАР и др.

По принципу работы солнечные водонагревательные установки можно разделить на два типа; установки с ес­тественной и принудительной циркуляцией теплоносите­ля. В последние годы все больше производится пассив­ных водонагревателей, которые работают без насоса, а следовательно, не потребляют электроэнергию. Они проще в конструктивном отношении, надежнее в эксплу­атации, почти не требуют ухода, а по своей эффективно­сти практически не уступают солнечным водонагрева­тельным установкам с принудительной циркуляцией. Бо­лее половины пассивных водонагревателей составляют установки термосифонного типа с естественной циркуля­цией, а остальные—это компактные водонагреватели, в которых бак-аккумулятор горячей воды и коллектор солнечной энергии объединены (интегрированы) в еди­ное компактное устройство.

Водонагреватели с естественной циркуляцией воды. Принцип работы солнечной водонагревательной установ­ки термосифонного типа с естественной циркуляцией теп­лоносителя иллюстрируется схемой, показанной на рис. 24, а. Установка содержит коллектор солнечной энергии, бак-аккумулятор горячей воды, подъемную тру­бу и опускную трубу. В нижнюю часть бака-аккумулято­ра подводится холодная вода (ХВ), и из его верхней ча­сти отводится к потребителям горячая вода (ГВ). Пере-

Рис. 24. Схема (а) и конструкция
(б) солнечного водонагревателя
с естественной циркуляцией:

image037

image038

а: 1 — солнечный коллектор; 2 — бак — аккумулятор горячей воды; б: / — термостат; 2 — горячая вода; 3 бак горячей воды; 4 — расширитель* ный бак; 5 — горячий теплоноситель? 6 — теплообменник; 7 — подвод" холод­ной воды; 8 — обратная труба; 9 — коллектор; 10 — электронагреватель

численные элементы образуют контур естественной цир­куляции воды. По подъемной трубе горячая вода из кол­лектора солнечной энергии поступает в бак-аккумулятор, а по опускной трубе из бака в коллектор поступает бо­лее холодная вода для нагрева за счет поглощенной сол­нечной энергии. Поскольку средняя температура воды в подъемной трубе выше, чем в опускной, плотность во­ды, напротив, ниже во второй трубе. И вследствие этого возникает разность давлений (Па), вызывающая движе­ние воды в контуре циркуляции:

Ар = gH (рх — р2),

где g —ускорение свободного падения, равное для рав­нинных районов 9,81 м/с2; Н — разность отметок низа солнечного коллектора (нулевой уровень) и места под­вода горячей воды в бак-аккумулятор, м; pt — плотность воды в опускной трубе при температуре Tt, кг/м3; р2 — плотность воды в подъемной трубе при температуре Тг, кг/м*.

Очевидно, что чем больше разность температур воды, тем больше разность давлений и интенсивнее движение вбды. Аналогичное влияние оказывает увеличение раз­ности отметок Я.

Непременным условием эффективной работы солнеч — йой водонагревательной установки термосифонного типа является тепловая изоляция всех нагретых поверхно­стей— прежде всего бака-аккумулятора, подъемной и опускной труб, патрубка для отвода горячей воды к во­доразборным кранам или душу и воздушника. Толщина тепловой изоляции бака должна быть 50—75 мм при ис­пользовании минеральной ваты или другого материала с коэффициентом теплопроводности 0,04-н9,045’Ві’/{м. К), а для трубопроводов-—от 25 мм Для опускной трубы до 50 мм для подъемного и соединительных трубопроводов. Точка присоединения подъемной трубы к баку-аккуму­лятору должна находиться в верхней части. бака на рас­стоянии не менее % высоты бака от его днища, а патру­бок для подпитки холодной воды следует присоединять к нижней части бака. При необходимости исполь&ва — ния электронагревателя для догрева воды внутри бака — аккумулятора его необходимо располагать горизонталь­но и размещать в верхней части бака. При соблюдении указанных условий обеспечивается температурное рас­слоение (стратификация) жидкости по высоте бака, при этом температура воды в нижней части бака ниже, чем в верхней. Благодаря этому в коллектор поступает вода с невысокой температурой, КПД коллектора возрастает и солнечная энергия используется более эффективно.

Более высокое положение бака-аккумулятора относи­тельно коллектора солнечной энергии в водонагреватель­ных установках термосифонного типа имеет важное зна­чение не только для обеспечения циркуляции теплоноси­теля в дневное время (на схеме направление движения— по часовой стрелке), но также и для предотвращения циркуляции воды в обратном направлении—против ча­совой стрелки — в ночное время. Это возможно прн низ­

ком положении бака, когда горячая вода из верхней части бака ночью поступает в коллектор, там она охлаж­дается за счет излучения энергии в окружающее прост­ранство и конвекции и возвращается в нижнюю часть бака. Естественно, это нежелательный процесс, так как он вызывает потери энергии, и для его предотвращения бак-аккумулятор должен быть установлен так, чтобы его днище было выше верхней отметки наклонного кол­лектора солнечной энергии на 300—600 мм.

Солнечные водонагревательные установки с естест­венной циркуляцией теплоносителя являются саморегу­лирующимися системами, и расход жидкости в них пол­ностью определяется интенсивностью поступающего сол­нечного излучения, а также теплотехническими и гид­равлическими характеристиками солнечного коллектора, бака-аккумулятора и соединительных трубопроводов.

В условиях холодного климата в солнечном коллек­торе следует использовать незамерзающий теплоноси­тель— смесь воды с этилен — или пропиленгликолем, гли — зантин (смесь воды С глицерином) и др. В этом случае схема становится ДЭУХконтурной. Пример конструктив­ного выполнения водонагревателя с антифризом в кон­туре коллектора Показан на рис. 24, б. Теплота, получен­ная незамерзающим теплоносителем в коллекторе, пере­дается воде посредством теплообменника, размещенного в нижней части бака-аккумулятора. По санитарно-гиги­еническим нормам вода должна быть надежно защище­на от попадания теплоносителя, содержащего токсичес­кие вещества.

Возвращаясь к рассмотрению компактных интегри­рованных водонагревателей, обратим внимание на исход­ную конструкцию, схематически показанную на»рис. 25, а. В теплоизолированном корпусе с остекленной верхней крышкой 2 размещена, емкость 3 с черной или селектив­ной наружной поверхностью. Для подвода холодной и от­вода горячей воды предусмотрены патрубки. Эффектив­ность водонагревателя можно повысить с помощью от­ражателя, имеющего специальную форму и помещенного внутри корпуса (рис. 25, б). КПД компактных водона­гревателей достигает 60%. На рис. 26 и 27 показана конструкция компактного водонагревателя с. солнечным коллектором, выполненным из тепловых труб с надеты­ми на них с помощью пружинящих прижимов плоскими ребрами, имеющими селективное покрытие в виде фоль — ги, приклееваемой к ребрам. Теплота от абсорбера кол­лектора передается баку-аккумулятору контактным способом с помощью листа, приваренного к ребрам и со­прикасающегося со всей поверхностью днища бака. Пло­щадь солнечного коллектора составляет всего 1,4—1,6 м2, объем аккумулятора равен 60—100 л, КПД водонагре­вателя равен 60 %. Благодаря применению тепловых труб эффективность теплообмена достаточна высока, и вода,

5

image039

Рис. 25. Компактный солнечный водонагреватель емкостного тнва:

а — с одной или несколькими емкостями с водой; 6 — с отражателем солнеч­ной энергии: /—корпус; 2— остекление; 3 — емкость; 4 — подвод холодной воды; 5 — отвод горячей воды; 6 — отражатель

поступающая в бак, нагревается за счет теплоты, под­водимой от коллектора с помощью контактного листа. В этом случае полностью исключается возможность за­грязнения воды рабочей жидкостью, находящейся в теп­ловых трубах.

Водонагревательные установки .с принудительной циркуляцией. Установки с принудительной циркуляцией теплоносителя целесообразно использовать для горячего водоснабжения крупных объектов. В них солнечный кол­лектор представляет собой большой массив модулей КСЭ. Эти установки имеют большую теплопроизводи — тельность, но, как правило, они довольно сложны. Прин-

image040

Рис. 26. Компактный солнечный водонагреватель:

/ — корпус; 2 — остекление; 3 ‘— теплоизоляция; 4 — тепловая труба; S — реб­ро; 5 — бак: 7 — контактный лист

image041

Рис. 27. Типичная конфигурация бака-аккумулятора компактного водонагревателя;

/ — автоматический воздушный клапан; 2 — подвод воды через поплавковый
клапан; 3 — вода в коллектор; 4 — нагретая вода из коллектора; 5 — горячая
вода к потребителям

ципиальная схема установки с циркуляцией воды в кон­туре КСЭ с помощью насоса подачей холодной воды в бак-аккумулятор и регулированием температуры горя­чей воды, поступающей к потребителю, путем подмеши­вания холодной воды в смесительном клапане показана на рис. 28.

В холодном климате, как правило, применяются двух­контурные схемы водонагревательных установок (рис. 29). В первом контуре, состоящем из солнечного коллек­тора и теплообменника с циркуляционным насосом и рас-

Подпись: Ц / — солнечный коллектор; 2 — бак-аккумулятор; 3 — насос; 4 — клапан; ХВ а ГВ — холодная и горячая вода

ширительным баком, используется незамерзающий теп­лоноситель. Второй контур образуют бак-аккумулятор, тецлобменник и электрический или газовый котел. Хо­лодная вода подводится в нижнюю часть бака-аккумуля­тора, а вода, нагретая в теплобменнике, поступает в верхнюю часть бака, а оттуда через автоматический смесительный клапан и котел подается к потребителям. Все оборудование, кроме солнечного коллектора, уста­навливаемого снаружи, размещается в здании, поэтому

подобные системы могут эксплуатироваться и в холод­ный период года. Газовый котел предназначен для дове­дения температуры горячей воды, предварительйО нагре­той за счет солнечной энергии, до требуемого значения. При отсутствии солнечной радиации или недостаточном ее поступления вся тепловая нагрузка горячего водо­снабжения Обеспечивается газовым котлом.

Солнечные водонагреватели могут использоваться в качестве первой ступени для предварительного подо­грева воды в обычных топливных системах горячего во­доснабжения жилого здания.

Для достижения высокой эффективности всей геяио — топливной системы горячего водоснабжения следует из­бегать смещения горячей и холодной жидкости в баке — аккумуляторе, для чего в нем необходимо поддерживать

температурное расслоение (стратификацию) жидкостц. Горячая жидкость имеет меньшую плотность, чем холод­ная, и поэтому она находится в верхней части бака, а тем­пература в нем уменьшается сверху вниз. Жидкость по­дается в солнечный коллектор из нижней части бака, где она имеет наиболее низкую температуру, и благодаря этому обеспечивается более высокий КПД коллектора. Нагретая жидкость из коллектора подается в верхнюю

image043

Рис. 29. Двухконтурная схема солнечной водонагревательной уста­новки:

I — солнечный коллектор; 2 — теплообменник; 3 — аккумулятор горячей воды*
4 —дублер (газовый котел); 5 —насос; 6 — расширительный бак; / — автома-
тический смесительный клапан; ХВ и ГВ — холодная и горячая вода

зону бака. Для обеспечения температурной стратифика­ции жидкости в баке можно, в частности, использовать перфорированные горизонтальные перегородки,. разделя­ющие бак на две или несколько зон и предотвращающие перемешивание слоев жидкости с разными температу­рами. Отводить горячую воду к потребителю необходи­мо из верхней части бака, где также можно установить электронагреватель, который будет обеспечивать требу­емую температуру горячей воды при любых погодных условиях. Однако наилучшим решением является исполь­зование двух баков-аккумуляторов — одного с высокой, температурой жидкости, а второго — с низкой.

По экономическим соображениям за счет солнечной энергии целесообразно покрывать до 80 % нагрузки го­рячего водоснабжения, поэтому необходимо использовать наряду с коллектором солнечной энергии (КСЭ) также

Подпись: Рис. 30. Схемы,, подвода теплоты от дополнительного источника энергии
Подпись: ГВ.

дополнительный источник энергии (ДИЭ). На рис. 30 показаны различные схемы подвода энергии от ДИЭ: 1) непосредственно в бак-аккумулятор (АТ); 2) к горя­чей воде (ГВ) на выходе из бака-аккумулятора или 3) к холодной воде (ХВ) на байпасной линии. В качестве ДИЭ может использоваться электронагреватель или топ­ливный котел. Циркуляция теплоносителя в контуре КСЭ осуществляется насосом Я. Изменение эффективности

системы в зависимости от применяемого способа подво­да дополнительной энергии связано со средним уровнем температуры воды в коллекторе. При подводе дополни­тельной энергии непосредственно в бак-аккумулятор (рис. 30, а) повышается средняя температура теплоноси­теля в коллекторе, а следовательно, снижается его КПД и теплопроизводительность и в результате увеличивает­ся потребление дополнительной энергии. Это означает, что солнечная энергия используется недостаточно эф­фективно. Наилучшим образЬм солнечая энергия исполь­зуется при последовательной схеме подключения дубли­рующего источника энергии (рис. 30, б). В этом случае вода предварительно подогревается за счет солнечной энергии до сравнительно невысокой температуры, поэто­му средний уровень температуры теплоносителя в кол­лекторе низкий, а КПД и теплопроизводительность кол,- лектора максимальны. Схема подвода дополнительной

энергии в холодной воде в байпасной линии (рнс. 30, в) наименее удачна, так как при этом недостаточно полно используется солнечная энергия из-за того, что часть во­ды вообще не нагревается ею, а поступает сразу в топ­ливный дублер. Что же касается КПД и геплопроизводн — тельности самого коллектора, то в этом отношении дан­ная схема аналогична второй схеме.

Можно дать следующие рекомендации относительно, схемного решения комбинированных солнечно-топлив­ных установок горячего водоснабжения. Во-первых, не­обходимо обеспечивать улавливание максимально воз­можного количества солнечной энергии, что достигается, снижением среднего уровня температуры теплоносителя в коллекторе н использованием эффективного коллекто­ра. Во-вторых, следует исходить из того, что солнечная энергия должна использоваться для предварительного подогрева теплоносителя, в то время как дополнитель­ный источник энергии (топливо или электроэнергия) — для доведения теплоносителя до требуемой температуры. При таком подходе обеспечивается максимальная эко­номия топлива благодаря наиболее эффективному ис­пользованию солнечной энергии. В-третьих, необходимо избегать смешения сред с различными уровнями темпе­ратуры в аккумуляторе теплоты, в частности с этой точки зрения не рекомендуется размещать электрона­греватель в нижней части бака-аккумулятора или осу­ществлять подвод4 теплоты от дублера непосредственно в бак-аккумулятор гелиоустановки. Как минимум, верх­няя часть бака, где размешается дублер, должна быть отделена перфорированной перегородкой от нижней, в которую подводится теплота от солнечного коллекто­ра. Оптимальным решением является использование двух баков — одного с низкой температурой теплоносителя, обеспечиваемой солнечным нагревом, а второго с высо­кой температурой, обеспечиваемой дублером.

В настоящее время успешно эксплуатируются уста­новки горячего водоснабжения для сезонных потребите­лей. Так, гелиоустановка в подмосковном пионерлагере «Звездочка» дает 7,5 т горячей воды в день. Ряд уста­новок построен ПО «Спецгелиотепломонтаж» (г. Тби­лиси) на курортах Грузии. Потенциальные масштабы использования сезонных установок горячего водоснаб­жения в СССР соответствуют общей площади поверх­ности солнечных коллекторов 250 млн. м2, при этом ожн —

даемая экономия топлива оценивается в 40 млн. т услов­ного топлива в год.

На рис. 31 показана схема душевой кабины, выпуска­емой ПО «Моссантехконструкция». Она изготовляется из асбоцементных плит. Ее габариты 1850X1900X XI150 мм. Коллектор площадью 2 м2 и бак вместимос­тью 100 л размещены на крыше. К сожалению, кабина имеет большую массу, которая без воды в системе со-

image046

Рис. 31. Схема душевой кабины:

і — коллектор; 2 — 6ак горячей воды; 3 —душ; 4, 5 — трубы; 6, 7 — вентили; 8 — кран переключения; 9 — водопровод

ставляет 360 кг. За один летний день в Подмосковье можно получить от 120 до 160 л воды с температурой 40 °С, а за се"зон с апреля по сентябрь можно получить экономию в 400—700 кг условного топлива.

Для индивидуальных потребителей следует рекомен­довать использовать водонагреватели с естественной циркуляцией воды или компактные устройства, посколь­ку они имеют хорошую эффективность при невысокой це­не и просты в конструктивном отношении, а следователь­но, и надежны.

СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЗДАНИЙ

В СССР для теплоснабжения зданий расходуется зна­чительная часть всех потребляемых топливно-энергети­ческих ресурсов. Использование солнечной энергии для этих целей позволит получить существенную экономию. Уже сейчас в различных районах южной части нашей страны эксплуатируются опытные солнечные установки теплоснабжения зданий, в перспективе масштабы внед­рения систем солнечного отопления будут более значи­тельными.

Различают активные и пассивные системы солнечного теплоснабжения зданий. Характерным признаком актив­ных систем является наличие коллектора солнечной энер­гии, аккумулятора теплоты, дополнительного источника энергии, трубопроводов, теплообменников, насосов или вентиляторов и устройств для автоматического контро­ля и управления. В пассивных системах роль солнечного коллектора и аккумулятора теплоты обычно выполняют сами ограждающие конструкции здания, а движение теплоносителя (воздуха) осуществляется за счет есте­ственной конвекции без применения вентилятора. В стра­нах ЕЭС в 2000 г. пассивные гелиосистемы будут давать экономию 50 млн. т нефти в год.

Гелиосистема теплоснабжения может работать эф­фективно только в том случае, если при разработке кон­струкции самого здания учтены требования, направлен­ные на снижение потребности в тепловой энергии. Это лучше всего достигается в так называемых сверхизоли­рованных домах, имеющих хорошую тепловую изоля­цию стен, потолка, пола и практически герметичную кон­струкцию наружных ограждений. В таких домах коэф­фициент теплопотерь для стен составляет всего 0,15 Вт/ /(м2-°С), а неконтролируемая естественная инфильтра­ция наружного воздуха в здание характеризуется чрез­вычайно низкой кратностью воздухообмена (0,1 ч-1). Требуемое качество воздуха внутри помещений обеспе­чивается за счет регулируемой вентиляции (не менее 0,5 */ч воздухообмена в час) с утилизацией теплоты уда­ляемого воздуха. Общий коэффициент теплопотерь в та­ких зданиях лежит в пределах 0,7—1,2 Вт/(м2-К). Теп — лопотери здания частично компенсируются за счет теп­ловыделения людей, электробытовых и осветительных приборов и оборудования, которое уменьшает тепловую

нагрузку отопления примерно на 7з — Общий эффект сверх­изоляции зданий состоит в сокращении. длительности отопительного периода и снижении суммарного годово­го расхода теплоты. Благодаря этому уменьшается про­должительность периода работы гелиосистемы и повы­шаются ее технико-экономические показатели, а также годовая доля солнечной энергии в покрытии тепловой на­грузки. Одновременно снижается пиковая нагрузка ото­пления и в результате этого уменьшается требуемая мощ­ность дополнительного (резервного) источника энергии. Распределение теплоты между отдельными комнатами, может осуществляться путем естественной конвекции воздуха через открытые двери.

Второй подход к снижению тепловых потерь зданий состоит в использовании высокоэффективных окон, на­пример со специальными покрытиями на стекле или по­лимерных пленках, расположенных между двумя слоями стекла. Могут использоваться покрытия, обеспечивающие высокую пропускательную способность по отношению к солнечной энергии, и покрытия с низкой излучатель­ной способностью для теплового излучения. При приме — .нении таких окон температура внутренней поверхности повышается и благодаря этому уменьшается конденса­ция водяных паров на стенде и увеличивается ощущение комфорта. Применение специальных окон, герметичных рам е вакуумированным зазором между двумя слоями остекления наряду с уменьшением теплопотерь также снижает уровень проникающего шума.

Итак, в зданиях, в которых предусматривается эффек­тивное использование солнечной энергии, должен быть обеспечен высшей уровень сохранения энергии, особен­но в условиях холодного климата. При этом мощность гелиосистемы и дополнительного источника энергии, а также их размеры и стоимость будут минималь­ными.

Пассивные гелиосистемы отопления зданий. Для ото­пления зданий используются следующие типы пассивных гелиосистем:

с прямым улавливанием солнечного излучения, посту­пающего через остекленные поверхности большой пло­щади на южном фасаде здания (рис. 32, а) или через примыкающую к южной стене здания солнечную тепли­цу (зимний сад, оранжерею) (рис. 32, б);

с непрямым улавливанием солнечного излучения, т. е.

с теплоаккумулирующей стеной, расположенной за осте­клением южного фасада (рис. 32, в);

с контуром конвективной циркуляции воздуха и галеч­ным аккумулятором теплоты. Дом с такой системой по­казан на рис. 33. Кроме того, могут использоваться гиб­ридные системы, включающие элементы пассивной и ак­тивной гелиосистемы.

image047

Пассивные системы составляют интегральную часть самого здания, которое должно проектироваться таким образом, чтобы обеспечивать наиболее эффективное ис­пользование солнечной энергии для отопления. Наряду с окнами и остекленными поверхностями южного фасада для улавливания солнечного излучения также использу­ются остекленные проемы в крыше и дополнительные окна в верхней части здания, которые повышают уровень комфорта человека, так как исключают, прямое попада­ние солнечных лучей в лицо. Одно из важнейших усло­вий эффективной работы пассивной гелиосистемы заклю­чается в правильном выборе местоположения и ориента­ции здания на основе критерия максимального поступ­ав

ления и улавливания солнечного излучения в зимние ме­сяцы.

Пассивные системы просты, но для их эффективной работы требуются регулирующие устройства, управляю­щие положением тепловой изоляции светопрозрачных по­верхностей, штор, заслонок в отверстиях для циркуляции воздуха в теплоаккумулирующей стене и т. п.

Прямое улавливание солнечной энергии может эффек­тивно осуществляться при соблюдении следующих усло-

image048

Рис. 33. Солнечный дом с прямым улавливанием солнечной анергин, конвективным контуром для нагрева воздуха и аккумулированием теплоты в слое камней:

/ — солнцезащитное устройств»: ? — воздушный коллектор) $ — чериЫй метал­лический лист: 4 — капая; 6 — возврат воедуха; S — регулирование поток*

воздуха; 7 — свежий воздух; < — теплый воздух

вйй: 1) оптимальная ориентация дома — вдоль оси вос­ток— запад или с отклонением до 30° от этой оси; 2) на южной стороне дома должно быть сосредоточено не Ме­нее 50—70 % всех окон, а на северной —не более 10 %, причем южные окна должны иметь двухслойное остекле­ние, а северные окна—трехслойное; 3) здание должно иметь улучшенную тепловую изоляцию и низкие тепло — иотери вследствие инфильтрации наружного воздуха;

4) .внутренняя планировка здания должна обеспечивать расположение жилых комнат с южной стороны, а вспо­могательных помещений — с северной; 5) должна быть обеспечена достаточная теплоаккумулирующая способ­ность внутренних стен и пола для поглощения и акку­мулирования теплоты солнечной энергии; 6) для предот­вращения перегрева помещений в летний период над окнами должны быть предусмотрены навесы, козырьки и т. п. КПД такой системы отопления, как правило, со­ставляет 25—30%, но в особо благоприятных климати­ческих условиях может быть значительно выше и дости­гать 60 %. Существенным недостатком этой системы являются большие суточные колебания температуры воз­духа внутри помещений.

Пассивные системы прямого улавливания солнечной энергии имеют наименьшую стоимость для вновь стро­ящихся зданий. Пассивные системы вообще имеют такой же срок службы, как и само здание, и весьма низкие текущие эксплуатационные расходы. Использование си­стемы прямого улавливания солнечной энергии в суще­ствующих зданиях связано со значительными трудно­стями, поэтому их применение в этих случаях нецелесо­образно.

Наряду с получением теплоты эти системы также обеспечивают эффективное использование дневного ос­вещения, благодаря чему снижается потребление элек­троэнергии. Однако площадь остекления южного фаса­да должна быть значительной, чтобы обеспечить требу — ‘ емую долю солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки, а теплоаккумулирующие элементы (тепловая масса) должны быть размещены, в наиболее благоприят­ных местах, чтобы на них попадали солнечные лучи большую часть дня. Следует избегать излишнего пере­грева тех зон здания, где постоянно находятся люди, а также попадания в них прямых солнечных лучей-, «сол­нечных зайчиков» и бликов. Вместо остекления верти­кальных стен или наряду с ним может быть использо­вано остекление элементов крыши и чердачных помеще­ний, сообщающихся с жилыми помещениями. При этом облегчается задача размещения теплоаккумулирующих элементов, меньше возникает «солнечных зайчиков» и уменьшается затенение тепловой массы предметами интерьера и экстерьера.

Важнейшее требование, предъявляемое к пассивным

системам, состоит в необходимости обеспечения теплово­го комфорта и регулирования температурного режима в помещениях. В помещениях с пассивным использова­нием солнечной энергии комфорт обеспечивается при бо­лее низких температурах воздуха по сравнению с обыч­ными зданиями,’ так как температура всех или большин­ства внутренних помещений выше температуры воздуха и они излучают теплоту на человека, отчего ощущение комфорта повышается.

Однако при использовании пассивных систем прямо­го улавливания солнечной энергии трудно поддается ре­гулированию температура воздуха в помещениях из-за большой тепловой инерции их теплоаккумулирующих элементов. Национальное проецирование Температурно — го режима помещений предполагает оптимизацию мас­сы и размещения каждого из этих элементов, а также использование навесов и козырьков, тепловой изоляции светопрозрачных поверхностей в ночное время, автомати­чески управляемых заслонок для организации поступле­ния и удаления воздуха, закрытия и открытия окон, фор­точек и фрамуг и т. п.

В этих системах используются окна и остекленные по­верхности большой площади в проемах стен на южной стороне дома. Площадь остекления определяется тепло­вой нагрузкой отопления и площадью отапливаемых по­мещений. Для уменьшения тепловой нагрузки здание должно быть построено с применением улучшенной теп­ловой изоляции и использованием других мероприятий по сохранению энергии. Этой цели служит также исполь­зование тепловой изоляции светопрозрачных наруж­ных поверхностей в ночное время, ДЛЯ чего могут ис­пользоваться теплоизоляционные Щиты, ставни, плотные шторы и т. п. В доме, показанном на рис. 33, предус­мотрено прямое улавливание солнечной энергии, а так­же имеется контур естественной конвективной циркуля­ции воздуха, нагретого в коллекторе, с аккумулирова­нием теплоты в слое гальки и регулированием движения воздуха с помощью клапана, а также солнцезащитное устройство.

Пассивные гелиосистемы с остекленной теплоаккуму­лирующей южной стеной (стеной Тромба), окрашенной в черный или иной темный цвет, отличаются достаточно высокой эффективностью и могут иметь несколько вари­антов конструктивного исполнения. Исходным вариан­

том является остекленная южная бетонная или камен­ная стена темного цвета, не имеющая отверстий для циркуляции воздуха. Проникающее через одно — или двух­слойное остекление солнечное излучение поглощается поверхностью стены, покрашенной темной матовой крас­кой, и аккумулируется в массе стены, что вызывает по­вышение ее температуры. Аккумулированная днем теп­лота передается с некоторым запаздыванием внутрь помещений посредством излучения и конвекции. При толщине бетонной стены 200 мм запаздывание составля­ет 5 ч.

Более совершенной является конструкция стены с отверстиями на нижнем и верхнем уровнях для циркуля­ции воздуха. При этом существенно, улучшается переда­ча теплоты в помещения. Регулирование движения воз­духа можно осуществлять с помощью поворотных засло­нок. Может также использоваться вентилятор небольшой мощности. При использовании пассивной гелиосистемы с теплоаккумулирующей стеной Тромба расстояние меж­ду нею и внутренней стеной здания ограничено, так как эффект лучистого отопления распространяется на рас­стояние 5—7 м. Бетонная или каменная теплоаккумули­рующая стена может быть заменена на так называемую водяную стену, состоящую из установленных друг на друга резервуаров (бочек) с водой, причем эта сиетема даже более эффективна (КПД достигает 35 %), посколь­ку вода имеет высокую удельную теплоемкость. Однако этот тип пассивных систем, не подходит для районов с холодным климатом с преобладанием пасмурных дней в зимний период.

Разрез дома с пассивной системой отопления и гра­вийным аккумулятором, расположенным под домом, по­казан на рис. 34. В системе предусмотрены остекленная теплоаккумулирующая стена южного фасада, наклонные окна большой площади в верхней части дома, теплоизо­ляция северной стены и клапан, перекрывающий осте­кление в ночное время. Распределение теплоты осуще­ствляется за счет естественного движения нагретого воз­духа.

Система с гелиотеплицей (зимним садом, солярием или оранжереей), примыкающей к южной стене здания, может иметь КПД около 60—75 %, но в здание поступа­ет всего лишь 10—30% количества солнечной энергии, падающей на остекление теплицы.

При значительной доле диффузного излучения КПД этой системы на 5—10 % выше, чем КПД системы прямо-1 го улавливания солнечной энергии. При этом следует применять двух-трехслойное остекление теплицы в соче­тании с окнами в примыкающей стене здания. Площадь остекления теплицы должна быть в 1—3 раза больше площади окон жилого дома. В гелиотеплице должно быть предусмотрено аккумулирование энергии в тепловой мас­се (бетонная плита или балка в полу и т. п.). Площадь

image049

Рис. 34. Солнечный дом с гравийным аккумулятором теплоты:

/ — остекление} 2 — теплоизоляция; 3 — окно; 4 — насыпь; 5 — гравий; б — кух­ня: 7 —клапан

остекления теплицы должна быть равна, площади. по­верхности тепловой массы в полу, а отношение площадей тепловой массы в жилом здании и в гелиотеплице (оран­жерее) должно быть в пределах 0—1. Стена, отделяю­щая гелиотеплицу (зимний сад, оранжерею) от жилого помещения, может представлять собой теплоизолирован­ную массивную стену толщиной 100—150 мм, причем 25— 45 % площади этой стены должно быть занято окном. Доля остекления восточной и западной стен гелиотеп­лицы (оранжереи) должна быть не более 0,1 общей пло­щади пола гелиотеплицы (оранжерей). Не следует ис-

П

пользовать наклонные остекленные поверхности в оран­жерее, так как при этом труднее регулировать тепловой режим. Поскольку пол гелиотеплицы (оранжереи) —это основная тепловая масса, ее следует проектировать с уче­том таких рекомендаций:

стена фундамента гелиотеплицы (оранжереи) дол­жна быть теплоизолирована;

пол и тепловая масса в нем должны быть тепло — и гид — роизолированы для защиты от грунтовых вод;

нижний уровень остекления оранжереи должен иметь отметку 0,15 м от уровня пола для обеспечения хороше­го освещения и зарядки теплоаккумулирующей массы.

Поглощательная способность а пола должна быть как можно выше, для чего его следует красить в темный цвет (для неокрашенного бетонного пола а=0,65). На полу не должно быть ковра или половиков, и допускается ми­нимальное его затенение предметами мебели, 15—25 % площади пола может быть занято растениями или дорож­ками. Температура в оранжерее должна быть не выше 25—28 °С зимой и 20—25 °С летом, а при понижении температуры до 7—13 °С должно включаться дополни­тельное отопление.

Для улучшения распределения теплоты в жилом по — мещеции должны быть предусмотрены четыре отверстия в стене, обеспечивающие расход воздуха около 0,1 м3/с.

Для северных районов СССР представляет определенный инте­рес опыт скандинавских стран в разработке пассивных гелиосистем отопления зданий. В традиционной архитектуре Швеции применяют­ся небольшие и тщательно теплоизолированные индивидуальные жилые дома с окнами небольшой площади, ориентированными на юг, восток и запад, и печным отоплением. Современный шведский стандарт определяет следующие значения коэффициентов теплопо — терь для различных наружных ограждений здания:

для стен К=0,3 Вт/м2-°С), что обеспечивается при использова­нии тепловой изоляции из минеральной ваты толщиной 130 мм;

для потолка (крыши) и пола /(=0,2 Вт/(м2-°С) при толщине слоя минеральной ваты 200 мм;

для окон Я=2 Вт/(м2-°С) —-тройное остекление.

Построенный в соответствии с этим стандартом шведский дом среднего размера для одной семьи имеет годовое энергопотребление 15—20 МВт-ч, включая расход теплоты на отопление и горячее во­доснабжение, а также расход электроэнергии. Это эквивалентно рас­ходу 1,6—2 м3 мазута. Дом располагают так, чтобы его светопро­зрачные поверхности не затенялись в холодный период года. Те помещения, в которых люди находятся большую часть суток, распо­лагают на южной стороне здания. Общая площадь окон—менее 15 % площади стен. В неотопительный период необходимо предотвращать попадание солнечных лучей в здание, для этого используют навесы (козырьки) или выступы крыши, спроектированные так, чтобы про­пускать внутрь здания максимум солнечного излучения весной и осенью и сводить к минимуму попадание прямых солнечных лучей летом.

Можно испЬльзовать естественную вентиляцию, но поступление воздуха в помещение можно также регулировать с помощью при­строенной к южндй стене здания гелиотеплицы (зимнего сада, оран­жереи), в которой наружный воздух зимой подогревается, а удале­ние воздуха из помещений регулируется.

Естественно, в зимний период требуется энергия от дополни­тельного топливного источника из аккумулятора теплоты.

Дома с пассивными системами отопления могут строиться на различных ширбтах. Примером может служить группа домов, по­строенных в Швеции.

Двухэтажные жилые дома на 16 квартир в г. Карльстаде (59° с. Ш.) были построены в 1984 г. и расположены так, чтобы не было взаимного затенения. Каждый дом поставлен на бетонное основание толщиной 150 мм с тепловой изоляцией, а стены сделаны из дерева. Дом |мёеТ гелиотеплицу с двойным остеклением. Коэффициент теп- лопотерь’равен для стен К = 0,12 Вт/(м2-°С) (толщина слоя мине­ральной ваты 6=360 мм), для пола /(=0,12 Вт/(м2-°С) (6=220 мм), для ирыши К=0,08 Вт/(м2-°С) (6=550 мм), для окон с тройным обтеклейием и отражающей металлической фольгой Д= = 1,4 Вт/(м2-°С). Воздухообмен осуществляется с помощью вентиля­тора, и система вентиляции объединена с отоплением. Кратность воздухообмена-равна 0,5 1/ч. Зимой наружный воздух проходит че­рез гелиотеплицу. В теплый период года (с мая+№ сентябрь) окна полностью защищены от попадания солнечных лучей с помощью Пыртупрв крыши. Дома потребляют очень мало энергии—27 кВтч/м4 В?6д. Для отопления дома с жилой площадью І00 м2 требуется 270 Дж ид кого топлива в год.

Реализуется совместный шведско-западногерманский проект строительства двух жилых домов на 11 квартир каждый в городах Ийгод^штадт (ФРГ) и Хальмстаде (Швеция), расположенных на шйрбте 48,8° и 56,7° с. ш. Среднегодовая температура наружного воз­духа +7,9 и +7,2 X, а его расчетная температура —16°С.

В обоих случаях используется тяжелая бетонная конструкция здания, южная ориентация, остекление южной стены, гелнотеплица, защита от солнечного излучения летом с помощью выступающей кр]^шй, Коэффициенты теплопотерь равны для стен 0,2, для окон 1,4, для’ крыши 0,11 и для пола 0,12 Вт/(м4-К). Основание дома — бетон­ная плита на земле, несущие конструкции — из бетона, остальные— нз дерева. Отопление — водяное от газового (электрического) котла. Вентиляция — механическая с утилизацией теплоты удаляемого воз­духа с помощью теплового насоса. Площадь отапливаемых помеще­ний 934 м2, годовое потребление энергии для отопления 33 000 кВт-ч, удельное потребление теплоты 35 кВт-ч/м2 в год.

Рациональное использование дневного освещения. Но­вое достижение в области пассивного использования сол­нечной энергии—это такие архитектурно-планировочные И конструктивные решения здания, благодаря которым Обеспечивается максимальное использование днев — ного освещения и, следовательно, сокращаются затраты на искусственное освещение, особенно в летнее время. На достижение этой же цели направлено введение летне­го времени. Кроме того, в жарком климате переход на максимальное использование дневного света существен­но уменьшает тепловую нагрузку на систему кондицио­нирования воздуха. Благодаря применению волоконных световодов естественное освещение может быть обеспе­чено также для подземных сооружений.

Регулирование количества света, проходящего через остекление, может быть осуществлено при использова­нии окрашенного стекла или специального стекла, на которое накладывается небольшое электрическое напря­жение и благодаря этому регулируется его пропускатель — ная способность по отношению к солнечному свету. При­менение жидкокристаллических пленок в сочетании с электрическим напряжением обеспечивает переход от прозрачного стекла к полностью непрозрачному.

Активные гелиосистемы отопления знаний. В состав активной системы солнечного отопления входят коллек­тор солнечной энергии, аккумулятор теплоты, дополни­тельный (резервный) источник энергии, теплообменники для передачи теплоты из КСЭ в аккумулятор и из по­следнего к потребителям, насосы или вентиляторы, тру­бопроводы с арматурой и комплекс устройств для авто­матического управления работой системы.

В зависимости от вида теплоносителя в контуре КСЭ различают жидкостные и воздушные гелиосистемы теп­лоснабжения. Теплоносителем в КСЭ может быть жид­кость (вода, 40—60 %-ный водный раствор этилен — или пропиленгликоля, органические теплоносители и др.) или газ (воздух). Использование воздуха позволяет исклю­чить проблемы замерзания и коррозии, несколько сни­зить вес установки, но теплотехнически воздушные системы менее эффективны, чем жидкостные. В большин­стве эксплуатируемых гелиосистем теплоносителем слу­жит вода или антифриз. При этом КПД КСЭ выше, но существует опасность замерзания и коррозии, протечек теплоносителя, его перегрева. Теплота в здании распре­деляется с помощью вентилятора и воздуховодов в воз­душных системах или посредством излучающих панелей, радиаторов и конвекторов, рассчитанных на низкотем­пературный теплоноситель (в жидкостных системах). Если тепловая нагрузка отопления равна 45—60 Вт/м2,

Подпись: лі б) Рис. 35. Принципиальные схемы водяной (а) и воздушной (б) активных систем солнечного отопления:

то при использовании напольной системы отопления (по­верхность теплоизолированного снизу пола обогревает­ся теплой водой, циркулирующей по проложенным в нем трубам) достаточно иметь температуру воды 30°С, а тем­пературу поверхности пола 22—24 °С, чтобы в помеще­нии температура воздуха была 18 °С. При этом коэффи­циент теплоотдачи от пола к воздуху составляет 10— І2 Вт/(м2*°С). Пол обычно выполняется из бетона, внут­ри которого прокладывается ряд полиэтиленовых труб 020 мм для теплоносителя, снизу размещается слой теп­

| — коллектор солнечной энергии; 2—аккумулятор теплоты; $ ~ дополнитель­ный источник энергии; 4 —насос (вентилятор); 5 — регулирующий клапан; о — подача йагретбго теплоносителя; 7 —возврат охлажденного теплоносителя лоизоляции, который гидроизолируется от слоя каменной Засыпки. В другом варианте используются медные тру­бы с алюминиевым ребром (листом) толщиной 0,5 мм, расположенным над слоем жесткого пенополиуретана. Сверху на алюминиевый лист укладывается тонкий слой войлока, а на неґо палас. Под отапливаемым полом может размещаться галечный аккумулятор, через ко­торый с помощью вентилятора продувается воздух.

Принципиальные схемы жидкостной и воздушной си­стем солнечного отопления (рис. 35, а н б) содержат солнечный коллектор, аккумулятор теплоты, насосы (вентиляторы), дополнительный источник энергии, ре­гулирующую арматуру, подающий й обратный трубопро­воды (воздуховоды). На рис. 36 показан жилой дом с жидкостным солнечным коллектором на крыше. Ос­тальное оборудование гелиосистемы отопления и горя­
чего водоснабжения дома размещено в подвале. Там установлены основной аккумулятор теплоты, теплообмен­ник 3 для подогрева воды, бак для аккумулирования го­рячей воды, теплообменник 5 для нагрева воздуха для отопления дома, расширительный бак и теплообменник 8 для передачи теплоты от антифриза к воде. Снаружи дома находится теплообменник 6, предназначенный для сброса избыточного количества уловленной солнечной теплоты в летний период. Итак, в доме предусмотрено воздушное отопление.

image051

Рис..36. Дом с активной гелиосистемой теплоснабжения:

1 — солнечный коллектор; 3 — ацдоулятор теплоты; з — теплообменник для подогрева воДы; 4 — бак-аккумулятор горячее воды; 5 — теплообменник для вагрева воздуха; в — теплообменник для сброса избыточной теплоты; 7 — Рас­ширительный бан; а — теплообменник для вагрева воды

Основное и вспомогательное оборудование гелиоси­стемы, включая аккумулятор теплоты, теплообменники, насосы, тепловой насос, дополнительные подогреватели для горячей воды и отопления, т. е. все, кроме солнечного коллектора, устанавливаемого на крыше, может разме­щаться в подвале дома или пристройке.

Сравнение активных и пассивных гелиосистем дает возможность выявить их преимущества и недостатки. Преимущества активных гелиосистем связаны с легко­стью и гибкостью интегрирования системы со. зданием, возможностью автоматического управления работой си­стемы и снижением тепловых потерь. Однако при приме­нении активных гелиосистем часто возникают проблемы, обусловленные недостаточной надежностью оборудова — ная, в том числе системы автоматического управления, неправильными его установкой и монтажом, плохим тех­ническим обслуживанием, опасностью замерзания и кор­розии, особенно в системах с жидкостным коллектором солнечной энергии. Существенным недостатком этих си­стем является их высокая стоимость. В отличие от них пассивные системы просты, надежны в работе и недоро­ги, но они также имеют недостатки. Прежде всего воз­никают трудности с поддержанием температурного ре­жима, необходимого для обеспечения теплового комфор­та в отапливаемых помещениях. Так, в системах с пря­мым улавливанием солнечной энергии из-за недоста­точной массы теплоаккумулирующих элементов и их не­правильного размещения возникают сильные колебания температуры в помещениях. При использовании стены Тромба могут иметь место большие утечки теплоты на­ружу, если в ночное время не закрывать остекленные по­верхности тепловой изоляцией. В то же время здания с гелиотеплицей летом могут испытывать перегрев. В гиб­ридных системах можно соединить достоинства актив­ных и пассивных элементов и устранить многие недос­татки, повысив тем самым эффективность систем при умеренных капиталовложениях.

ПРОСТЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРИУСАДЕБНЫХ И ДАЧНЫХ УЧАСТКОВ

Самый простой солнечный водонагреватель можно сделать, используя черный пластмассовый шланг, кото­рый для этого сворачивается в виде спирали в бухту и укладывается на южный скат наклонной крыши.(рис. 87). Один конец шланга надевается на водопроводный кран, а второй соединяется с душем. Необходимую лу — чевоспринимающую поверхность и емкость этого водо­нагревателя можно обеспечить, выбрав соответствующую длину шланга, а регулируя краном расход воды, можно

image120

Рис. 87. Простой водонагрева­тель из черного полиэтиленово­го шланга:

 

 

Рис. 88. Пленочный водонагрева-
тель:

/ — черяая пленка; 2 — прозрачная
пленка; 3 — штуцер для воды; 4 —
теплоизоляция; 5 — прозрачная плен-
ка; 6, 7 —воздушный клапав

получить требуемую температуру горячей воды. Кольца бухты должны быть ослаблены, и для уменьшения теп­ловых потерь сверху можно натянуть прозрачную поли­мерную пленку, зафиксировав ее на высоте 15—25 мм от шланга с помощью деревянной рамы’ (ящика)} снизу же под бухту шланга следует подложить металлический лист или фольгу с высокой отражательной способностью или хотя бы окрашенный в белый цвет лист фанеры. Лучевоспринимающая поверхность шланга длиной 100 м, внутренним диаметром 16 мм при толщине стенки 2 мм составляет 2 м2, а его емкость 0,02 м3. Для того чтобы нагреть 1 кг воды от 15 до 40 °С, требуется 105 кДж теп­лоты.

В летний период в Подмосковье на 1 м2 лучеприем — ной поверхности в день поступает в среднем 19,5 МДж солнечной энергии. При КПД 0,3 количество получаемой

полезной тенлоты с площади 2 м2 за день составит id,5X Х0,3-2= 11,7МДж. Задень можно получить 110кг. воды с температурой 40 °С. Это эквивалентно 5,5 полной емко­сти шланга. Нагретую воду можно собирать в теплоизо­лированный резервуар, из которого затем вода будет ис­пользоваться для ванны, душа и т. п. При продолжи­тельности инсоляции 8,5 ч в день среднечасовой расход воды равен 13 кг/ч, или 1,8 г/с на 1м2 площади поглоща­ющей поверхности. Скорость воды равна 0,018 м/с.

Нетрудно изготовить водонагреватель из черной и прозрачной прочной полимерной пленки в виде мешка, дно которого выполнено из черной пленки, верхняя вы­пуклая поверхность — из прозрачной пленки, а между ними находится вода (рис. 88). Заполнение и опорожнение водонагревателя производится через штуцер соответст­венно утром и вечером. Для уменьшения тепловых по­терь водонагреватель может быть снабжен теплоизоля­цией снизу и прозрачной изоляцией. Водонагреватель переносной, и его можно использовать дома, на даче, на пляже, в туристских походах и т. п. Для получения го­рячей воды достаточно поместить его на солнце, напри­мер на крыше автомобиля.

Выполним прикидочный расчет. количества горячей’ воды, которое можно получить за день в южных районах страны. Примем, что в летний период поступление сол­нечной энергии составляет в среднем 21,9 МДж/м2 вдень (для условий, Алма-Аты, май — август) и КПД водона­гревателя равен 0,4. Тогда полезное количество теплоты доставит Qn=8,76 МДж/м2 в день. При разности тем­ператур горячей и холодной воды Af=*45— 15=30’С количество горячей воды, получаемой с 1 и2 площади водонагревателя, составит G ** Qul(cpAt) — 8,75: (4Д9Х ХІО-^ЗО) = 70 кг в день. Следовательно, емкость водо­нагревателя должна быть равна 70 л, а толщина слоя воды 70 мм.

Без сомнения, описанные водонагреватели являются весьма примитивными устройствами, и их эффективность довольно низкая. Значительно эффективнее компактные водонагреватели, достаточно подробно описанные в § 8 (см. рис. 25—27). Отличаясь простым устройством и низкой стоимостью, они обладают достаточно высоким КПД. Возможны различные модификация указанных конструкций. В частности, водонагреватель, показанный на рис. 25, может содержать несколько цилиндрических

емкостей (до шести — восьми) в едином корпусе. Во­донагреватель, показанный на рис. 27, не обязательно должен иметь тепловые трубы. Вместо них может ис­пользоваться обычный трубчатый абсорбер типа «труба в листе» и т. п. Верхний и нижний гидравлические кол­лекторы абсорбера соединяются трубками с баком-ак­кумулятором горячей воды, который имеет горизонталь­ное расположение и соединен также с баком холодной

image121

Подпись: Рис. 89. Объединение гелиоус-тановки и топливного водона-гревателя:

1 — гелиоводонагреватель с естествен­ной циркуляцией ВОДЫ; 2 — напорный бак с поплавковым клапаном для под­вода воды,’ S — топливный водонагре­ватель; 4 — потребители горячей воды; 5 — холодная вода; 6 — топливо (газ)

Рис. 90. Гелиотеплица е земляной насыпью:

1 — остекление; 2—насынь; 3 — северная стена; 4 — канал для воздуха воды небольшой емкости. Все эти конструктивные эле­менты объединяются в единый компактный водонагре­ватель, аналогичный тому, который представлен на рис. 27.

Солнечный водонагреватель может соединяться с обычным топливным водонагревателем по схеме, пока­занной на рис. 89.

При разработке и организации производства солнеч­ных водонагревательных установок необходимо учиты­вать рекомендации по повышению эффективности кол­лекторов, изложенные в §5, а также те прогрессивные технологии, которые описаны в данной главе. >

На приусадебных и дачных участках солнечные, уста­новки должны найти довольно широкое * применение.

Кроме описанных выше простых водонагревателей мож­но рекомендовать гелиотеплицы, показанные на рис. 90— 92, которые нетрудно построить непосредственно на уча­стке. При этом следует иметь в виду, что эффективность теплицы повышается при защите с помощью слоя тепло­изоляции северной стенки, аккумулировании теплоты в грунте и подогреве воздуха или воды в солнечном кол­лекторе. Вода, нагретая в коллекторе, циркулирует в трубопроводах, проложенных в грунте. Для этой цели используются пластмассовые трубы, не поддающиеся коррозии. Простая конструкция теплицы с пассивным ис-

image123Рис. 91. Гелиотеплица с
подпочвенным галечным ак-
кумулятором теплоты:

1 — теплица; 2 — аккумулятор

теплоты; 3 — канал для цирку> ляции воздуха;.’* -*■ вентилятор

пользованием солнечной энергии показана на рис. 90. Она имеет развитую остекленную поверхность с южной стороны и засыпанную грунтом стенку с северной сторо­ны. Земляная насыпь служит одновременно теплоизоля­цией и аккумулятором теплоты. Для циркуляции возду­ха в насыпи предусмотрены каналы. Днем происходит нагрев этого слоя земли, а ночью от него теплота отво­дится воздухом, поступающим в теплицу.

В гелиотеплице (рис. 91) с прозрачной южной сто­роной и теплоизолированной северной стеной целесооб­разно применять подпочвенный Галечный аккумулятор. Для лучшей циркуляции воздуха следует использовать вентилятор, установленный в воздуховоде. Для аккуму­лирования теплоты требуется 0,5—0,9 м3 гальки (щебня, камня) на 1 м2 площади остекленной южной поверхно­сти.

Потери теплоты гелйбтеплицы в ночной период зна­чительны, и температура воздуха в теплице может упасть ниже допустимого предела в 5 °С. Можно существенно

снизить теплопотери путем применения подвижной теп­лоизоляции. Пример конструктивного исполнения тепли­цы с поворачивающейся шарнирно закрепленной тепло­изоляционной панелью показан на рис. 92. В ночное время панель поворачивается и в горизонтальном положении защищает растения от переохлаждения. Для большего эффекта внутренняя поверхность панели дол-

image124

Рис. 92. Гелиотеплица с подвижной теплозащитой г

І—северная стена; 2—неподвижная теплоизоляция стенки; 3— прозрачная изоляции; 4 — клапан Для вентиляции; 5 — подвижная теплоизоляция; S — теп­лоизолированный фундамент; 7 — галечный аккумулятор теплоты; 3 — бочки

с водой

жна быть окрашена в белый цвет. В этой гелиотеплице используются два тепловых аккумулятора — галечный и водяной. Галька засыпается в продольный канал в по­лу, проходящий по всей длине теплицы. Бочки с водой помещаются на полу У теплоизолированной стены. Мож­но также использовать канистры с парафином — в этом случае требуется меньший объем теплоаккумулирующего материала.. Вместо жесткой теплоизолирующей панели можно использовать горизонтальную штору, движущую­ся с помощью вращающихся опорных роликов.

Гелиотеплицу можно скомбинировать с другими по­лезными сооружениями. Например, внутри теплицы

можно разместить пруд для разведения рыб (рис. 93) или над ней устроить солнечный опреснитель.

При строительстве гелиотеплицы возникает ряд прак­тических вопросов. В частности, важное значение имеют такие вопросы, как выбор места для строительства теп­лицы, ее ориентации, угла наклона светопрозрачной по* верхностй. Теплицу надо размещать на ровном солнеч­ном месте, не затеняемом зданием или деревьями. Ни­зинные места, где часто бывают туманы и заморозки, не

5

image125

Рис. 93. Гелиотенлнца с прудом для разведения рыб:

/ — теплица; 2 — пруд; 3 — строительная конструкция; 4 — фундамент; 5 — вентиляционный клапан; £ —грядки с рассадой

пригодны для теплиц. Нельзя располагать теплицу в промежутке между двумя домами или между домом и са­раем, так как там возникает сильный поток воздуха. С северной стороны теплица должна быть защищена от ветров плотным забором или высоким кустарником — Устройство фундамента показано на рис. 94. Наруж­ная поверхность фундамента должна быть покрыта сло­ем теплоизоляции толщиной 30—40 мм (пенополисти­рол) . Теплоизоляция должна быть защищена от влаги земли битумным покрытием, рубероидом, полимерной пленкой. Если возможно попадание дождевой воды, то перед фундаментом вырывают ров и заполняют его круп­ной щебенкой, а на дно кладут дренажную трубу — ке­рамическую или пластмассовую — диаметром 50-^-200 мм.

Влага земли всегда проникает из крупнозернистого слоя в мелкозернистый, поэтому дно теплицы следует выкла­дывать из крупного щебня. Более надежную защиту от влаги обеспечивает многослойная структура, состоящая из слоев щебня, теплоизоляции и бетона со слоем поли­винилхлоридной пленки для защиты теплоизоляции от влаги. Особенно хорошая влагозащйта требуется для теплицы, пристроенной к жилому дому. Кроме описанной

image126

Рис. 94. Фундамент гелиотеплицы с теплоизоляцией (а) и влагоза­шитой (б):

У—фундамент; 2 теплоизоляция; 3 — рубероид; 4 — пленка или металличес­кий лист; S — щебень; 6 — дренажная труба; 7 — слой тощего бетона; 8 — плен­ка для вл а г оэ а щиты; 9 — пол; 10 — опорная стена

выше защитной структуры должен быть применен также барьер для распространения водяных паров в горизон­тальном направлении.

При изготовлении несущей конструкции и обшивки теплицы из дерева доски должны быть предварительно обработаны составом, защищающим от грибка; доски должны прибиваться так, чтобы вода не проникала через стыки (лучше всего, если доски перекрывают одна дру­гую). Рамы окон и дверей, а также вентиляционные от­верстия должны иметь хорошее уплотнение для предот­вращения неконтролируемой инфильтрации воздуха. Клапаны могут изготовляться из металлического листа или из фанеры и могут поворачиваться вокруг верти­кальной-или горизонтальной оси, расположенной посере­дине или с краю клапана. Все непрозрачные поверхности теплицы (северная стена, нижняя часть южной стены,
фундамент) для уменьшения теплопотерь должны быть теплоизолированы. В качестве теплоизоляции можно ис­пользовать такие материалы, как минераловатные Маты, пенопласты — пенополиуретан, пенополистирол, сухие

Подпись: 12 3 2 Рис. 95. Простая перенос-
ная гелиосушилка:

Подпись: I Рис. 96. Переносная солнечная сушилка: / — деревянный ящик с перфорированными стенками и днищем; 2 —остекление

I — стенка из фанеры; 2 — метал-
лическая сетка; 3 — остекление;
4 — опорные ножки

опилки и стружка, спрессованная солома и др. Следует помнить, что влажные материалы теряют свои теплоизо — ляционые свойства, поэтому особое значение имеет за­щита теплоизоляции от. попадания влаги.

Располагать гелиотецлицу надо так, чтобы конек ее

крыши совпадал с осью росток — запад. Угол наклона южной светопрозрачной поверхности выбирают с таким расчетом, чтобы обеспечить максимальное количество уловленной солнечной энергии в данной местности. Так, для средней полосы оптимальным является наклон в 50— 60°. Угол наклона крыши должен быть равным 20—35°, чтобы хорошо удалялись осадки и грязь. Толщина теп-

image129

Рис. 97. Секционный солнечный опреснитель (дистиллятору

image130

Рис. 98. Пленочный солнечный опреснитель!

I — полимерная пленка: У — трубя; S — строительная конструкція; * — гядро — «кодированНыВ лоток; я — теплоизоляции; S — желоб для дистиллята; 7 — И0Р’ скак води; * — яодяиоі пар; 9 —кокдекеат

лоизоляции северной стены выбирается в пределах 150— 250 мм в зависимости от коэффициента теплопроводнос­ти используемого материала. Остекленная поверхность в ночное время может иметь теплоизоляцию толщиной 20—50 мм. При этом коэффициент теплопотерь через ос­текление может уменьшиться от 6,8 Вт/(ма-°С) при од­ном слое стекла толщиной 3—4 м до 0,75 Вт/(м2-°С| при одном слое стекла и пенополистирольной теплоизоляции толщиной 50 мм. Для теплоизоляции можно использовать легкие пенопластовые маты толщиной 50 мм из экстру­дированного полистирола, закрепляемые магнитами на стекле.

Можно также использовать рулонный эластичный теплоизоляционный материал толщиной 30 мм. Чтобы не образовывался конденсат на холодной поверхности стек­ла (за теплоизоляцией), перед теплоизоляцией надо ус­тановить защиту (из полимерной пленки) от водяных паров. В теплицах больших размеров в ночное время ис­пользуются шторы из полимерной пленки с напыленным отражательным (алюминиевым) покрытием. Благодаря этому теплопотери снижаются на 40—60 %. При исполь­зовании наружной теплоизоляции на остеклении конден­сация водяных паров на стекле не происходит, но между теплоизоляцией (жесткие пенопластовые панели или гибкие маты) и остеклением не должно быть движения воздуха, а сама теплоизоляция должна быть защищена от воздействия осадков. Жесткие теплоизоляционные панели днем откидываются и отражают дополнительное количество солнечной энергии на светопрозрачные по­верхности теплицы.

Фундамент должен доставать до уровня постоянной температуры грунта, а его теплоизоляция должна покры­вать всю ту поверхность фундамента, которая может на­ходиться в области отрицательных температур. Обычно глубина фундамента составляет 80—120 см.

В огородничестве и садоводстве следует больше ис­пользовать грунт, защищенный 1—2 слоями полимерной пленки. Это сокращает сроки созревания на 2—3 недели. При выращивании клубники хороший эффект дает ис­пользование черной полимерной пленки, укладываемой на землю под кустики клубники. При этом подавляется рост сорняков, ускоряется рост клубники и предотвра­щается загрязнение ягод землей. Использование отра­жательных подстилающих цветных (красный цвет для

томатов, белый для картофеля) поверхностей способст­вует более быстрому созреванию плодов и клубней. Так же благотворно влияет отраженный солнечный свет на садовые культуры.

Для подогрева воды для плавательного бассейна и других сезонных потребителей рекомендуется использо­вать неостекленные пластмассовые (полипропиленовые} коллекторы в металлической раме (из алюминия или оцинкованного железа) на легкой металлической опор­ной конструкции.

Широкое применение должны получить солнечные сушилки, которые нетрудно изготовить самим. В § 13 описаны конструкции достаточно простых пленочных су­шилок (см. рис. 54 и 58). Рассмотрим еще некоторые кон­струкции переносных сушилок, которые могут быть ис­пользованы для различных сельхозпродуктов. Сушилка, показанная на рис. 95, представляет собой деревянный ящик (из фанеры или тонких досок) с двумя боковыми стенками и днищем из металлической сетки. Верхняя крышка может сниматься и имеет прозрачное покрытие. Сушилка снабжена четырьмя опорными стойками. Внут­ренняя поверхность ящика окрашена в черный цвет. Це­лесообразно также использовать полностью деревянный ящик с отверстиями для воздуха, а также перфориро­ванное днище с остеклением (рис. 96). Для сушки сена можно использовать сушилку, показанную на рис. 54 При этом воздухонагреватель следует располагать с южной стороны сарая, а саму камеру для сушки сена лучше помещать внутри сарая или амбара.

Можно изготовить также простой солнечный дистил­лятор для обессоливания минерализовайной или опрес­нения морской воды, пбказанный на рис. 97. В качестве материала для этого опреснителя можно использовать пенопласт (полистирол и т. п.). Указанные размеры од­ного модуля — чисто ориентировочные, число параллель­но соединенных аппаратов может быть любым. В каче­стве прозрачной изоляции следует использовать поли­мерную пленку. Простой пленочный опреснитель морской (минерализованной) воды показан на рис. 98. Прозрач­ная пленка, натягиваемая горизонтальной трубой и за­крепленная на стенках, пропускает солнечное излучение, которое поглощается зачерненным дном, от которого на­гревается тонкий слой морской воды. Вода испаряется, и пары конденсируются на пленке в виде капель, стека —

юідих по поверхности пленки в приемный желоб, откуда по трубке дистиллят отводится в сборную емкость. Снизу дистиллятор имеет слой теплоизоляции. Исходная вода периодически подпитывается.

Какова продолжительность хранения теплоты в аккумуляторе?

От нескольких часов до нескольких дней. Для уста­новок горячего водоснабжения обычно достаточно запа­са теплоты на 8—12 ч, а для установки солнечного ото­пления — от 2—3 до 4—5 дней. В принципе возможно запасать солнечную теплоту летом, а использовать ее зимой, но для этого требуются аккумуляторы теплоты большой вместимости с очень хорошей теплоизоляцией, экономически это нецелесообразно для индивидуальных потребителей.

АРХИТЕКТУРНО-КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СОЛНЕЧНЫХ домов

Применение солнечных установок для производства холода и кондиционирования воздуха представляет боль­шой интерес в условиях жаркого климата, так как при этом пиковая нагрузка охлаждения совпадает по време­ни с максимумом поступления солнечной радиации.

Тепловой комфорт человека зависит от скорости от­вода телоты, определяемой температурой и относитель­ной влажностью воздуха, скоростью его движения, фи­зической активностью человека. Отвод теплоты происхо­дит в результате конвекции, излучения и испарения влаги с поверхности тела человека.

Выбор способа охлаждения здания зависит от кли­матических условий: то, что подходит для сухого жар­кого климата пустынь, не годится для влажного клима­та тропиков и субтропиков. ,

Пассивное охлаждение. Одним из способов пассивно­го охлаждения дома является вентиляция прохладным ночным воздухом. Однако этот способ эффективен лишь в тех случаях, когда температура наружного воздуха в ночное время не превышает 18 °С. Вентиляция может быть естественной, когда она осуществляется при откры­вании окон и дверей, или механической, т. е. с примене­нием вентиляторов. Вентиляция ночным прохладным воз­духом охлаждает всю «тепловую массу» дома, т. е. соз­дает запас прохлады на следующий день. Эффективность этого способа возрастает в случае применения галечного аккумулятора, твердые частицы в котором охлаждаются при пропускании прохладного воздуха ночью, а днем са­ми охлаждают наружный воздух. Воздух, поступающий в дом, можно пропускать по проложенному в земле Ка­наду, цри этом он охлаждается.

Оригинальное архитектурное решение жилого дома с пассивной системой теплохолодоснабжения показано на рис. 42, где иллюстрируется принцип работы системы в режиме охлаждения. Летом наружный воздух движет­ся вследствие естественной тяги, охлаждаясь перед по­ступлением в дом при прохождении подземного канала и нагреваясь при отводе теплоты от внутренних поверх­ностей дома. Удаление нагретого воздуха осуществляет­ся из верхней точки дома через трубу с жалюзи с север­ной стороны. Отопление дома обеспечивается с помощью пристроенной гелиотеплицы и масляных радиаторов. Движение воздуха в доме зимой и летом регулируется с помощью клапанов. Стрелки указывают направление падения солнечных лучей в 12 часов дня 21 июня и 21 де­кабря. Зимой они через остекленные поверхности попада­ют в помещения, а летом нет.

Испарительное охлаждение. Эффективным способом охлаждения здания в условиях жаркого сухого климата

является испарительное охлаждение воздуха перед его поступлением в помещение или галечный аккумулятор. В камере испарительного охлаждения воздух контакти­рует со смачиваемыми поверхностями или струями воды. Наружный воздух с высокой температурой (35—40 °С) и низкой относительной влажностью (25—30 %) в ре-

image058

Рис. 42. Солнечный дом с пассивной системой теплохолодоснабже — ния (в режиме охлаждения):

/ — клапаны регулирования; 2 — 21 июня днем; 3 — 21 декабря днем; 4 — стек-
лянная подвижная дверь; 5, 6, 7 —теплый, чистый, , горячий воздух

зультате испарения воды охлаждается, а его относитель­ная влажность повышается. Он используется для охлаж­дения помещений дома, а при пропускании его через га­лечный аккумулятор происходит зарядка аккумулятора прохладой, которая в дневное время используется для охлаждения помещений.

В зданиях с пассивными гелиосистемами обычно для вентиляции предусматриваются специальные отверстия в противоположных стенах. Нагретый воздух удаляется через отверстия в верхней части южной стены дома. Бла­годаря этому понижается давление воздуха в здании и наружный воздух поступает через открытые окна, две­ри и отверстия, расположенные в нижней части северной стены.

Радиационное охлаждение. В районах с сухим жар­ким климатом большое количество теплоты излучается в ночное время в открытый космос. Температура косми­ческого пространства близка к абсолютному нулю, од­нако атмосфера Земли влияет таким образом, что эф­фективная температура излучения ночного небосвода мало отличается от температуры наружного воздуха. В условиях прозрачной атмосферы эта температура ни­же температуры воздуха на 8—14 °С в жарком влажном климате и на 14—20 °С в жарком сухом климате. Плот­ность потока излучения абсолютно черного тела при тем­пературе небосвода — 11 °С составляет 63 Вт/м2, а для материалов с высокой излучательной способностью при низких температурах, соответствующих длинам волн 8— 12 мкм, плотность потока излучения может составлять 50 Вт/м2 и температура излучающей поверхности может понижаться на 20—40 °С. При ясном-небе и прозрачной атмосфере вода в мелких открытых резервуарах в горах ночью замерзает.

Описанный эффект можно использовать для радиаци­онного охлаждения здания. Для этого крыша дома должна быть изготовлена из металлического листа с пе­редвижными теплоизоляционными щитами (рис. 43,а). В ночное время щиты снимают с металлической крыши и происходит излучение теплоты в окружающее прост­ранство. Охлаждение помещений осуществляется в ре-

image059

Рис. 43. Радиационное охлаждение дома с излучающей металличес­кой крышей (а) и резервуаром с водой (б):

/ — металлическая крыша; 2 — теплоизоляционные щиты (панели); 3 — резер-
вуар с водой

зультате конвекции воздуха и излучения стен и пола. Для усиления охлаждающего эффекта крышу можно орошать тонкой пленкой испаряющейся воды. Днем теп­лоизоляционные щиты закрывают крышу и предотвра­щают ее нагрев солнечной радиацией. Под крышей мож­но разместить теплоизолированную горизонтальную пе­регородку с отверстиями для циркуляции воздуха. В ночное время возникает конвективное движение воз­духа и при его контакте с излучающей крышей он охлаж­дается и соответственно охлаждает здание.

На металлической крыше дома могут быть размеще­ны резервуары с водой, имеющие передвижную тепловую изоляцию (рисл 43, б). Толщина слоя воды 50—100 мм. Ночью в результате излучения происходит охлаждение крыши и воды. Резервуары служат аккумулятором охлажденной воды и в дневное время закрываются теп­ловой изоляцией.

В условиях жаркого влажного климата требуется не только охлаждение, но и осушение воздуха с помощью адсорбента (силикагеля), который можно в виде тонко­го слоя разместить под металлической крышей. В бетон­ных стенах и полу предусматриваются каналы для цир­куляции воздуха. В ночное время воздух из помещений проходит над слоем силикагеля, поглощающего влагу. Выделяющаяся при этом теплота передается металличе­ской крыше и излучается ею в окружающее пространст­во — происходит охлаждение воздуха и корпуса дома. Днем клапаны перекрывают циркуляцию воздуха в сте­нах здания, а наружный горячий воздух, поступающий в пространство между слоем силикагеля и металличес­кой крышей, осушает силикагель и тем самым подготав­ливает его для ночного процесса.

За счет радиационного охлаждения можно покрыть не менее 25 % нагрузки охлаждения, а при использова­нии силикагеля и вентиляторов на потолке можно отво­дить 100 % избыточной физической и скрытой теплоты при температуре в помещениях выше 27 °С и относитель­ной влажности до 68 %.

Надежность теплохолодоснабжения повышается с включением в систему теплового насоса.

На рис. 44 показана схема комбинированной систе­мы теплохолодоснабжения здания с использованием теп­лового насоса типа воздух—воздух и воздушного солнеч­ного коллектора. В режиме отопления нагретый воздух

из солнечного коллектора поступает в галечный аккуму­лятор теплоты. Испаритель теплового насоса находится внутри аккумулятора, а конденсатор — в воздушном ка­нале распределительной системы отопления. Теплота, полученная рабочим телом в испарителе, вместе с энер-

image060

Рис. 44. Схема гелиотеплонасосной системы теилохолодоснабжения (в режиме отопления):

I — солнечный коллектор; 2 — галечный аккумулятор теплоты; 3 — вентилятор;
4 — компрессор; 5 — испаритель; 6 — дроссельный вентиль; 7 — конденсатор;
«— наружный воздух; 9 — воздух из помещения; 10 — сброс воздуха; II —
воздух а помещение; 12 — запорнорегулирующнй клапан

гией привода компрессора теплового насоса отводится в конденсаторе. Забираемый из помещения воздух, сме­шанный в определенном соотношении с наружным воз­духом, нагревается за счет теплоты, отбираемой от кон­денсатора теплового насоса, и вентилятором подается в помещение. В состав теплового насоса входит дроссель­ный вентиль.

В режиме охлаждения переключающие клапаны изме­няют направление движения воздуха во вторичном кон­туре. Горячий воздух из помещения охлаждается прн

прохождении через испаритель, в то время как воздух, используемый для отвода теплоты из конденсатора, вы­брасывается в атмосферу. Охлаждение галечного акку­мулятора происходит за счет циркуляции воздуха в кол­лекторе в ночное время.

В системе с тепловым насосом типа вода—вода, как правило, используются два бака-аккумулятора — один с горячей, а второй с холодной водой — и тепловой на­сос поддерживает заданную разность температур. Такая система надежно работает жарким летом с высокой ин­тенсивностью солнечной радиации, малым количеством осадков и низкой скоростью ветра. Ее можно применять в республиках Средней Азии.

Аккумулирование тепловой энергии может осуществ­ляться в одном баке, разделенном пергородкой на две секции: верхнюю-т-для горячей и нижнюю — для холод­ной воды. С помощью теплового насоса теплота из ниж­ней секции бака, где расположен испаритель, передается в верхнюю, в которой установлен конденсатор. В режиме отопления горячая водаі из верхней части бака направ­ляется в систему панельно-лучистого отопления. При ра­боте системы в режиме ^охлаждения вода в верхней сек­ции бака охлаждается в процессе ночного излучения теплоты коллектором, а для охлаждения помещения ис­пользуется более холодная вода из нижней секции бака, причем необходимую разность температур обеспечивает тепловой насор. Обычные кондиционеры воздуха можно рекомендовать лишь для районов с сухим жарким кли­матом. Во влажном климате необходимо применять спе­циальную установку для осушения воздуха. Использова­ние теплового насоса наиболее целесообразно в таких климатических зонах, где отсутствуют большие колеба­ния летних и зимних температур воздуха и тепловые на­грузки систем отопления и охлаждения приблизительно одинаковы. В этих условиях тепловой насос использует­ся круглогодично с полной загрузкой.

На рис. 45 показана схема абсорбционной водо-амми­ачной гелиосистемы охлаждения здания. В этой системе аммиак служит хладагентом, а вода — абсорбентом. На­гретый в солнечном коллекторе теплоноситель с темпера­турой 80 °С поступает в генератор. Из абсорбера силь­ный раствор хладагента (аммиака) в воде подается на­сосом в теплообменник, где нагревается до температуры 70 °С и поступает в генератор, в котором при нагревании

Подпись: J Рис. 45, Схема водо-аммиачной гелиосистемы кондиционирования воздуха:

из раствора выделяется аммиачный пар. Слабый раствор аммиака через теплообменник стекает в абсорбер, а па­ры аммиака с температурой 75 °С после отделения ка­пелек воды направляются в конденсатор. Из конденса­тора жидкий хладагент через дроссельный вентиль по­ступает в испаритель, где он отбирает теплоту у воздуха (воды) и снова превращается в пар, а охлажденный воз­дух (вода) направляется в помещение. Пары аммиака поступают в абсорбер и поглощаются слабым раствором.

I — солнечные коллектор; І — генератор; 3 — конденсатор; 4 — испаритель;

5 — абсорбер;, 6 — теплообменник; 7 — насос; в — вентиль; 9 — наружный воз-
дух; 10 — охлажденный воздух; // — холодная вода; 12 — горячая вода

Теплота, выделяющаяся в абсорбере и конденсаторе, от­водится с помощью воды, охлажденной в градирне. В ре­зультате получается нагретая вода. Сильный раствор на­сосом подается через теплообменник в генератор.

В гелиосистеме, показанной на рис. 46, хладагентом служит вода, а абсорбентом — бромистый литий. При подводе теплоты в генераторе происходит испарение во­ды. Хладагент — перегретый водяной пар — направляет­ся в конденсатор. Образующийся конденсат проходит через дроссельный вентиль в испаритель, а затем цар поступает в адсорбер, где он смешивается с концентриро­ванным раствором бромистого лития, стекающим из гене­
ратора через теплообменник и дроссельный вентиль. В испарителе и абсорбере поддерживается разрежение. Теплота из абсорбера и конденсатора отводится водой, охлажденной в градирне. Предусмотрен бак холодной воды, и осуществляется подпитка.

В генераторе поддерживается температура в преде­лах 77—99 °С, в абсорбере и конденсаторе — порядка 40 °С, а в испарителе —около 5 °С. При испарении воды в испарителе происходит охлаждение воздуха или воды.

image062

Рис. 46. Схема бромисто-литиевой гелиосистемы кондиционирования

воздуха:

/ — коллектор: 2 — теплообменник; 8 — аккумулятор теплоты; 4 —котел; 5 —
генератор: 6 — испаритель; 7 —абсорбер; 8 — конденсатор; 9 — градирня; 10 —
охладитель воздуха вентилятором

Слабый раствор из абсорбера направляется в генератор, и цикл повторяется. Теплообменник используется для подогрева слабого раствора за счет теплоты, отнимаемой у концентрированного раствора.

В соответствии с рис. 46 из солнечного коллектора че­рез теплообменник или непосредственно теплота пере­дается в бак-аккумулятор. Циркуляция теплоносителя в контуре коллектора й аккумулятора осуществляется посредством насоса Н4 и Н5. Горячая вода из бака-ак­кумулятора поступает в котел, затем подается насосом Н2 в генератор, а из него — в нижнюю часть аккумуля­тора и через трехходовой вентиль — в котел. Этот вен­тиль предотвращает попадание теплоты из котла в акку­мулятор. Охлаждающая вода из градирни насосом НЗ подается в абсорбер и конденсатор, прн этом ее темпе­ратура возрастает с 24 до 32 °С. Насос Н1 подает охлаж­дающую воду для охлаждения воздуха, подаваемого вен­тилятором в здание.

Для установки мощностью 10 кВт требуется солнеч­ный коллектор площадью 50 м2 (при КПД 34 %), она стоит около 15 тыс. руб., в то время как обычный элек­трический кондиционер — 800 руб.

Баланс энергии бромисто-литиевой установки мощно­стью 10 кВт характеризуется следующими величинами мощности потока теплоты (<р=0,8): генератор —

12,5 кВт, конденсатор — 10,55 кВт, абсорбер — 11,95 кВт, градирня — 22,5 кВт.

Во всем мире имеются памятники древней архитекту­ры, свидетельствующие о том, что строители всегда стре­мились придавать зданиям такую форму, размещать их и ориентировать отдельные элементы (внутренние про­странства, двери, окна и т. д.) таким образом, чтобы максимально использовались преимущества климата и ландшафта, а при определении теплового комфорта учитывалась роль деревьев, растительности и водоема, расположенного вблизи здания. В конструкциях зданий часто используются массивные стены и реализуется стремление уменьшить отношение поверхности здания к его объему для снижения колебаний температуры воз­духа в помещениях.

Применение в современных солнечных домах систем для использования солнечной энергии определяет особен­ности их архитектуры, сказывается на ориентации зда­ния, положении его элементов относительно южного на­правления и плоскости горизонта, определяет выбор ма­териалов и конструкций ограждений и т. п. Рассмотрим особенности архитектурно-планировочных и конструктив­ных решений домов с гелиосистемами теплоснабжения и проанализируем решения ряда солнечных домов, опыт создания которых мОжет оказаться полезным при строи­тельстве индивидуальных жилых домов с гелиосисте­мами.

Во многих странах мира все более возрастает инте­рес к солнечной или биоклиматической архитектуре. При этом возникают новые решения, которые нередко расхо­дятся с традиционными представлениями классической архитектуры.

Помимо всех требований, предъявляемых к совре­менному жилищному строительству, солнечная архитек­тура должна обеспечивать улавливание максимального количества солнечной энергии в зимний период с целью снижения потребления топлива. В солнечных домах ис­пользуются пассивные и активные гелиосистемы. В пас­сивных системах солнечная энергия улавливается и аккумулируется в ограждающих конструкциях самого здания: в полу, стенах, потолке. Архитектурно-планировоч­ные решения солнечных домов определяются особенно­стями климатических условий и имеют специфику в хо­лодном и жарком сухом или влажном климате.

Первая пассивная гелиосистема была запатентована в США в 1881 г. Это был патент на остекленную южную стену темного цвета. В 1972 г. она была вновь запатенто­вана во Франции и по именам изобретателя и архи­тектора получила название стены Тромба — Ми­шеля.

В СССР построен ряд солнечных дОмов в южных рай­онах. По разработке институтов ИВТАН и Армгипросель — хоз в п. Мерцаван (Армения) в 1981 г. построен экспери­ментальный жилой одноквартирный дом с активной солнечной установкой теплоснабжения, Включающей плос­кий КСЭ площадью 32,4 мг, аккумулятор теплоты и си­стему КИП. Гелиоустановка покрывает до 55 % годового теплопотребления дома и обеспечивает годовую эконо­мию топлива до 3 т условного топлива. Сметная стои­мость гелиоустановки (5,5 тыс. руб.) составляет 15,5 % стоимости дома.

Солнечный двухквартирный дом эксплуатируется в п. Ильичевск Ташкентской обл. Каждая квартира жи­лой площадью 63 м2 снабжена независимой системой сол­нечного теплоснабжения, которая включает КСЭ пло­щадью 56 м2, установленный под углом 70° перед южным фасадом здания, аккумулятор теплоты емкостью 4 м3 (запас теплоты на 2—3 дня) на базе водонагревателя СТД-3071, отдельный бак горячей воды емкостью 0,4 м3 на базе водонагревателя СТД-3070, насос ЦВЦ-6,3-3,5 и водонагреватель-дублер КЧМ-1м на природном газе. Отопительные приборы — конвекторы «Комфорт-20». Не­токсичный недорогой и не вызывающий коррозии неза­мерзающий теплоноситель НОЖ-2 используется в конту­ре КСЭ, аккумуляторе теплоты и отопительных прибо­рах.

Циркуляция теплоносителя в контуре КСЭ — прину­дительная, а в системе горячего водоснабжения и в кон­туре аккумулятора — отопительных приборов —естест­венная. За отопительный сезон обеспечивается около 30% нагрузки теплоснабжения, а за 7 мес теплого пери­ода— 100% нагрузки горячего водоснабжения.

Гелиоустановка пансионата в г. Геленджике эконо­мит 355 т условного топлива в год, что эквивалентно эко­номии 20 900 руб. в год. Разработаны и строятся экспе­риментальные четырех-пятикомнатные жилые дома в Армении и Дагестане с площадью застройки 125 м2, отап­ливаемой площадью, до 95 м2 и объемом 264 м3. При площади солнечного коллектора 32 и 58 м2 расчет­ная доля солнечной энергии в покрытии нагрузки теп­лоснабжения равна соответственно 0,41 и 0,71. Сметная стоимость дома равна 32 тыс. руб. Ожидается, что в год будет экономиться соответственно 1,3 и 3,2 т условного топлива.

Экспериментальный дом фирмы «Филипс» (ФРГ; г. Аахен, 50,5° с. ш.) жилой площадью 116 м2 и объемом 290 м3 (рис. 37, а) оборудован эффективной системой для использования солнечной энергии, теплоты грунта и ути­лизации теплоты сточных вод и удаляемого вентиляцион­ного воздуха. Поставленная при проектировании цель снижения теплопотерь здания была достигнута путем применения улучшенной теплоизоляции стен, двойного остекления окон с отражательным для инфракрасного

image052

1 — солнечный коллектор; 1 — аккумулятор теплоты; 3 — бак для сбора сточ­ных вод; 4 — бак горячей воды; 5 — тепловой насос; б —душ; 7 — отопитель­ные приборы; 8 — мини-ЭВМ; 9 — вентилятор: 10 — электросеть; 11 — вспомо­гательная стенка; Т1—Т6 — теплообменники; И и К — испаритель и конденса­тор теплового насоса; ХВ и ТВ — холодная и горячая вода; ИВ — использо­ванная вода; В а УВ — свежий н удаляемый воздух; ВО — воздушное отопле­ние; Н1~НЗ — насосы

излучения покрытием, уменьшения нерегулируемой ин­фильтрации воздуха и организации принудительной вен­тиляции. Благодаря изоляции стен слоем минеральной ваты толщиной 250 мм по сравнению со стандартным домом коэффициент теплопередачи через стены снизился с 1,23 до 0,14 Вт/(м2-К), а для окон площадью 23,5 м2— с 5,8 до 1,5 Вт/(м2-К). При этом годовая потребность в теплоте для отопления уменьшилась в 6 раз и состав­ляет 8,3 МВт-ч вместо 49,6 МВт-ч.

Дом используется для проведения исследований и обо­рудован гелиосистемой, тепловым насосом и теплоутили­зационными устройствами (рис. 37,6). Гелиосистема включает коллектор солнечной энергии площадью 20 м2, сезонный водяной аккумулятор теплоты емкостью 40 м3 для отопления и бак объемом 4 м3 для подогрева воды. Вода, нагреваемая в коллекторе до 95 °С, посредством теплообменника Т1 передает теплоту воде в аккумулято­ре. Тепловой насос использует теплоту сточных вод, со­бираемых в баке 3 емкостью 1 м3, в котором размещен испаритель И теплового насоса, а его конденсатор К рас­положен в баке 4 вместе с электронагревателем.. Тепло­вой насос также отбирает теплоту от грунта с помощью теплообменника Т5, расположенного под домом в земле. Тепловой насос имеет два испарителя (Я и Т5), и его коэффициент преобразования равен 3,5—4 в диапазоне температур 15—>50 °С при мощности привода компрессо­ра 1,2 кВт. С помощью насоса НЗ ц трубопроводов акку­мулятор теплоты соединяется с баком 4, а через него — с тепловым насосом 5 и баком 3. В доме предусмотрена вспомогательная стенка, сообщающаяся с грунтом и ис­пользуемая для подогрева (зимой) и охлаждения (ле­том) воздуха (В), поступающего в здание.

Система может работать в различных режимах, и уп­равление ею осуществляется с помощью мини-ЭВМ.

Для отопления здания теплота подается к радиато­рам из сезонного аккумулятора посредством теплообмен­ника Т2. Аккумулятор заряжается до температуры 95 °С от солнечного коллектора посредством теплообменника 77 или от теплового насоса. Вентиляция здания осуще­ствляется воздухом (В), подогретым в утилизационном теплообменнике Тб, удаление воздуха (УВ) производит­ся вентилятором. Для горячего водоснабжения вода, по­даваемая в душ, вначале подогревается в теплообменни­ке ТЗ, размещенном в баке 3 утилизации теплоты сточ­
ных вод, а затем догревается до 55 °С в теплообменнике Т4 в баке 4 за счет теплоты, подводимой от коллектора солнечной энергии или от теплового насоса. Аккумуля­тор, баки, два насоса (Н2 и НЗ) и тепловой насос раз­мещены в подвале, ЭВМ и один насос (HI) — в мансар­де. Охлажденная использованная вода (ИВ) отводится в канализацию.

Коллектор (рис. 38) выполнен из 18 модулей и раз­мещен на южном скате крыши. Модуль КСЭ представ­ляет собой вакуумированный стеклянный баллон, верх­няя часть внутренней поверхности которого имеет покры-

Подпись:Рис. 38. Вакуумированный стек-
лянный трубчатый коллектор (в
разрезе):

I — стеклянная труба; 2— теплоотра­жательное покрытие; 3 — зеркальный слой; 4 — приемник солнечного излу­чения; 5 — труба для нагрева теплоно­сителя

тие, отражающее тепловое излучение, а нижняя часть покрыта посеребренным слоем, отражающим солнечные лучи на приемник, который изготовлен из покрытой чер­ной стеклянной эмалью U-образной трубы для нагрева­емого теплоносителя (воды). Оптический КПД коллек­тора равен 0,76, а коэффициент теплопотерь 1,5 Вт/ /.(м2-°С).

Дом с нулевой потребностью в топливной энергии, по­строенный в 1975 г. в г. Копенгагене (55°43 с. ш., Да­ния), имеет площадь 120 м2 и объем 300 м3. Он состоит из двух блоков с плоской крышей, соединенных жилой комнатой со стеклянной крышей, на которой размещается КСЭ площадью 42 м2. Стены, пол и потолок дома име­ют тепловую изоляцию из минеральной ваты толщиной 0,3—0,4 м, причем она с обеих сторон обшита фанерой с водоотталкивающим покрытием. Окна снабжены теп­лоизолирующими ставнями. Свежий воздух в здание по­дается вентиляционной системой. Теплота из КСЭ пере­дается в подземный бак-аккумулятор объемом 30 м3 с толщиной слоя минеральной ваты 0,6 м. Летом осуще­ствляется вентиляция через остекленный проем в крыше.

Коэффициент теплопотерь стен равен 0,14 Вт/(м2-°С), годовая тепловая нагрузка отопления составляет 2300 кВт ч, а горячего водоснабжения 3050. кВт-ч. Годо­вая теплопроизводительность солнечного коллектора равна 9017 кВт-ч, 25 % этого количества теплоты исполь­зуется для отопления, 34 % — Для горячего водоснабже­ния, а 41 % составляют теплопотери аккумулятора.

При строительстве жилых домов, в которых предпо­лагается использование солнечной энергии для отопле­ния, необходимо учитывать следующие положения: солнечный дом должен быть спроектирован таким об­разом, чтобы обеспечивалось максимально возможное улавливание солнечной энергии в холодное время года и минимальное ее поступление внутрь дома летом;

дом должен иметь небольшие тепловые потери, что обеспечивается применением улучшенной тепловой изо­ляции в стенах, полу, потолке, а также уменьшением не­контролируемого поступления холодного наружного воз­духа и организацией принудительной регулируемой вен­тиляции для поддержания требуемого тепловлажностно­го режима помещений;

по возможности солнечный дом не должен иметь окон в северной стене, а если этого избежать ие удается, то их площадь должна быть небольшой;

в индивидуальном доме северная стена может быть полностью или частично засыпана землей (постоянно или только зимой), то же относится (в меньшей мере) к вос­точным и западным стенам;

потери теплоты через окна в ночное время могут быть существенно снижены благодаря применению ставней или в крайнем случае плотных штор;

потери теплоты вследствие проникновения холодного воздуха должны быть сведены к минимуму путем уплот­нения всех щелей и устройства тамбура у входной двери;

солнечный дом должен иметь компактную двух-трех — этажную конструкцию, чтобы приблизиться к оптималь­ному соотношению его объема и наружной поверхности.

Рассмотрим примеры конструктивного выполнения ряда солнеч­ных домов, построенных в различных странах, опыт которых можно позаимствовать. Южная вертикальная стена двухэтажного жилого дома в г. Доувер (штат Массачусетс, США, 42° с. ш.) площадью 135 и* служит солнечным коллектором для нагрева воздуха (рис. 39). Аккумулирование теплоты осуществляется с помощью глаубе­ровой соли (кристаллогидрата сульфата натрия), которая плавится при подводе теплоты и затвердевает при ее отводе (при 32°С). Ко­личество аккумулируемой теплоты достаточно для покрытия тепло — потребления дома-в течение 10 дней.

Дом в г. Денвер в горахмітата Колорадо (40° с. ш., США) жи­лой площадью 186 м! снабягеч воздушным солнечным коллектором площадью 56 иг. установленным на крыше (рис. 40,а). Коллектор состоит из наполовину зачерненных стеклянных пластин, установлен-

image054

image055

Рис. 39. Дом (а) и схема гелиосистемы отопления (б):

I — коллектор; ? — циркуляция воздуха; 3 — аккумулятор теплоты

ных друг над другом в наклонном положении в теплоизолированном корпусе с прозрачной крышкой (рис. 40,6). Воздух нагревается при движении между стеклянными пластинами и вентилятором подается в аккумулятор теплоты, представляющий собой два вертикальных цилиндра диаметром 0,9 и высотой 5,5 м, заполненных 6 т кусков гранита (рис. 40, в). Доля солнечной энергии в покрытии тепловой нагрузки отопления составляет 0,3.

. Другой вариант конструкции жилого дома с пристроенным к южному фасаду зимним садом (оранжереей) и солнечным коллек-

image056

Рис. 40. Внешний вид дома (а), солнечный коллектор (б) и схема гелиосистемы (в):

6: / — корпус; 2 — теплоизоляция; 3 — стеклянные пластины; 4 — стекло;
в: / — коллектор: 2 —аккумулятор теплоты; 3 — вентилятор; 4 — воздуховод;
5 — распределение, теплого воздуха

тором на крыше показан на рис. 41, о. Гибридная пассивно-активная гелиосистема предназначена для отопления и горячего водоснабже­ния. Недостающая энергия подводится от электронагревателей, раз­мещенных в баке-аккумуляторе системы горячего водоснабжения и внутри отапливаемых помещений. Включение и выключение элект­ронагревателей происходит автоматически по сигналу, поступающе­му от системы управлення, содержащей датчики температуры, регуляторы и термостаты, Схема гелиосистемы приведена на рис, 41,6.

image057

Рис. 41. Дом с гибридной гелиосистемой отопления:

а — внешний вид дома; б — схема гелиосистемы; 1 — солнечный коллектор на ирыше дома; 2 — расширительный бак; 3 — аккумулятор-подогреватель с элект­рическим дублером; 4 — регулятор; 5 — вентиль; 6 — насос; 7 — аккумулятор с теплообменником; 8 — радиаторы; 9 — электронагреватель; 10 — датчик тем­пературы

МОНТАЖ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВОК

При монтаже и установке гелиосистем теплоснабже­ния рекомендуется следующая последовательность вы­полнения работ.

I. Изготовление, монтаж и установка жидкостной гелиосистемы теплоснабжения.

Установка водяного аккумулятора теплоты включает следующие этапы:

строительство основания, фундамента или опорной конструкции — при выполнении бетонных работ на залив­ке фундамента здания;

установку бака-аккумулятора; монтаж обвязочнцх трубопроводов; заполнение системы водой и проведение испытаний на плотность;

монтаж тепловой изоляции.

, Установка коллектора солнечной энергии включает в себя:

изготовление и установку опорной конструкции — пои изготовлении каркаса, рамы, стропил и других строи­тельных элементов крыши дома;

монтаж опорной конструкции и установку солнечного коллектора на крыше;

монтаж соединительных трубопроводов; испытание контура солнечного коллектора на плот­ность;

проведение теплоизоляционных работ на трубопро­водах.

Установка теплообменников и дополнительного ис­точника энергии включает следующие этапы: монтаж трубопроводов, насосов и арматуры; испытание трубопроводов на плотность; проведение теплоизоляционных работ на трубопро­водах;

установку дополнительного источника энергии. Монтаж установки горячего водоснабжения включает следующие этапы:

Подпись: 19313—675

монтаж теплообменника и трубопроводов для пред­варительного подогрева воды; испытание на плотность; проведение теплоизоляционных работ; монтаж баков-аккумуляторов.

Установка приборов и датчиков системы управления состоит из:

установки датчиков и приборов управления и регу­лирования по месту;

монтажа щита управления с приборами.

II. Изготовление, монтаж и установка воздушных гелиосистем теплоснабжения.

Установка галечного аккумулятора теплоты включа­ет этапы:

изготовление основания и опорной конструкции; изготовление бункера (контейнера) — до установки крыши над помещением или перекрытия над подвалом, в котором устанавливается аккумулятор;

заполнение бункера твердыми частицами гальки, гра­нита и т. п.;

монтаж воздуховодов; проведение изоляционных работ.

Монтаж и установка солнечного коллектора, системы подогрева воды, вспомогательного оборудования и при­боров выполняются в той же последовательности, что и для жидкостных гелиосистем.

При монтаже трубопроводов необходимо выполняв следующие правила:

для уменьшения тепловых потерь и гидравлического сопротивления длина основных трубопроводов и ответв­лений должна быть минимально возможной, а ответвле­ния должны иметь одинаковый диаметр, чтобы обеспе­чивалось равномерное распределение теплоносителя меж­ду отдельными модулями коллектора;

следует использовать минимальное количество сое­динительных деталей, арматуры и т. п.; колена и поворо­ты трубопроводов необходимо изготовлять с помощью гибочного станка;

для предотвращения контактной коррозии при уста­новке арматуры из медных сплавов на стальных трубо­проводах необходимо использовать соединительные эле­менты из диэлектрических Материалов;

на длинных прямых участках трубопроводов должны

быть предусмотрены компенсаторы температурных уд­линений и соответствующие опоры;

в самых верхних точках системы должны быть уста­новлены воздушники и должен быть предусмотрен слив жидкости из нижних точек системы.

При использовании в контуре коллектора антифриза должен быть предусмотрен расширительный бак, емкость которого составляет приблизительно 1—2 % емкости контура, включая сам коллектор.

Какова средняя теплопроизводительность гелиоустановки?

Она зависит от климатических характеристик района и характеристик применяемого гелиотехнического обо­рудования — коллекторов, аккумуляторов и др. В сред­ней полосе при использовании плоского коллектора мож­но получить до 350 кВт-ч теплоты в год сім2 площади КСЭ,

ПЛАВАТЕЛЬНЫЕ БАССЕЙНЫ С СОЛНЕЧНЫМ ОБОГРЕВОМ

Солнечные установки наиболее целесообразно приме­нять для низкотемпературных процессов. Температура воды в плавательных бассейнах обычно поддерживается на уровне 20—27 °С, что всего йа 5—15 °С выше темпера­туры наружного воздуха, и энергия солнечной радиации в летний период—с начала июня до середины сентяб­ря — вполне может заменить традиционный источник энергии. То же относится и к лечебным минеральным ваннам, хотя в этом случае температура воды и несколь­ко выше — 35—38 °С. Благодаря использованию солнеч­ной энергии купальный сезон в открытых плавательных бассейнах будет увеличен на 1,5—2 мес. в год, а в за­крытых бассейнах будет обеспечена значительная эконо­мия топлива, особенно с учетом того, что в летний пери­од котлы работают неэффективно — с низким КПД. От­ключение котлов на этот период не только снижает расход топлива, но и уменьшает загрязнение окружаю­щей среды вредными выбросами, в том числе оксидами серы и азота.

В ряде стран (США, Австралия, ФРГ) в течение мно­гих лет успешно эксплуатируется большое число частных и коммунальных плавательных бассейнов с солнечным обогревом. Это перспективная область применения сол­нечных установок как в спортивно-оздоровительных уч­реждениях, так и в индивидуальном строительстве в бла­гоприятных в климатическом отношении районах страны,

В условиях средней полосы и южной части СССР ге­лиоустановки могут давать как минимум 250—300 кВт* ч

полезной теплоты в год с 1 м2 площади плоского солнеч­ного коллектора. Одна из возможных схем гелиоустано­вок для подогрева воды в плавательном бассейне пока­зана на рис. 47, а. Вода из бассейна насосом прокачивает­ся через фильтр и направляется в солнечный коллектор. Нагретая вода из коллектора поступает в бас­сейн. В схеме предусмотрены обратный клапан, воздуш­ный клапан и байпасная линия с вентилем. Коллектор должен быть изготовлен из коррозионно-стойких мате­риалов, чтобы не подвергаться агрессивному действию воды из бассейна. Кроме того, материал должен выдер-

image063

Рис. 47. Схемы солнечных установок для обогрева плавательных

бассейнов:

а — одноконтурная схема; 6 — схема солнечно-теплонасосной установки:
/ — бассейн; У —насос: а —фильтр; 4 — обратный клапан: 5 — коллектор сол-
нечной энергии; 6 — воздушник; 7 — байпас с вентилем; в — тепловой насос;
9 — теплообменник; 10 — трехходовой клапан

живать температуру от —20 до 70 °С, обладать хорошей поглощательной способностью и высоким коэффициен­том теплопроводности. Через коллектор прокачивается большое количество воды, и должно быть обеспечено та­кое поперечное сечение каналов, чтобы гидравлическое сопротивление было минимальным. Наиболее подходя­щими материалами являются окрашенные в черный цвет полиэтилен, полипропилен и синтетический каучук. Пер­вые два материала дешевы, а каучук значительно доро­же, но более стойкий. При годовом поступлении 1050 кВт-ч/м2 солнечной энергии на горизонтальную по­верхность и площади КСЭ 800 м2 за. сезон гелиоустанов­

ка может дать 170 МВт-ч теплоты, а потребность в теп­лоте составляет 270 МВт-ч. В данном случае КСЭ не имеет остекления, вода в нем подогревается на 3,5 °С, и средняя тепловая мощность установки за сезон состав­ляет 270 кВт, а ее КПД — 38,3 %. Длинные оребренные трубы изготовлены из полипропилена, а прямой и обрат­ный соединительные трубопроводы — из полиэтиленовых труб.

Схема комбинированной солнечно-теплонасосной установки для обогрева плавательного бассейна показа­на на рис. 47, б. Летом в бассейне поддерживается тем­пература не ниже 20 °С. Это обеспечивается с помощью КСЭ. При неблагоприятных погодных условиях включа­ется тепловой насос, использующий КСЭ в качестве ис­парителя.

Для снижения тепловых потерь водная поверхность бассейгіа покрывается специальной оболочкой. Если тем­пература воды в бассейне выше, чем в КСЭ (осенью, вес­ной), то КСЭ отключается, а работает тепловой насос.

В условиях средней части СССР гелиоустановка, предназначенная для поддержания температуры воды в плавательном бассейне на уровне 20—-27 °С, дает за сезон 250—270 кВт-ч полезной теплоты на 1м2 площади КСЭ. Для сравнения укажем» что годовая удельная теп- лопроизводительность гелиосистемы горячего водоснаб­жения равна 300—500 кВт-ч/м2 в год, а гелиоустановка отопления (30—70°С) 150—300 кВт-ч/м2 в год. Бассейн теряет теплоту вследствие испарения воды, конвекции и излучения в окружающую среду, теплопроводности от дна к грунту и на разогрев. Требуемое количество теп­лоты от обычного топливного источника равно разности между суммарными теплопотерями бассейна и поступ­лением солнечной энергии.

Тепловые потери открытого плавательного бассейна могут быть существенно снижены, если в те периоды, когда бассейн не используется, т. е. в ночное время и в — холодную ненастную погоду, закрывать его водную по­верхность. Для этого можно использовать полимерную пленку или плиты из пенопласта. При работе бассейна полимерное покрытие убирается и хранится в свернутом виде на краю бассейна, плиты также могут быть сложе­ны там же в виде штабеля. Второй вариант — это двух­слойное полимерное покрытие в виде подушки, которая надувается воздухом и изолирует поверхность воды от наружного воздуха; при работе бассейна воздух выпус­кается и благодаря наличию утяжелителей покрытие по­гружается на дно бассейна. Защита поверхности воды от наружного воздуха позволяет уменьшить тепловые поте­ри на 40—50 %, что при площади бассейна 1000 м2 экви­валентно экономии почти 25—35 м3 мазута за сезон в районах с годовым поступлением солнечной энергии порядка 1000—1100 кВт-ч/м2.

При использовании пластмассовых коллекторов себе­стоимость 1 кВт-ч теплоты в 3—5 раз ниже по сравне­нию со стандартными плоскими КСЭ и в 6—10 раз ниже по сравнению с вакуумированными КСЭ.

Один из наиболее крупных открытых плавательных бассейнов с солнечной установкой в Европе находится в г. Виде (ФРГ) и име­ет площадь поверхности воды 1500 м2 и объем 2500 м3. Всего в ФРГ эксплуатируется 2800 бассейнов со. средней площадью одного бассей­на 1270 м2, и расход топлива за сезон составляет 92 т нефти на 1 бассейн, а всего потребляется 260 тыс. т нефти. Общие теплопотери бассейна составляют 2390 кВт-ч/м2 за сезон, в том числе за счет излучения с поверхности воды теряется 1570, испарения и конвек­ции — 540, с промывочной водой — 230, вследствие теплопроводно­сти— 25 кВт-ч/м2 и потери при первом разогреве составляют 25 кВт-ч/м2. Вследствие поглощения атмосферного и солнечного излучения приход энергии составляет 1730 кВт-ч/м2 за сезон, а об­щая потребность в теплоіе за сезон равна 660 кВт-ч/м2. Итак, мак­симальные потери обусловлены испарением и теплоотдачей от во­ды к воздуху, а вторая по величине потеря теплоты — разность между излучением поверхности воды и поглощением атмосферного излучения (в диапазоне длин волн от 6 до 60 мкм), составляющая 370 кВт-ч/м2 за сезон.

Если глубина бассейна не превышает 1 м, то его дно и стены должны быть покрашены краской с высокой по­глощательной способностью, а дно, кроме того, должно иметь шероховатую поверхность. Для промывки фильт­ров используется теплая вода, норма расхода на одну промывку — 0,9 м3 на 1 м2 поверхности бассейна. Теп­лоту промывочной воды необходимо утилизировать, уста­новив после фильтров теплообменник.

При реализации всех трех указанных способов энер­госбережения потребность в теплоте снижается до 260 кВт-ч/м2 за сезон, что составляет всего 40 % перво­начального значения. При этом требуемая площадь плос­кого КСЭ уменьшается до 0,4 м2 (вместо 1 м2) на 1 м2 площади поверхности воды в бассейне. При этом годо­вое теплопотребление бассейна составляет 700— 800 МВт-ч, среднесуточная теплопроизводительность ге­лиоустановки за период май—сентябрь 2,5 кВт-ч/м2 в день (максимум 6 кВт-ч/м2 в день) при площади по­верхности воды КСЭ 1500 м2, температура воды на вхо­де в КСЭ 20—27 °С, а на выходе 24—36 °С при расходе 40—90 м3/ч.

Глава четвертая

СОЛНЕЧНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ
В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

НЕКОТОРГЕ ВОПРОСЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВОК

В каких районах можно использовать солнечные установки?

Практически в любом районе. Сезонные установки горячего водоснабжения можно использовать в различ­ных местах, но чем больше широта местности, тем коро­че период использования установки в год, а следователь­но, хуже показатель экономической эффективности. Сол­нечные установки отопления лучше всего подходят для районов с продолжительным отопительным периодом, но с достаточно высокой интенсивностью солнечной радиа­ции и умеренной температурой наружного воздуха в отопительный период.