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-

/ — 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-

/ — 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-

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

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.

/ — 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

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-

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-

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-

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.

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

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:

13—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.

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,

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-

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

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.

Это зависит от многих факторов; климатических дан­ных местности, размеров и теплоизоляции дома, среднего, уровня теплопотребления, типа и размеров гелиоустанов­ки. Вполне возможно получить экономию от 25 до 75 % расходов на топливо.

В сельском хозяйстве имеются большие возможности для применения солнечных установок — в растениеводст­ве, животноводстве и садоводстве. Речь идет прежде все­го о гелиотеплицах, сушильных установках, горячем во­доснабжении и отоплении ферм по разведению крупного рогатого скота, свиней, птиц, о подогреве воды для бас­сейнов для разведения рыб, о холодильных установках и т. п. Например, в сельском хозяйстве Голландии — страны с наиболее современным сельским хозяйством — потребляется 1/3 всей тепловой энергии, используемой в аграрном секторе экономики стран ЕЭС, причем 90 % приходится на энергопотребление в садоводстве и ого­родничестве, а доля теплиц составляет 20 %. Горячая во­да с температурой 10—80 °С потребляется для различ­ных целей на фермах. Так, для отопления свинарников, птичников, молочных ферм требуется воздух или вода с температурой 20—45 °С, для горячего водоснабже­ния— вода с температурой до 80 °С. От общего объема теплопотребления в сельском хозяйстве Голландии, эк­вивалентного 3 млн. т нефти в год, использование солнеч­ной энергии обеспечивает экономию около 0,2 млн. т нефти, а при условии применения улучшенной тепловой изоляции, в том числе подвижных теплоизоляционных экранов, экономия достигает 1 млн. т нефти в год. Опи­санные в предыдущей главе установки отопления и го­рячего водоснабжения применяются и для сельскохозяй­ственных объектов, хотя во многих случаях они имеют более простое конструктивное исполнение и ориентирЬ — ваны на применение местных материалов. Ниже рассмот­рены другие типы гелиоустановок для сельского хозяй­ства.

Гелиотеплицы. Постоянно возрастает производство овощей в закрытом грунте — парниках и теплицах. В скандинавских странах, Голландии, ФРГ потребление энергии в теплицах составляет 1—1,5 % общенациональ­ного энергопотребления и достигает 20—35 % общего по­требления энергии в сельском хозяйстве.

Теплицы — это биолого-теплотехнические устройства, и они могут быть весьма существенно усовершенствова­ны, если их превратить в гелиотеплицы. Солнечная энер­гия в обычной теплице используется главным образом для процесса фотосинтеза, при котором растения погло­щают и аккумулируют до 10 % энергии падающего сол­нечного излучения. При этом из диоксида углерода и во­ды под действием солнечного света образуются углеводы и молекулярный кислород. Из молекул углеводов обра­зуются органические вещества, необходимые для жизни и роста растений.

В обычных теплицах из-за большой площади свето­прозрачных поверхностей возникают значительные теп- лрпотери, для компенсации которых требуется определен­ный расход топлива в системе отопления. Теплицы могут обогреваться горячей водой, водяным паром, нагретым воздухом, инфракрасным излучением или продуктами сгорания топлива. При создании гелиотеплицы прежде всего нужно позаботиться о существенном снижении теплопотерь за счет применения теплоизоляции. Кроме того, необходимо обеспечить улавливание максимально возможного количества солнечной энергии и аккумули­рование избыточной теплоты.

Сама гелиотеплица служит пассивной гелиосистемой. Для повышения ее эффективности необходимо использо­вать аккумулятор теплоты. На рис. 48 показана схема гелиотеплицы с двойным остеклением, теплоизолирован­ной северной стенкой, имеющей отражательное покры­тие на внутренней поверхности, и грунтовым аккумуля­тором теплоты. Обычная пленочная теплица может иметь подпочвенный аккумулятор теплоты (рис. 49). Теплица имеет площадь 500 м2, а аккумулятор расположен под теплицей на глубине 0,5 м, выполнен в виде ямы шири­ной 5,4, длиной 80 и глубиной 1,2 м, которая заполнена кусками гранита размером 150—200 мм. Аккумулятор имеет кирпичные каналы, сообщающиеся с теплицей

трубами диаметром 350 мм. В одном канале установлен вентилятор мощностью 0,1 кВт.

Теплый воздух из теплицы проходит по первому кана­лу, отдает часть теплоты аккумулятору и затем возвра­щается через второй канал к вентилятору. Днем аккуму­лятор заряжается теплотой, а ночью разряжается. Го-

довая экономия топлива составляет 400—500 т условного топдива на 1 га обрабатываемой площади.

Расход энергии в теплицах уменьшается при приме­нении двойного остекления, подвижной защитной тепло­вой изоляции и усовершенствовании гелиоустановок. Ак­кумулирование теплоты наиболее целесообразно осуще­ствлять в грунте под теплицей. Для этого днем нагретая в солнечном коллекторе вода пропускается по системе пластмассовых труб, уложенных в грунт на небольшой глубине, и при этом происходит зарядка аккумулятора теплоты. Для использования аккумулированной теплоты в ночное время в трубы подается холодная вода; нагре­ваясь, она направляется на обогрев теплицы либо непо­средственно, либо после дополнительного подогрева.

Различают два типа гелиотеплиц: пристроенные к юж­ной стене жилого дома и отдельно стоящие. На рис. 50

показаны различные геометрические формы пристроен­ных тешущ. Они различаются по степени использования солнечного излучения, по возможности наиболее рацио — нального использования внутреннего пространства и со­ответственно по конструкции. Угол наклона южной остек­ленной поверхности к горизонту зависит от широты ме­стности и для средней полосы СССР может приниматься равным р=504-60°, при этом угол наклона крыши Pi = =204-35°. Оптимальное отношение. площади поверхно­сти грунта к площади светопрозрачной поверхности со­ставляет 1 : 1,5. При этом обеспечивается оптимальный энергетический баланс, т. е. разность между улавливае­мой солнечной энергией и теплопотерями, и хорошее ис­пользование внутреннего пространства. При вертикаль­ном расположении передней стенки не обеспечивается максимальное улавливание солнечной энергии. Следует иметь в виду, что пристроенная к дому гелиотеплица является его продолжением и все сооружение восприни­мается как единое целое, поэтому важное значение име­ет общая архитектура. На рис. 41, а показан красивый дом с пристроенной гелиотеплицей. Одна из наиболее удачных конструкций солнечных домов с гелиотеплицей создана Балкомбом в г. Санта-Фе (штат Нью Мексико, США), располженном на широте 36° с, ш. и высоте 2200 м над уровнем моря. Дом площадью 150 м2 имеет пристро­енную гелиотеплицу с площадью остекленных поверхно­стей 70 м2. Теплопотребление составляет 10 кВт при раз­ности температур внутреннего и наружного воздуха 40 °С. Дом имеет плоский солнечный коллектор площа­дью 38м2 с двухслойным остеклением. Аккумулирование теплоты осуществляется во внутренних стенах из камня (толщина стен 250 и 350 мм), бетонном полу в теплице и в двух галечных аккумуляторах общим объемом 19 м3. Солнечный дом Балкомба показан на рис. 42. Наружные стены хорошо теплоизолированы и имеют коэффициент теплопотерь 0,2 Вт/(м2-°С). Для отоплений используют­ся электронагреватели общей мощностью 3 кВт. В бла­гоприятных климатических условиях, характеризующих­ся высокой плотностью поступающей солнечной радиа­ции даже зимой, около 82 % теплопотребления обеспечивается за счет солнечной энергии без ущерба для комфорта.

Конструкция отдельно стоящей гелиотеплицы показа­на на рис. 51. Южная сторона теплицы имеет прозрач-

юз

ную изоляцию, опирающуюся на стенку. Северная стен­ка и крыша выполнены из непрозрачных строительных материалов и изнутри покрыты слоем теплоизоляции Для уменьшения теплопотерь необходимо теплоизолиро вать также стенку и наружную поверхность фундамента У северной стенки в теплице размещается тепловой ак кумулятор, например ряд бочек или канистр с водой Оптимальные значения углов наклона поверхностей вы

бираются по максимальному углу высоты Солнца в зим­ние месяцы для данного района. Так, для средней поло­сы России можно принимать Pi ==504-60°, р2=30°, при этом угол Рз должен быть не более 30°. Теплица должна иметь оптимальное расположение: ее устанавливают на ровном незатеняемом месте с естественной защитой от ветра, например с помощью кустарников или забора с северной стороны. Для максимального улавливания солнечной энергии конек крыши теплицы необходимо ориентировать вдоль оси восток—запад.

Вариант теплицы с галечным аккумулятором тепло-

ты показан на рис. 52. Внутренняя поверхность северной стены имеет отражательное покрытие, т. е. окрашена бе­лой блестящей краской. Это обеспечивает лучшую осве­щенность теплицы и уменьшает теплопотери. При хоро­шей теплоизоляции северной стены теплопотреблеиие теплицы снижается в 2 раза. Во избежание неконтроли­руемого воздухообмена должны быть тщательно уллот-

йены двери, окна, фрамуги вентиляционных отверстий. Однако кратность воздухообмена не должна быть ниже 0,5—1ч-1, так как для жизнедеятельности людей и рос­та растений необходим приток свежего воздуха.

Для теплоизоляции непрозрачных поверхностей ограждающих конструкций используются различные ма­териалы — минеральная вата, пенопласты (пенополи­стирол или пенополиуретан), спрессованная солома, су­хие опилки и стружка. Теплоизоляция с обеих сторон должна быть закрыта пленкой или фанерой,

В качестве материала прозрачной изоляции гелиотеп­
лиц используются стекло (лучше специальное садовое), полимерная пленка и листы прозрачной пластмассы. Пропускательная способность прозрачной изоляции т имеет следующие значения при падении солнечных лучей по нормали к поверхности:

Однослойное остекление, , t, , , , , , ,

Двухслойное остекление,

Поливинилхлоридная пленка: прозрачная *

полупрозрачная. , * , , t,

Полиэтиленовая пленка

Однослойное остекление+полиэтиленовая пленка,

Стекло обладает такими положительными свойства­ми, как способность хорошо выдерживать значительные колебания температуры, длительный срок службы при любых погодных условиях. Оно придает сооружению эс­тетически привлекательный вид. Но, к сожалению, стек­ло легко разрушается, поэтому требуется надежная упа­ковка при транспортировке, а в конструкции должны быть предусмотрены зазоры для термического расшире­ния. Основным недостатком пластмасс и полимерных пленок является их низкая устойчивость к действию уль­трафиолетового излучения и теплоты. Кроме того, они имеют малый срок службы, легко загрязняются из-за электростатической зарядки поверхности и легко по­вреждаются. Пропускательная способность пленок быст­ро снижается под действием неблагоприятных погодных условий, и поэтому их применение допустимо в тех слу­чаях, когда не требуется длительный срок эксплуатации теплиц. Срок службы пленки в наружном слое прозрач­ной изоляции теплиц — от 1 года (полиэтиленовая плен­ка) до 3 лет (поливинилхлоридная и стабилизированная ультрафиолетовыми лучами полиэтиленовая пленка). Лучше всего пленку использовать в качестве второго, внутреннего слоя прозрачной изоляции. Хороший эффект дает применение специальных компактных двухслойных пластин прозрачной изоляции: два листа стекла склеи­вают по периметру с зазором в 6—12 мм или использу­ют две прозрачные пластмассовые пластины (из акрило­вого стекла или поликарбонатной пластмассы) с по­перечными перегородками и аналогичным воздушным вазором.

Коэффициент теплопотерь К через прозрачную изо­
ляцию и степень уменьшения теплопотерь Дq для различ­ных вариантов выполнения прозрачной изоляции при скорости ветра 4 м/с составляют:

Для предотвращения запотевания (выпадения кон­денсата) на прозрачной изоляции следует уменьшить коэффициент теплопотерь путем применения двухслой­ной прозрачной изоляции. При температуре в теплице 20 °С в случае однослойного остекления (толщиной 6 мм) /(=6,8 Вт/(м2-°С) и двухслойного остекления К=~ =3,4 Вт/(м2-°С). Конденсат осаждается на поверхности стекла при следующих значениях температуры наруж­ного воздуха Гв в зависимости от относительной влаж­ности воздуха ф внутри теплицы:

При небольшом образовании конденсата влагосодер — жание воздуха в теплице повышается, что может небла­гоприятно влиять на растения. Снижение влажности воз­духа и температуры достигается благодаря вентиляции теплицы. При отсутствии вентиляции температура в теп­лице может повышаться до 50 °С и более. Вентиляция не только позволяет регулировать температуру и влажность воздуха, но й обеспечивает газовый обмен (Ог и СОг). При естественной вентиляции воздухообмен зависит от площади и расположения вентиляционных отверстий с клапанами. Для свободно стоящей теплицы эти отвер­стия должны лежать в направлении преобладающих вет­ров, чтобы с увеличением скорости ветра увеличивался воздухообмен. Площадь отверстий должна составлять приблизительно 1/6 площади теплицы, причем площадь

нижних отверстий для входа воздуха должна быть на 1/3 меньше площади выпускных отверстий, а разность их от меток по высоте должна составлять не менее 1,8 м.

Летом в теплице может возникать непереносимая жа­ра. Для предупреждения перегрева в теплице должна быть достаточная масса теплоаккумулирующего матери­ала, должен быть обеспечен хороший воздухообмен и предусмотрено затенение теплицы, что значительно снижает температуру воздуха и растений и интенсив­ность лучистого теплообмена. Для затенения использу­ются синтетические ткани, полотно, циновки, располагае­мые снаружи на остекленных поверхностях.

Объем аккумулятора теплоты (водяного, галечного, грунтового), площадь остекленных поверхностей и тол­щина теплоизоляции определяются расчетом с учетом климатических данных.

В туннельных теплицах могут использоваться плоские коллекторы солнечной энергии и грунтовые аккумулято­ры теплоты с пластмассовыми трубами, проложенными в грунте для циркуляции нагретого или холодного воз­духа. В одном из вариантов может быть предусмотрена система впрыска нагретой воды в теплицу, благодаря че­му обеспечивается требуемый температурно-влажност­ный режим. По сравнению с неотапливаемой теплицей при использовании гелиосистемы температура воздуха на 3—8 °С выше. Аккумулирование теплоты может осу­ществляться непосредственно в самой теплице в грунте или в цилиндрических капсулах с плавящимся вещест­вом типа парафина.

Эффективность гелиотеплицы значительно возрастает при применении теплового насоса, отбирающего теплоту у грунта, грунтовых вод или наружного воздуха.

Гелиосушилки. Выбор метода сушки определяется масштабом производства, климатическими особенностя­ми местности, видом высушиваемого материала и стои­мостью дополнительной энергии. Подвод теплоты к ма­териалу от сушильного агента может осуществляться конвективным путем или путем излучения, соответствен­но различают конвективные и радиационные сушилки. В первых продукт контактирует с воздухом, нагретым солнечной энергией, во вторых продукт непосредственно облучается Солнцем, температура в сушилках этого типа достигает 60—75 °С. Могут также применяться комбини­рованные сушилки, в которых участвуют оба вида теп­лообмена, но преобладает конвекция, а установка состо­ит из воздухонагревателя и сушильной камеры с про­зрачными стенками.

Естественная сушка сельскохозяйственных продуктов используется повсеместно и с давних пор. При этом про­дукты расстилают на земле, подвешивают под навесом или размещают на поддонах. При сушке на воздухе не­защищенных сельхозпродуктов имеют место большие по­тери вследствие неполного высушивания, загрязнения, заплесневения, склевывания птицами, повреждения на­секомыми, действия осадков.

Применение солнечных установок типа «горячий ящик» повышает эффективность сушки и уменьшает по­тери продукта. Существенно сокращается время сушки и улучшается качество продукта, в том числе сохран­ность витаминов. Однако коэффициент использования ге­лиосушилок для сельского хозяйства, как правило, низ­кий. В некоторых случаях за год они могут использо­ваться всего несколько недель. И это, естественно, не способствует достижению высоких экономических пока­зателей сушилок. В настоящее время экономически целе­сообразно применять гелиосушилки для сушки сена. Си­туация достаточно благоприятная при сушке древесины, рыбы, при применении гелиосушилок в прачечных.

Различают гелиосушилки с прямым и косвенным дей­ствием солнечной энергии. В установках первого типа солнечная энергия поглощается непосредственно самим продуктом и окрашенными в черный цвет внутренними стенками камеры, в которой находится высушиваемый материал. Сушилка этого типа показана на рис. 53. Она имеет верхнюю прозрачную изоляцию, перфорированную платформу для размещения высушиваемого материала, боковые стенки (южная стенка — из прозрачного мате­риала), теплоизоляцию с отверстиями для поступления воздуха и основание. Для удаления влажного воздуха из сушилки в верхней части северной стенки предусмотре­ны отверстия. Сушильные установки второго типа содер­жат солнечный воздухонагреватель и камерную или тун­нельную сушилку. В камерной сушилке воздух движется через слой высушиваемого материала, размещенного на сетчатых поддонах, снизу вверх, в то время как в тун­нельной сушилке материал движется на конвейерной ленте в одну сторону, а воздух движется противотоком в обратном направлении.

Рассмотрим примеры конструктивного выполнения камерных гелиосушилок. Простая сушилка с использова­нием полимерной пленки может быть изготовлена в со­ответствии с рис. 54. Она работает на естественной тяге. Воздух нагревается в пленочном солнечном воздухона-

/

/ — прозрачная изоляция; 2 — платформа для материала; 3 — стенка; 4 — теп-
лоизоляция; 5, 7 — отверстия; 6 — фундамент

гревателе и по воздуховоду поступает в нижнюю часть сушильной камеры, где на перфорированных поддонах (сетках, решетках) размещается влажный материал. На­гретый воздух движется в сушильной камере снизу вверх через слой материала и удаляется из камеры через за­зор между верхней кромкой и козырьком. Стенки сушиль­ной камеры могут быть теплоизолированы или выполне­ны из светопрозрачного материала. Пленочный воздухо­нагреватель изготовляется из полимерной пленки, натянутой на проволочный каркас. Верхняя поверхность нагревателя изготовляется из прозрачной пленки, а ниж­няя—из черной (рис. 55, а). Его можно также выпол­нить в виде двух цилиндрических поверхностей — наруж­ной прозрачной и внутренней черной (рис. 55,6).

Солнечная камерная сушилка с принудительным дуть­ем показана на рис. 56. Она включает воздухонагрева­тель, сушильную камеру и вентилятор. В теплоизолиро­ванном корпусе воздухонагревателя с прозрачной изо­ляцией находится зачерненная лучепоглощающая

поверхность из гофрированного металла. Горячий воздух по теплоизолированному воздуховоду поступает в су­шильную камеру с перфорированными поддонами для высушиваемого материала, которая установлена на опо­рах и сверху накрыта козырьком.

На рис. 57 показана еще одна конструкция гелиосу­шилки с естественным дутьем, отличающаяся типом воз­духонагревателя. В корпусе из оцинкованного железа с теплоизоляцией расположены две секции воздушного коллектора матричного типа. В корпусе предусмотрены отверстие для поступления наружного воздуха и свето­прозрачная изоляция. Солнечная энергия поглощается в матрице, представляющей собой два ряда покрашенных черной краской металлических сеток со стальной струж­ці

Рис. 56. Камерная сушилка с Вентилято-
ром и гофрированным абсорбером возду-
хонагревателя:

/ — воздухонагреватель; 2 — сушильная каме — ра; 3 — вентилятор; 4 — теплоизолированный корпус; 5 — прозрачная изоляция; 6 — абсор­бер; 7 — воздуховод; 8 — опора; 9 — козырек

Рис. 57. Гелиосушилка с пористым абсорбером воздухонагревателя:

1 — корпус воздухонагревателя; 2 — остекление; 3 — пористая лучепогло — щающая насадка; 4 — сушильная ка­мера; 5 — решетка для материала; 6 —■ перегородка; 7 — козырек кой между ними. Ее можно также сделать из нескольких слоев черной пористой ткани типа мешковины. Нагретый воздух поступает в сушильную камеру, которая имеет су­живающуюся кверху форму и ряд сеток, на которые укладывается влажный материал. Для подачи воздуха под каждый слой материала в камере предусмотрены вертикальные перегородки, образующие необходимые щели для воздуха. Сверху камера накрыта „козырькам.

Описанная гелиосушилка имеет высокую эффективность.

КПД коллектора достигает 75 % благодаря большо­му расходу воздуха [0,5 м3/с или 0,13 кг/(с-м2)], а по­тери давления—до 250 Па. Срок окупаемости — до 5 лет.

Простая и дешевая гелиосушилка для сельскохозяй­ственного кооператива может быть изготовлена из про­зрачной и черной полимерной пленки, стабилизирован­ной к действию ультрафиолетового излучения (рис. 58). На деревянный каркас натянута полиэтиленовая пленка толщиной 0,1 мм, а днище представляет собой черную полиэтиленовую пленку (0,1 мм), уложенную на слой

щелухи тодщиной 75 мм, служащей тепловой изоляцией. Боковые стенки внизу присыпаны землей, длина и шири­на коллектора соответственно равны 30 и 4,6 м. Нагре­тый воздух поступает в цилиндрическую камеру диа­метром 1,5 и высотой 1,8 м, в которой размещается 1,75 т сельскохозяйственного продукта (зерна) в несколько сло­ев толщиной по 150 мм.

Еще одна конструкция высокоэффективной гелиосу­шилки для различных сельхозпродуктов показана на рис. 59. Воздушный коллектор изготовляется из отдель­ных модулей площадью по 5 м2, которые в собранном ви­де образуют панели, устанавливаемые в наклонном по­ложении на крыше сарая. Внутри сарая размещаются го­ризонтальный желоб или вертикальный бункер для влажного материала, вентилятор, воздухораспредели­тельная камера. Панели воздушного коллектора присо­

единяются к вентилятору с помощью воздуховода. Луче — поглощающая поверхность воздушного коллектора — это пористая матрица, улавливающая солнечное и инфра­красное излучение и имеющая чрезвычайно развитую поверхность контакта для нагрева воздуха. Боковые и задняя стенки корпуса из оцинкованного железа име­ют тепловую изоляцию. Прозрачная изоляция — из спе­циального прочного полимерного материала с высокой пропускательной способностью для солнечного излуче­ния, устойчивого к ультрафиолетовому излучению. Обыч-

Рис. 59. Сушилка с воздухона­гревателем модульного типа:

1 — модуль воздухонагревателя;

2 — сушильный желоб; 3 — венти­лятор; 4 — воздухораспределитель;

5 — воздуховод

но модули шириной 4,2 и длиной 2,5 м соединяются по­следовательно. Две панели длиной по 14,5 м присоеди­нены к одному вентилятору, прогоняющему воздух через этот солнечный коллектор. Так, для сушилки с площа­дью поверхности коллектора 120 м2 достаточно одного вентилятора мощностью 3,5 или 5,5 кВт, производитель­ность сушилки 800 кг сырого или 400 кг высушенного продукта в день при среднедневной плотности потока солнечного излучения 19 МДж/м2 в день. Зерна помеща­ются в горизонтальном желобе, продуваемом нагретым воздухом. Аналогичные установки могут быть использо­ваны для сушки кукурузы и других зерновых, листьев та­бака.

Для сушки зерна в вентилируемом горизонтальном желобе или вертикальном бункере может использоваться нагретый воздух, температура которого всего на 2—3 °С (при высоте слоя до 4 м) или на 5—15 °С (в слое высо­той до 1,5 м) выше температуры окружающей среды. Ограничение высоты слоя обусловлено опасностью кон­денсации водяных паров в верхней части слоя, особенно в пасмурные дни с высокой влажностью воздуха.

Для сушки зеленых кормов и сена можно использо­
вать следующие методы: сушка горячим воздухом (300— 1000°С) или теплым (40—80°С); проветривание слабо подогретым воздухом (0—10°С); вентилирование непо — догретым наружным воздухом и сушка сена на земле в естественных условиях.

Расход энергии при сушке сена с использованием солнечной энергии меньше, чем при работе сушилки на жидком топливе, и приблизительно равен расходу энер­гии при сушке неподогретым воздухом. В системе при­меняется воздушный коллектор солнечной энергии, в ко­тором температура воздуха повышается на 20 °С в яркий солнечный день и на 1 °С в пасмурный облачный день. При этом влажность сена снижается на 5 % в пасмурный день. В качестве КСЭ могут быть использованы обычный остекленный КСЭ или сама черепичная крыша построй­ки, под которой смонтировано днище КСЭ и вентилято­ром прогоняется воздух.

Древесину строевого леса можно сушить в теплоизо­лированной камере объемом 65 м3, в которой на тележ­ке размещается до 10 м3 материала; с помощью венти­ляторов осуществляется циркуляция воздуха по замкну­тому контуру; воздух нагревается в коллекторе площа­дью 75 м2.

Солнечные кухонные печи. В южных районах печи для приготовления пищи, работающие на дефицитном топли­ве— угле, дровах, газообразном или жидком топливе, мо­гут быть заменены печами, в которых используется сол­нечная энергия или биогаз. Наиболее простую конструк­цию имеет солнечная печь типа «горячий ящик» (рис. 60). Печь представляет собой металлический ящик с тепло­изоляцией и полостью для размещения посуды для при­готовления пищи. Внутренняя поверхность полости обла­дает высокой отражательной способностью, а посуда должна иметь черный матовый цвет или специальное по­глощающее покрытие. Сверху печь снабжена съемной стеклянной крышкой. Печь может перемещаться на ко­лесиках и имеет рще одну крышку с отражателем и теп­ловой изоляцией. Положение этой крышки можно изме­нять, устанавливая ее вертикально или наклонно путем поворота вокруг шарнирных опор таким образом, чтобы обеспечить дополнительный поток отраженной солнечной радиации через стеклянную крышку внутрь ящика. Сол­нечное устройство такого типа при ярком солнце обеспе­чивает температуру не ниже 80—90 °С, а благодаря на-

Рис. 60. Солнечн&я печь типа «горячий ЯЩИК»;

1 — металлический ящик; 2 —теп­лоизоляция; 3 — лучепоглощающая полость для приготовления пищи; 4 — прозрачная крышка; 5 — коле­со; 6 — теплоизолированная крышка

Рис. 61. Плита с плоским сол­нечным коллектором; .

1 — плита; 2 — солнечный коллек­тор; 3 — аккумулятор теплоты; 4 — труба

линию тепловой изоляции теплопотери значительно сни­жаются и пища может вариться в течение длительного времени на солнце. Наиболее эффективно такую печь можно использовать для разогрева полуфабрикатов и ра­нее приготовленной пищи.

Однако в большинстве процессов приготовления пи­щи требуются более высокие температуры, которые мо­гут быть достигнуты только при применении оптических устройств для концентрации солнечной энергии. Во мно­гих случаях это нерентабельно, но, без сомнения, техни­чески возможно. В районах с сухим жарким климатом может использоваться солнечная печь с плоским коллек­тором солнечной энергии и аккумулятором теплоты (рис. 61). Для повышения эффективности следует исполь-

зовать светопрозрачную крышку и отражатель. Посуда должна быть окрашена в черный матовый цвет. Теплоно­ситель в коллектор поступает по нижней трубке, а из не­го в аккумулятор — по верхней трубке.

Пример конструкции солнечной печи с параболо-ци-

линдрическим концентратором показан на рис. 62, о и б.

Солнечная печь для приготовления пищи включает четырехколесную тележку, переносной столик с отверсти­ем для кастрюли, параболический концентратор, закреп­ленный шарнирно на раме тележки. Положение отража­теля в течение дня регулируется путем поворота вокруг оси в шарнирах. Для облегчения регулировки на его оси следует поместить маленькое зеркальце, а в плоскости столика печи сделать полупрозрачное окошко из мато­вого или цветного стекла — отраженный зайчик должен все время попадать в это окошко. Это будет означать, что солнечные лучи концентрируются на донышке каст­рюли. Для снижения тепловых потерь вокруг боковой необлучаемой поверхности кастрюли должна быть раз­мещена тепловая изоляция. Отражатель может быть из­готовлен из пластмассовой тонкостенной оболочки с на­клеенными фацетными плоскими зеркальцами.

Если эту печь использовать в тропической зоне, то во избежание затенения отражателя его необходимо выне­сти в сторону и фиксировать и регулировать его поло­жение с помощью шарнирно закрепленной оси и рыча­гов (рис. 62, б).

На широте 40—45° с. ш. для приготовления порции на четырех человек с помощью этой печи требуется 15— 20 мин для приготовления омлета, 45—60 мин для вар­ки риса, 1,5—2 ч для приготовления жареного мяса. В нерабочем состоянии отражатель может быть зафик­сирован и установлен в вертикальное положение. Это не­обходимо для предотвращения возможного повреждения его зеркальной поверхности.

Это зависит от многих факторов, в том числе от ка­чества изготовления и монтажа установки, включая пра­вильный выбор материалов для изготовления солнечных коллекторов, аккумуляторов теплоты, трубопроводов, качества уплотнений и т. п. Важное значение имеет вы­бор теплоносителя и применение соответствующих анти­коррозионных добавок, соблюдение требуемых скоростей потока в трубах, предотвращение попадания кислорода воздуха, вызывающего коррозию. Срок службы также зависит от предотвращения замерзания теплоносителя в трубопроводах и других элементах оборудования, под­верженных воздействия» наружного воздуха. Некоторые материалы, в частности полимерные пленки, быстро ста­реют под действием ультрафиолетового излучения. Ос­новной элемент гелиоустановки — солнечный коллек­тор — обычно рассчитан на 15—20 лет работы при усло­вии правильного монтажа и эксплуатации. Баки-аккуму­ляторы закрытого типа должны иметь катодную защиту от коррозии и могут эксплуатироваться в течение 20 лет. Аккумуляторы теплоты, работающие в условиях атмос­ферного давления и изготовленные из пластиков, армиро­ванных стекловолокном, могут служить длительное вре­мя при соблюдении правил эксплуатации. До сих пор эксплуатируются солнечные дома, построенные 30 и бо­лее лет назад.

Срок службы водонагревателей с естественной цирку­ляцией теплоносителя и компактных водонагревателей составляет 10—15 лет. При высоком солесодержании воды и вообще ее низком качестве срок службы коллектора мо­жет быть весьма непродолжительным из-за возможных повреждений, особенно в местах соединений — и уплотне­ний. Прозрачные пластмассы и полимерные пленки ста* реют по истечении 7—10 лет.

При перегреве аккумулятора теплоты возможно об­разование пара, для предотвращения повышения давле­ния предусматривается предохранительный клапан. Для автоматического удаления воздуха — из контура солнечно­го коллектора в верхней точке должен быть расположен воздушник. Все материалы должны выдерживать ііад — снмальныс температуры, которые могут иметь место щ>и холостом ходе (без теплоносителя) коллектора. Эгоотно — носится к материалам тепловой изоляции и деталям кор­пуса, соприкасающимся с лучепоглощающей поверхно­стью, температура которой может достигать 170-^2$001С в зависимости От типа коллектора.

Солнечные опреснители. Население ряда районов юга страны испытывает острый дефицит пресной воды, и в то же время там имеются значительные запасы соленых вод, непригодных для питья. Обессоливание минерали­зованных вод или опреснение морской воды успешно осу­ществляется с помощью солнечной энергии. Первая в ми­ре гелиоустановка для обессоливания загрязненных ми­нерализованных вод была построена в поселке Лас Салинас на севере Чили еще в 1872г. и в течение 36 лет снабжала пресной водой рудник, давая в день 20 м3 питьевой воды. Это была простая установка бассейново­го типа, занимавшая площадь 4600 м2.

Устройство и принцип работы солнечной опреснитель­ной установки бассейнового типа наглядно иллюстриру­ются схемой, приведенной на рис. 63. Морская или мине­рализованная вода, заполняющая мелкий бассейн с теплоизоляцией и гидроизоляцией, под действием по­глощаемой солнечной энергии испаряется, а образую­щиеся водяные пары конденсируются на наклонной стек­лянной крыше бассейна, и капли дистиллята стекают

в приемный желоб, откуда этот дистиллят по трубкам через гидрозатвор отводится в емкость для его сбора. На рис. 64 показана несколько измененная конструкция сол­нечного опреснителя, имеющего двойную полусфериче­скую оболочку из прозрачной пластмассы. Внутри обо­лочки движется минерализованная вода, подводимая по нижнему патрубку и отводимая по верхнему патрубку. Благодаря этому производится предварительный подо­грев воды за счет теплоты конденсации паров.

Первая в СССР опытно-производственная солнечная установка для обессоливания минерализованных вод бы­ла сооружена в 1968 г. в поселке Бахарден в пустыне Кара-Кум в Туркмении. Она имела площадь 600 м2, ле­
том давала от 2,4 до 4 л пресной воды в день с 1 м2 пло­щади бассейна и обслуживала овцеводческую ферму.

Начиная с 60-х годов в различных странах был сооружен ряд крупных солнечных опреснительных установок бассейнового типа. В настоящее время в мире эксплуатируется не менее 25 мощных солнечных установок для опреснения морской воды с единичной площадью бассейна от 100 до 30000 м2 с суммарной площадью бо­лее 50 тыс. м2 и общей производительностью более 200 м3 пресной воды в день. Наиболее крупная солнечная опреснительная установка эксплуатируется с 1984 г. в Абу-Даби (Объединенные Арабские Эми-

І — морская вода; 2 — корпус бассейна; 3 — теплоизоляция; 4 — гидроизоляция; 5 — внутренняя прозрачная оболочка; 5 —конденсат; 7 — дистиллят; 8 — отвод дистиллята; 9 —наружная прозрачная оболочка; /9 —холодная вода 11 — на*

гретая вода

раты), которая была разработана совместно США и Японией. Это установка нового типа, и расчетная производительность составляет 120 м3 пресной воды в день, а фактически достигнутая среднегодо­вая производительность 80 м3 в день. К числу крупных солнечных опреснительных установок относятся четыре установки в Греции — на островах Патмос (площадь бассейна 8500 м2, производительность 40 м3 дистиллята в день), Кимолос и Сими (площадь 2600—2800м2), две установки в Кубер Педи в Австралии производительностью 14 м3 в день, установка в Пакистане (Гвадар) площадью 16 000 м2 и про­изводительностью 60 м3 пресной воды в день. Установки большой производительности построены также в Испании, Индии и других странах.

Существующие типы солнечных установок для опрес­нения морской воды и обессоливания минерализованной воды можно разделить на три группы:

1) опреснители бассейнового типа, в которых солнеч­ная энергия используется непосредственно для испаре­ния воды в процессе дистилляции. В качестве дополни­тельного источника энергии’ может использоваться, на­пример, нагретая охлаждающая вода;

2) установки с процессами увлажнения воздуха и конденсации паров и многократным использованием солнечной энергии в многоступенчатых или параллельно включенных расширителях-испарителях, при этом пере­нос водяных паров осуществляется вследствие конвекции воздуха;

3) установки, в которых источником энергии служит солнечная радиация, но принцип работы их подобен обычным топливным опреснительным установкам, при­чем движение рабочей жидкости и водяных паров осу­ществляется с помощью насоса и вакуум-насоса.

Для нагревания от 20 до 50 °С 1 кг или 1 л воды и ее испарения требуется около 2400 кДж теплоты или 670 кВт-ч на 1 м3 воды. В течение летнего солнечного дня на 1 м2 поступает около 20 МДж солнечной энергии, при КПД солнечного опреснителя 0,36 за день испаряет­ся слой воды толщиной 3 мм.

Благодаря более эффективному использованию теп­лоты (в частности, для предварительного подогрева опресняемой воды за счет теплоты конденсации водяных паров) в многоступенчатых солнечных опреснитель­ных установках ее расход значительно ниже теоретиче­ского (670 кВт-ч на 1 м3) и составляет всего 50— 60 кВт-ч/м3, а в системах с применением обратного ос­моса и электродиализа и того меньше—5—15 кВт-ч/м3. В установках последних типов потребление энергии про­порционально солесодержанию воды, и при дистилляции загрязненной маломинерализованной воды расход энер­гии составляет 1 кВт-ч/м3.

Для крупномасштабных солнечных опреснительных установок с суточной производительностью 100—200 м3 воды в день многоступенчатые установки имеют преиму­щество, так как они потребляют меньше энергии на пе­рекачку, и оборудование в меньшей степени поддается коррозии. В уже упоминавшейся крупной опреснитель­ной установке в Абу-Даби используются вакуумирован — ные трубчатые стеклянные коллекторы площадью 1862 м2. В них вода нагревается до 80 °С и выше и по­дается в тепловой аккумулятор, благодаря чему обеспе­чивается непрерывный процесс дистилляции. Температу­ра воды, поступающей в испарители, равна 75—80 °С. Требуемый расход теплоты составляет 45 кВт-ч на 1 м3 дистиллята, а расход электроэнергии 7 кВт-ч/м3. При­менение солнечных батарей позволит существенно сни­зить стоимость получаемой воды.

Солнечные холодильные и водоподъемные установки. Принцип работы холодильных установок описан в гл. 3.

Холод можно получать в солнечных абсорбционных холодильных установках периодического действия. Для установок этого типа характерно совмещение в одном ап­парате двух элементов системы. Так, генератор и абсор­бер совмещаются с коллектором солнечной энергии, а ис­паритель— с конденсатором, однако эти функции они выполняют в разное время суток. В дневное время кол­лектор солнечной энергии служит генератором, а ночью — абсорбером. Под действием поглощенной сол­нечной энергии днем из крепкого раствора аммиака в во­де, находящегося в коллекторе, выделяется аммиачный пар, который затем превращается в жидкость в конден­саторе. Жидкий аммиак накапливается в специальной емкости с водяной рубашкой. В ночное время происхо­дит охлаждение коллектора при открытой крышке и дав­ление в системе падает. Аммиак в емкости испаряется, отбирая теплоту у воды в кожухе конденсатора-испари­теля, а пар поступает в абсорбер-коллектор, где он по­глощается слабым раствором, образуя крепкий водоам — миачный раствор. При этом вода в кожухе охлаждается до температуры —5 °С и превращается в лед. На сле­дующий день цикл повторяется.

Принцип работы другой холодильной установки пе­риодического действия, обеспечивающей температуру 4 °С в камере для хранения вакцины, основан на процес­сах адсорбции-десорбции в системе цеолит—вода (рис 65). Днем в солнечном коллекторе (КСЭ), содер­жащем насыщенный водой цеолит, в результате повы­шения температуры давление в КСЭ становится выше давления паров, соответствующего температуре в кон­денсаторе. Часть воды из цеолита десорбируется, и пары конденсируются в конденсаторе. Под действием силы тя­жести вода стекает в испаритель, помещенный в тепло­изолированный ящик с крышкой.

В ночное время температура в КСЭ постепенно сни­
жается и давление в нем становится ниже давления па­ров при температуре в испарителе Ти. При этом находя­щаяся в нем вода испаряется и образующиеся водяные пары поступают в КСЭ и там адсорбируются цеолитом. Процесс идет с поглощением теплоты, и при этом возни­кает охлаждающий эффект в испарителе И даже может образовываться лед. Вентиль обеспечивает переключение контуров циркуляции днем и ночью. Охлаждаемые меди­каменты помещают в ящик.

Рис. 65. Солнечная холодильная камера для хранения вакцины:

/ — солнечный коллектор; 2 — конден-
сатор; 3 — испаритель; 4 — теплоизоли-
рованная камера; 3 — крышка; 6 — ам-
пулы с вакциной; 7 — вентиль

В солнечных водоподъемных установках для привода насоса используются солнечные батареи или тепловые двигатели, работающие по термодинамическо­му циклу с низкокипящей/рабочей жидкостью. Мощность привода зависит от производительности1 и напора насоса, определяемого глубиной скважины, обычно достаточно 3—15 кВт.